蚊子口器变身3D打印机喷嘴：走进“死亡打印”新领域

“死亡机器人学”是一个将动物身体部件与合成材料结合以制造机器人的工程领域。它已经催生出利用死蜘蛛腿部制成的气动微夹爪，以及基于已故蟑螂的行走机器人。“这些死亡机器人学的论文启发我们创造了不同的东西，”加拿大蒙特利尔麦吉尔大学机械工程教授常红曹（Changhong Cao，音译）说道。

曹教授的团队没有制造机器人，而是将雌性蚊子的口器改造为超精密3D打印机的喷嘴。结果出人意料地好。

尖牙与毒刺

为了给他们的3D“死亡打印”系统找到合适的喷嘴，曹教授的团队首先对自然界中的微流体输送尖端进行了广泛调查。研究人员检查了蜜蜂、黄蜂和蝎子的毒刺；毒蛇的尖牙；以及蜈蚣的爪子。所有这些结构都进化用于向目标输送液体，这大致相当于3D打印机喷嘴的功能。但它们都有问题。“有些太弯曲了，不利于高精度3D打印，”曹解释说。“此外，它们优化用于输送毒液脉冲，而不是稳定、连续的流动，而这正是打印所需要的。”

另一方面，连续流动的优化是一些口器的特征，这是某些昆虫用来从猎物身上吸取血液的管状口器。科学家们发现，这些口器通常非常细且坚固，以便刺穿厚皮肤，并且笔直以使进食更容易。这就是为什么最终的喷嘴供体选择落在了采采蝇、沙蝇、蚜虫、臭虫、猎蝽和雌性蚊子之间。蚊子最终胜出。

研究人员发现，雌蚊口器的内径为20-30微米，远小于大多数毒刺或尖牙，并且它具有笔直、长的结构，使其易于作为喷嘴对齐。“它还很坚硬和坚固，能够承受打印压力，”曹说。剩下的唯一问题就是围绕它构建一台3D打印机。

“死亡打印机”

曹和他的同事们称他们创造的设备为“3D死亡打印机”。它基于Aerotech精密运动平台，这是一种机械定位系统，可以在稳定、隔振的平台上以10纳米分辨率移动打印头。挤出机构本身很简单：一个基于注射器的直接墨水书写系统，将打印材料推过一个小塑料尖端。

“为了整合口器，我们首先在显微镜下从已安乐死的蚊子身上取下它，”曹解释道。然后，将口器/喷嘴与塑料尖端的出口对齐。最后，用紫外线固化树脂将口器和尖端粘合在一起。

这台死亡打印机的分辨率在18至22微米之间，比使用最小商用金属分配尖端的打印机精细两倍。首批打印测试包括600微米的蜂窝结构、微型枫叶和细胞支架。

但在某些方面，人造技术仍然战胜了大自然。

玻璃与压力

蚊子喷嘴的第一个问题是其内部压力承受能力相对较低。“虽然令人印象深刻，但仍然太低，无法适应一些高粘度的墨水，”曹说。

这些墨水看起来更像糊状物而非典型流体，能更好地保持形状，从而转化为几何精度更高、不会因自身重量而下垂或扩散的模型。这在曹的测试打印中在某种程度上是一个问题。

但这并非人造技术战胜自然的唯一领域。虽然蚊子的喷嘴在精度上可以胜过塑料或金属替代品，但它们无法胜过玻璃分配尖端，后者可以打印宽度低于1微米的线条，并且能承受更高的压力。

不过，研究人员已经有一些关于如何至少弥合部分差距的想法。“一种可能的解决方案是以蚊子口器为核心，并在其上涂覆陶瓷层以提供更高的强度，”曹说。如果压力问题得到解决，18-22微米的分辨率对许多应用来说应该足够了。

曹认为，未来这样的打印机可用于打印活细胞的支架或微型电子元件。其理念是用更实惠的有机对应物取代昂贵的传统3D打印喷嘴。他说，蚊子喷嘴的主要优势是低成本和无处不在。

蚊子几乎生活在地球上的每个角落，而且很容易饲养。该团队估计，由蚊子口器制成的有机3D打印喷嘴成本约为80美分；研究人员在论文中指出，玻璃和金属替代品的成本是它的32到100倍。

“我们已经开始对蚊子本身进行更多研究，并希望开发出更多的工程解决方案，不仅利用它们死亡的身体，还要解决它们引起的实际问题，”曹说。