機械工程師 Shervin Foroughi 和 Mohsen Habibi 正在一絲不苟地在一個液池上方移動一個微小的超聲波棒，這時他們第一次看到冰柱形狀出現並凝固。這對搭檔尖叫得如此響亮，以至於他們在蒙特利爾康考迪亞大學的同事在走廊盡頭都能聽到。“嗯，如果他們沒有因為 COVID 而在家，他們就會聽到我們的聲音，”Foroughi 說。儘管如此，一個快速的視訊通話讓研究人員分享了他們的興奮之情：經過數月的努力，他們透過將液體暴露於聚焦的聲波場（透過固體牆壁傳輸）3D列印了一個固體物體。
康考迪亞團隊的這項新的“直接聲波列印”技術是第一個使用來自屏障後方的聲波建立固體結構的技術。儘管它離商業可行性還有很長的路要走，但研究人員認為他們的遠端控制 3D 列印為無數可能性打開了大門。他們說，它可能潛在地實現微創組織工程和生物植入物修復，在人體內。它還可以支援在其他難以接近的地方（例如飛機機身內部）進行工業維修。
大多數商業形式的 3D 列印都涉及透過噴嘴擠出流體材料——塑膠、陶瓷、金屬甚至生物化合物——並逐層硬化它們，以形成計算機繪製的結構。硬化步驟是關鍵，它依賴於光或熱形式的能量。流體形成化學鍵並因此凝固的能力受每個分子接收的能量控制——而傳輸足夠的能量通常需要在能源和材料之間進行直接、高度集中的接觸。
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康考迪亞團隊，包括研究微機電系統設計的大學機械工程教授 Muthukumaran Packirisamy，提出了另一個想法。“我們想在光或熱無法到達的地方進行 3D 列印，”當時是該大學博士後研究員的 Habibi 說。該團隊意識到，聲波提供了一種快速聚焦和操縱能量的方法，而無需直接接觸液體材料。“這就是我們想要填補的空白，”Habibi 說。
使用超聲波觸發室溫液體中的化學反應本身並不新鮮。聲化學領域及其應用在 20 世紀 80 年代在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校 (UIUC) 成熟，它依賴於一種稱為聲空化的現象。當超聲波振動在流體中產生微小的氣泡或空腔時，就會發生這種情況。當這些氣泡破裂時，內部的蒸汽會產生極高的溫度和壓力；這會在微小的區域性點施加快速加熱。康考迪亞團隊試圖釋放聲化學的力量，作為一種非常規的方式來列印傳統材料，以及那些不可能用典型能源列印的材料。“在僅僅一皮秒內產生的那些無法想象的溫度和壓力為瞬時列印創造了完美條件，”Habibi 說。
在他們 2022 年發表在《自然通訊》上的實驗中，研究人員在一個圓柱形不透明外殼的腔室中填充了一種常見的聚合物（聚二甲基矽氧烷或 PDMS），並與固化劑混合。他們將腔室浸入水箱中，水箱充當聲波傳播到腔室中的介質（類似於來自醫療成像裝置的超聲波透過塗抹在患者皮膚上的凝膠傳播的方式）。然後，科學家使用安裝在計算機控制的運動操縱器上的生物醫學超聲波換能器，沿著計算路徑在液體聚合物中 18 毫米深處追蹤超聲波束的焦點。沿著換能器的路徑，液體中開始出現微小的氣泡，隨後迅速凝固。在快速嘗試了超聲波頻率、液體粘度和其他引數的多種組合後，該團隊最終成功地使用該方法在液浴中打印出楓葉形狀、七齒齒輪和蜂窩結構。然後，研究人員使用各種聚合物和陶瓷重複了這些實驗，並在今年 10 月舉行的加拿大聲學協會年會
“使用聲音進行製造是一個非常創新的想法，我很高興看到它，”UIUC 教授 William King 說，他專注於先進材料和製造、奈米技術和傳熱，並且沒有參與這項新研究。他說，超聲波方法為快速生產複雜的 3D 幾何形狀提供了有趣的可能，這些幾何形狀可能無法透過其他製造工藝實現。不過，他指出，現在主流的 3D 列印工藝首先在一個或兩個小眾用途中找到了立足點。“我期待看到基於聲音的列印是否能找到必要的應用而獲得成功，”King 補充道。
對於在瑞士達沃斯 AO 研究所領導聲音引導組織再生重點領域的 Tiziano Serra 來說，一個有吸引力的應用是從遠處進行的臨床修復。這意味著將生物材料——如明膠、纖維蛋白（一種在血液凝固中很重要的蛋白質）或嵌入藥物的水凝膠——注射到體內的某個位置，然後將其列印成可以修復肌肉骨骼損傷或逐漸釋放癌變或感染部位周圍藥物的結構。其他生物列印技術使用紫外線硬化這些材料，但這種光無法穿透不透明的屏障。超聲波“可以原位發揮作用，並提供許多進步和機會，”Serra 說。“注射避免了長時間的手術、感染的可能性和醫療保健費用。”他警告說，然而，這種技術不適用於使用活細胞進行列印。高溫和高壓會殺死它們。
在非生物學領域，遠端控制列印可以幫助航空航天工業的維修。Habibi 說，工程師可以將液態塑膠擠入飛機機身難以接近的區域，然後使用新的 3D 列印技術將粘性物凝固成固體結構——例如，多孔塑膠隔離器，它可以抑制飛機的振動。
基於聲音的列印的關鍵下一步是展示此過程如何在滿足工程師和產品設計師嚴格要求的實際應用中發揮作用，例如材料強度、表面光潔度和可重複性。
該研究團隊很快將發表新的工作，討論列印速度和解析度的顯著提高。在 2022 年的論文中，該團隊展示了列印邊長為 100 微米的“畫素”的能力。相比之下，傳統的 3D 列印可以實現一半大小的畫素。
儘管如此，哈佛大學衍生公司 AcousticaBio 的機械工程師 Daniele Foresti 認為，解析度的差異並不是拒絕這項新技術的理由。畢竟，人們總是傾向於將新技術與成熟的工具進行比較。“有些東西已經存在了 30 年，”他說，研究人員有更多的時間來開發它們並提高它們的效能，例如，提高解析度。“當您證明一種新的機制有效並且具有發展潛力時，”Foresti 說，“這本身就很有價值。”