机械工程师 Shervin Foroughi 和 Mohsen Habibi 正在一丝不苟地在一个液池上方移动一个微小的超声波棒，这时他们第一次看到冰柱形状出现并凝固。这对搭档尖叫得如此响亮，以至于他们在蒙特利尔康考迪亚大学的同事在走廊尽头都能听到。“嗯，如果他们没有因为 COVID 而在家，他们就会听到我们的声音，”Foroughi 说。尽管如此，一个快速的视频通话让研究人员分享了他们的兴奋之情：经过数月的努力，他们通过将液体暴露于聚焦的声波场（通过固体墙壁传输）3D打印了一个固体物体。
康考迪亚团队的这项新的“直接声波打印”技术是第一个使用来自屏障后方的声波创建固体结构的技术。尽管它离商业可行性还有很长的路要走，但研究人员认为他们的远程控制 3D 打印为无数可能性打开了大门。他们说，它可能潜在地实现微创组织工程和生物植入物修复，在人体内。它还可以支持在其他难以接近的地方（例如飞机机身内部）进行工业维修。
大多数商业形式的 3D 打印都涉及通过喷嘴挤出流体材料——塑料、陶瓷、金属甚至生物化合物——并逐层硬化它们，以形成计算机绘制的结构。硬化步骤是关键，它依赖于光或热形式的能量。流体形成化学键并因此凝固的能力受每个分子接收的能量控制——而传输足够的能量通常需要在能源和材料之间进行直接、高度集中的接触。
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康考迪亚团队，包括研究微机电系统设计的大学机械工程教授 Muthukumaran Packirisamy，提出了另一个想法。“我们想在光或热无法到达的地方进行 3D 打印，”当时是该大学博士后研究员的 Habibi 说。该团队意识到，声波提供了一种快速聚焦和操纵能量的方法，而无需直接接触液体材料。“这就是我们想要填补的空白，”Habibi 说。
使用超声波触发室温液体中的化学反应本身并不新鲜。声化学领域及其应用在 20 世纪 80 年代在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 (UIUC) 成熟，它依赖于一种称为声空化的现象。当超声波振动在流体中产生微小的气泡或空腔时，就会发生这种情况。当这些气泡破裂时，内部的蒸汽会产生极高的温度和压力；这会在微小的局部点施加快速加热。康考迪亚团队试图释放声化学的力量，作为一种非常规的方式来打印传统材料，以及那些不可能用典型能源打印的材料。“在仅仅一皮秒内产生的那些无法想象的温度和压力为瞬时打印创造了完美条件，”Habibi 说。
在他们 2022 年发表在《自然通讯》上的实验中，研究人员在一个圆柱形不透明外壳的腔室中填充了一种常见的聚合物（聚二甲基硅氧烷或 PDMS），并与固化剂混合。他们将腔室浸入水箱中，水箱充当声波传播到腔室中的介质（类似于来自医疗成像设备的超声波通过涂抹在患者皮肤上的凝胶传播的方式）。然后，科学家使用安装在计算机控制的运动操纵器上的生物医学超声波换能器，沿着计算路径在液体聚合物中 18 毫米深处追踪超声波束的焦点。沿着换能器的路径，液体中开始出现微小的气泡，随后迅速凝固。在快速尝试了超声波频率、液体粘度和其他参数的多种组合后，该团队最终成功地使用该方法在液浴中打印出枫叶形状、七齿齿轮和蜂窝结构。然后，研究人员使用各种聚合物和陶瓷重复了这些实验，并在今年 10 月举行的加拿大声学协会年会
“使用声音进行制造是一个非常创新的想法，我很高兴看到它，”UIUC 教授 William King 说，他专注于先进材料和制造、纳米技术和传热，并且没有参与这项新研究。他说，超声波方法为快速生产复杂的 3D 几何形状提供了有趣的可能，这些几何形状可能无法通过其他制造工艺实现。不过，他指出，现在主流的 3D 打印工艺首先在一个或两个小众用途中找到了立足点。“我期待看到基于声音的打印是否能找到必要的应用而获得成功，”King 补充道。
对于在瑞士达沃斯 AO 研究所领导声音引导组织再生重点领域的 Tiziano Serra 来说，一个有吸引力的应用是从远处进行的临床修复。这意味着将生物材料——如明胶、纤维蛋白（一种在血液凝固中很重要的蛋白质）或嵌入药物的水凝胶——注射到体内的某个位置，然后将其打印成可以修复肌肉骨骼损伤或逐渐释放癌变或感染部位周围药物的结构。其他生物打印技术使用紫外线硬化这些材料，但这种光无法穿透不透明的屏障。超声波“可以原位发挥作用，并提供许多进步和机会，”Serra 说。“注射避免了长时间的手术、感染的可能性和医疗保健费用。”他警告说，然而，这种技术不适用于使用活细胞进行打印。高温和高压会杀死它们。
在非生物学领域，远程控制打印可以帮助航空航天工业的维修。Habibi 说，工程师可以将液态塑料挤入飞机机身难以接近的区域，然后使用新的 3D 打印技术将粘性物凝固成固体结构——例如，多孔塑料隔离器，它可以抑制飞机的振动。
基于声音的打印的关键下一步是展示此过程如何在满足工程师和产品设计师严格要求的实际应用中发挥作用，例如材料强度、表面光洁度和可重复性。
该研究团队很快将发表新的工作，讨论打印速度和分辨率的显着提高。在 2022 年的论文中，该团队展示了打印边长为 100 微米的“像素”的能力。相比之下，传统的 3D 打印可以实现一半大小的像素。
尽管如此，哈佛大学衍生公司 AcousticaBio 的机械工程师 Daniele Foresti 认为，分辨率的差异并不是拒绝这项新技术的理由。毕竟，人们总是倾向于将新技术与成熟的工具进行比较。“有些东西已经存在了 30 年，”他说，研究人员有更多的时间来开发它们并提高它们的性能，例如，提高分辨率。“当您证明一种新的机制有效并且具有发展潜力时，”Foresti 说，“这本身就很有价值。”