以色列研究者：3D打印陶瓷珊瑚礁，复现珊瑚礁的复杂生活环境

导读：珊瑚礁的迅速减少，增加了探索珊瑚礁恢复的跨学科方法的必要性。如今珊瑚礁恢复领域面临着许多问题，例如缺乏相关工具和技术等，珊瑚礁的恢复受到了极大的限制，因此迫切需要研究探索能够保护珊瑚并促进整个珊瑚礁生态系统再生的技术。

2022年5月，南极熊获悉，来自以色列四所顶尖大学的研究人员开发了一种新颖的 3D 打印工艺，可以帮助保护全球重要的珊瑚礁。他们在《Science of The Total Environment》发表了题为《Emerging 3D technologies for future reformation of coral reefs: Enhancing biodiversity using biomimetic structures based on designs by nature》的研究。研究团队结合3D扫描、环境 DNA 采样和3D打印算法，成功制造了独特的3D打印陶瓷珊瑚礁，能够保护珊瑚并促进整个珊瑚礁生态系统的再生。


珊瑚礁保护的新方法


△珊瑚礁保护方法概述


△3D打印用于珊瑚礁保护一览图

1. 首先，该团队扫描了水下珊瑚礁的形貌，获取了珊瑚礁的照片，从中可以得到准确的三维3D模型。为了计算珊瑚礁的复杂形态并了解其形态如何促进珊瑚礁的物种多样性，研究团队拍摄了数千张图像用于实验研究。

2.然后，该团队利用分子方法收集环境遗传信息，以提供有关生活在珊瑚礁中的生物的数据。该数据与其他参数（例如核心珊瑚礁特征）相结合，应用进“3D技术算法”，从而构建有关珊瑚礁的交互式参数模型。然后可以设计该模型以精确适应所需的珊瑚礁环境。

3.最后，该团队使用陶瓷3D打印工艺将数字模型转化为实物。此次打印的珊瑚礁材料是一种独特的陶瓷材料，其在水下具有天然多孔的性质​​。据研究人员称，所设计制造的珊瑚礁能够为珊瑚礁修复提供理想条件。


△从扫描到实物的变化过程

总结
“现有的人工珊瑚礁难以复现珊瑚栖息地的复杂性，也难以反映自然环境的珊瑚礁物种，我们引入了一种新颖的可定制3D制造方法，用于利用从珊瑚生态系统收集的真实数据来生成模拟的珊瑚栖息地，更适合珊瑚的生长。”

——第一作者Natalie Levy

“使用天然材料进行3D打印有助于生产高度复杂和多样化的产品，这是使用通常的模具生产方式无法实现的。”

—— Ezri Tarazi 教授

“使用 3D 打印可以在基于算法的现实解决方案中实现广泛的行动自由，并为大规模海洋修复的发展吸收可持续生产。”

——Ofer Berman  

在解决拯救珊瑚礁中有两个关键问题需要解决。首先，需要一种创新的、适应性强的方法来促进全球珊瑚礁的大规模恢复；其次，能够复现珊瑚礁在大小和设计上的自然复杂性，这将吸引当地的珊瑚、鱼类和无脊椎动物物种促进珊瑚礁的再生。据该团队称，此3D打印算法允许输入每个珊瑚礁的数据，以及具有根据特定珊瑚礁环境定制3D打印模型的能力。根据流程中收集的信息，数据可以不断地重新输入算法，以评估设计实施后的有效性和效率。

其他3D打印珊瑚礁
由于全球变暖和沿海地区城市化加速等因素，世界珊瑚礁正在迅速减少，许多珊瑚礁已经灭绝。结果，这给依赖珊瑚礁生存的海洋生物带来了巨大压力，随后对我们海洋的生物多样性产生了灾难性影响。

●增材制造是正在探索的众多技术之一，以帮助珊瑚礁恢复健康，早在2015年研究者就开始尝试生产3D打印珊瑚礁，此后的研究在将3D打印的珊瑚结构融入海洋环境方面取得了积极成果，证明了该技术有助于恢复天然珊瑚礁的潜力。


△人造珊瑚礁

●剑桥大学和加州大学圣地亚哥分校最近的项目已经成功地对能够生长微型藻类群落的珊瑚模拟结构进行生物打印。


△带有藻类的 3D 生物打印珊瑚结构。照片来自剑桥大学。

●来自香港大学的科学家对陶土砖进行3D打印，促进珊瑚礁的附着。


△使用3D机器人粘土打印机3D打印陶土瓷砖。图片来自香港大学。


原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154749