To w końcu św. Mikołaj czy MacGyver?

To w końcu św. Mikołaj czy MacGyver?
Wielkie odkrycia naukowe niejednokrotnie niosą ze sobą wielkie problemy, pytania jakie
postawili przed sobą naukowcy chcąc je rozwiązać, często pozostawały bez odpowiedzi przez wiele
lat; jak złożyć w jedną całość Forma Urbis Romae, czyli plan miasta Rzymu wykonany około roku
200 n.e.? Wykuty w marmurze szkic o wymiarach 23 na 17 metrów, wygląda obecnie jak puzzle
olbrzyma, który porzucił swoją układankę w trakcie zabawy, pozostawiając za sobą 1186 kawałków
o przeciętnej wielkości kilku metrów kwadratowych. Jak utrwalić milimetrowej grubości
pociągnięcia dłuta Michelangela, na liczącym przeszło siedem metrów wysokości posągu Davida,
bez narażania arcydzieła na ryzyko? Jak zbadać warty osiem milionów dolarów szkielet
Tyrannosaurus
rex,
zwany
pieszczotliwie
przez pracowników The
Filed Museum, Sue?
Próby rozwiązania wszystkich tych
problemów, łączy ze
sobą jeden wspólny
mianownik, którym jest
technika 3D. Trendy we
współczesnej
nauce
wskazują, że to właśnie
ta metoda digitalizacji
danych ma przed sobą
wielką, nie do końca odkrytą jeszcze przyszłość.
Zacznijmy jednak od
podstaw, czyli metod
przechwytywania danych
za pomocą skanerów 3D
Zdjęcie nr 1: Skaner 3D podczas przechwytywania obrazu
(zdjęcie nr 1). Są to
posążka.
urządzenia pozwalające
na
zbudowanie
na
ekranie komputera, wiernej, przestrzennej kopii interesującego nas obiektu. Maszyny te operują
światłem białym, lub promieniem lasera, analizując stopień zakrzywienia linii światła (lasera, czy
prążków światła białego) na powierzchni obiektu.
To właśnie ta technika została zaprzęgnięta do: „The Digital Michelangelo Project”, który
rozpoczął się w styczniu 1997 roku, podczas realizacji zadania przeniesiono do świata cyfrowego a
następnie udostępniono internautom, dziesięć najsłynniejszych dzieł wielkiego artysty.
Przy realizacji tego i innych wielkich projektów szybko okazało się, że sam proces skanowania
mimo iż jest czasochłonny i wymaga dużych inwestycji, daje nam jednak dużo więcej, niż samą
możliwość zachowania dziedzictwa kulturowego. Pozwala na dokonywanie analiz, przekrojów,
porównań oraz weryfikacji stanu zachowania oraz autentyczności zabytków. Ułatwia także prace
konserwatorskie, na podstawie perfekcyjnie wykonanych przestrzennych skanów. Daje nam
również możliwość zachowania obiektów, które z różnych powodów nie mogą być konserwowane
a najprawdopodobniej zostaną unicestwione.
Problem trochę innego typu pojawił się w przypadku: „Digital Forma Urbis Romae Project”.
Okazało się bowiem, że samo zeskanowanie ponad tysiąca wielkich płyt, nie przynosi bynajmniej
rozwiązania zagadki. Ułatwia co prawda operowanie w świecie wirtualnym kawałkami układanki,
pozostawia jednak zbyt dużo możliwości dopasowywania fragmentów. W celu przyspieszenia
samego procesu użyto algorytmu matematycznego, który wyszukuje powierzchnie o podobnej
strukturze, pośród pogruchotanych bloków marmuru.
Sama technika skanowania również ulega zmianie, wymaga coraz mniej ingerencji ze strony
człowieka, skanery stają się (zdjęcie nr 2) coraz mniejsze a dzięki możliwości samo
pozycjonowania się, pozwalają na budowanie
obiektu w czasie rzeczywistym, bez potrzeby
ręcznego łączenia poszczególnych ujęć.
Możliwości przechwycenia trójwymiarowego
obrazu przedmiotu, uzyskują jednak zupełnie
inny wymiar w świetle innej, nierozerwalnie
złączonej z omawianą technologii - rapid
prototyping,
co
można
nieformalnie
przetłumaczyć
jako,
„natychmiastowe
tworzenie”. Jeden z działów tej techniki
wykorzystuje urządzenia, zwane przez
niektórych „maszynami Świętego Mikołaja”,
są one bowiem zdolne do wytworzenia a właściwie wydrukowania w swoim wnętrzu,
dowolnego
obiektu
o
określonych
parametrach. Kiedy opowiadałem o jednej z
tych niesamowitych maszyn mojemu koledze,
zapytał się mnie: „Jak to? To znaczy, że jest to
takie wielkie pudło, które robi „bzyk, bzyk” i
wyjmuję z niego dowolną rzecz?”. Odpowiedź
Zdjęcie nr 2: Ręczny skaner 3D firomowany
właściwie brzmi: „Tak”.
przez Z-Corporation.
Dziś dostępnych jest na świecie kilka
technik drukowania 3D, różnice pomiędzy
poszczególnymi rozwiązaniami są dosyć
znaczne, co pozwala klientowi na dostosowanie indywidualnych potrzeb do różnorodnych
materiałów, ceny oraz sposobu tworzenia modelu. Jednak technologia stosowana przez firmę Zcorporation (zdjęcie nr 3), wydaje mi się najbliższa słowu „drukowanie”. Wyobraźmy sobie wałek
do ciasta rozprowadzający na stole cienką warstwę proszku gipsowego, następnie nad stołem
przesuwa się głowica atramentowa (de facto podobna do tej stosowanej w drukarkach
konwencjonalnych) nanosząca na wybrane miejsca lepiszcze. Następnie wałek do ciasta nanosi
kolejną warstwę proszku, która skleja się z poprzednia tylko w tych miejscach, gdzie było lepiszcze
i w ten właśnie sposób warstwa po warstwie, powstaje nasz model. Przedmioty wykonane w tej,
czy innej technice druku są na tyle dokładne, że mogą zawierać w swoim wnętrzu ruchome tryby.
Czyli można zaprojektować i stworzyć system zębatek, które po wydruku będą perfekcyjnie
działać. Można tworzyć modele poddawane reżimom wodnym, jak np: baterię do zlewu, można
stworzyć modele o właściwościach elastycznych i wiele innych. Firma Stratasys wykorzystująca
bardzo wytrzymałe materiały (ABS) stworzyła składane urządzenie, pozwalające helikopterom
Apache mieścić się na samolotach transportowych bez potrzeby składania łopatek rotora. W
Arizonie naukowcy pracują nad metodą zaadaptowania wydruku 3D na potrzeby chirurgii
urazowej. Do tej pory pokruszone i poważnie uszkodzone kości były rekonstruowane za pomocą
bio-podobnych materiałów i przeszczepów kości wziętych z innej części ciała, których pozycja jest
wzmacniana stalowymi rusztowaniami. Sam proces jest bardzo bolesny dla pacjenta a jego wyniki,
pozostawiają niejednokrotnie wiele do życzenia. Nowatorską ideą jest zeskanowanie brakujących
fragmentów kośćca a następnie stworzenie brakujących fragmentów, na specjalnie przystosowanej
do tego celu drukarce 3D, która wykorzystuje polimer całkowicie absorbowalny przez organizm.
Teraz jednak chciałbym przytoczyć Państwu przykład, który osobiście wywarł na mnie
największe wrażenie, chodzi o przypadek gwatemalskich bliźniaczek, które urodziły się w 2001
roku złączone głowami. Pomimo iż mózgi dziewczynek były wykształcone autonomiczne, to
jednak system krążenia mieszał się i krzyżował w dziesiątkach mniejszych i większych naczyń
krwionośnych. Prześledzenie ich przebiegu, przy pomocy tradycyjnych prześwietleń promieniami
Rentgena, było niemożliwe. Naukowcy użyli tomografii komputerowej, żeby uzyskać zdjęcia
wykonane pod różnym kontem, następnie połączono ujęcia w jeden trójwymiarowy obraz, który
został następnie wydrukowany na drukarce
Objet. Przygotowujący się do mającej trwać,
w standadoowych warunkach przeszło
dziewięćdziesiąt godzin operacji, lekarze
mogli prześledzić na stworzonym modelu
wszystkie połączenia naczyń krwionośnych
biegnących
pomiędzy
mózgami
dziewczynek. Operacja trwała dwadzieścia
dwie godziny i zakończyła się pełnym
sukcesem.
New Scientist w artykule wydanym
przeszło siedem lat temu, pod tytułem „3D
pie in the sky”, czyli „Mrzonki 3D” cytuje
jednego z autorów który określa technikę
drukowania 3D jako zbyt kosztowną, żeby
otrzymać wyroby codziennego użytku
i podważa możliwość, iż każdy z nas będzie
miał w przyszłości takie urządzeni w domu.
Dziś już jednak inżynierowie w University
of California in Berkley rozwijają technologię drukowania... Żarówek! Zalety jakie
stwarza masowe wykorzystanie rapid
protyping'u w przemyśle są nieocenione.
Wyobraźmy sobie fabrykę niedalekiej przyZdjęcie nr 3: Drukarka 3D marki
szłości, w której projektant siedzący w zaciZ-Corporation
szu domowego kominka wysyła internetem
gotowy plik z modelem nowego produktu,
powiedzmy pilota do telewizora. Model jest następnie wgrywany do pamięci maszyn i ze skutkiem
natychmiastowym fabryka produkująca do tej pory gwoździe, zaczyna produkować w pełni
funkcjonalne piloty. Jedyną częścią brakującą w tym wypadku będą baterie, niemożliwe do
wytworzenia ad hoc. Jednym z zagrożeń jakie niesie ze sobą ta technika, będzie jednak całkowita
niemożliwość naprawiania takich urządzeń, stworzonych przecież z litego kawałka polimeru. Czy
czeka nas zatem los społeczeństwa „jednorazowego użytku”?
Jeśli chodzi o możliwość posiadania przez każdego z nas drukarki 3D w domu; rapid
protoyping przeżywa w ostatnich latach prawdziwy rozkwit, wielkie firmy inwestują wielkie
pieniądze zazdrośnie strzegąc swoich tajemnic handlowych. Jest jednak na świecie trend i miejsce
jednocześnie, które zdaje się zmierzać dokładnie w przeciwnym kierunku; udostępnia wszystko i
wszystkim za darmo – ta przestrzeń to internet. To tutaj właśnie domorośli MacGyver'rzy depczą po
piętach najlepszym inżynierom z wielkich światowych koncernów i to tu dzieją się rzeczy które
mogą odmienić nasze codzienne życie. Bo co by się stało gdyby drukarka 3D mogła wydrukować
swoją własną kopię? Otóż może a właściwie będzie mogła w 2008 roku, jak twierdzi dr Adrian
Bowyer szef projektu RepRap. Drukarka ma kosztować około 500 dolarów i będzie można ją
zbudować z materiałów powszechnie dostępnych, ma być to urządzenie które „obali światowy
kapitalizm, zacznie drugą światową rewolucję i ocali środowisko naturalne”. Nie wiem jak
Państwo, ja co prawda nie jestem wielkim przeciwnikiem kapitalizmu, ale na rewolucję czekam z
zapartym tchem.
Piotr Ślipiński
Galeria fotografii przyrodniczej - Zapraszam!