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3D打印技术在拯救珊瑚礁上的应用

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2019-09-07 09:14

  珊瑚礁是最独特和最美丽的海洋生态系统之一,约占所有水下生物的25%,有很大一部分色彩斑澜的鱼类生活在珊瑚礁上。然而,受气候变化、环境污染以及炸药捕捞甚至不文明的旅游行为等因素影响,全世界的珊瑚礁正在经历大规模的漂白事件和死亡。假如世界平均气温上升15°C,将会摧毁世界上几乎所有剩余的珊瑚礁系统。这种生物体的破坏,将使鱼类失去产卵的“家园”,从而导致世界鱼类供应的大量减少,这将对人类造成毁灭性后果。

  当水温甚至略微上升时,生活在珊瑚细胞内的共生藻类便开始产生有毒物质并被珊瑚排出。藻类通常为珊瑚提供食物和能量,以及它们鲜艳的颜色。没有它们,珊瑚似乎是“漂白”的白色,然后被饿死。联合国环境规划署表示,在2014年至2016年期间,有记录以来最长的全球漂白事件以前所未有的规模杀死了珊瑚;2016年和2017年的热浪消灭了30%至50%的大堡礁;2017年,漂白延伸到珊瑚礁的中心区域。从1980年至2016年期间,漂白事件之间的平均间隔缩短了一半。

  3D打印珊瑚礁为鱼类重建家园

  保护珊瑚礁刻不容缓!所幸3D打印已经发展成为取代世界上失去的珊瑚礁的一种手段。眼下已经有很多项目正在将这种方法付诸实践,并已从中获得了积极成果,其中包括SECORE International和Boston Ceramics公司的努力。这些项目主要侧重于使用3D打印模型重建人造珊瑚礁系统,减轻珊瑚礁的退化。

  近日,一个来自以色列的科学家团队也加入了用3D打印技术拯救珊瑚礁的活动中来。该团队共同开发了一款以聚乳酸为材料的3D打印机(聚乳酸是一种可生物降解的生物活性生物塑料,由玉米、木薯或甘蔗制成,对海洋环境具有可靠的安全性。),并通过此打印机打印模仿自然形状的3D打印珊瑚礁的柱状结构,然后安装到水中,以吸引不同种类的鱼类将使用这些类似于珊瑚礁的柱状结构作为它们的托儿所,希望以此带回曾经居住在以色列埃拉特珊瑚礁的濒临灭绝的鱼群。从理论上讲,这些努力有望将重要的鱼类带回这片海域,从而重建沿埃拉特海岸的贫瘠珊瑚礁。

  该科学家团队尝试了许多不同的形状,颜色和材料来开发该产品的最终设计。在埃拉特海岸早期测试的指标表明,这些物种的偏好各不相同,取决于材料和颜色的对比组合。这种3D打印珊瑚礁技术将帮助科学家进一步深入了解人造结构是否真正有助于培育自然生态系统。他们还寻求发现使用3D扫描和操作等先进设计工具创建人工珊瑚的优势。

  3D打印真的能拯救珊瑚礁吗?

  作为一种相对较新的海洋恢复方法,围绕3D打印珊瑚礁及其对海底动植物的潜在影响的研究是有限的。那么,3D打印真的能拯救珊瑚礁、拯救鱼类吗?

  在另外一项研究中,特拉华大学的附属机构海洋科学与政策学院的Emily J. Ruhl和Danielle L. Dixson研究了3D打印珊瑚的引入对天然珊瑚幼虫的沉降以及对雀鲷鱼的影响。

研究中使用的苹果绿-浅蓝色虹彩雀鲷

  Ruhl和Dixson的实验使用了P. damicornis和A. formosa(印度洋和太平洋的原生珊瑚物种)的3D打印复制品,通过摄影测量创建珊瑚的数字3D模型,这些模型分别使用4种材料来打印,以匹配其天然对应物的尺寸。

  在测试之前,将每个3D打印的珊瑚模型放到海水中调节一周。在测试时,将3D打印的样品与天然珊瑚一起布置在罐中。

P.damicornis和A. formosa珊瑚的3D打印复制品。

  在第一组研究中,先将雀鲷单独放入透明网状圆筒内的罐中,使其适应15分钟。习惯后,释放雀鲷,再观察15分钟。在这段时间里,研究人员寻找鱼与特定珊瑚的关联——当鱼静止或慢速游动时,它与珊瑚的距离为5厘米。如果鱼游走并返回到受欢迎的珊瑚片,也会被记录在案。在进一步观察中,该团队检查了雀鲷的防御行为和寻求庇护的能力,确保它们在这些条件下不会出现异常行为。

  在第二组测试中,将P. astreoides幼虫(一种坚硬的珊瑚物种)移到不同的水族箱中,对它在14天里的沉降过程进行研究,也即幼虫对3D打印珊瑚模型的附着情况。

  两次观察的结果都表明,这两个物种都没有区分3D打印珊瑚和原生珊瑚。此外,当与人工环境接触时,雀鲷没有显示出异常的行为。

图表显示了雀鲷对3D打印珊瑚的偏好。

  尤其是当提供3D打印的沉降表面时,P.damicornis珊瑚幼虫显示出比没有沉降表面时明显更高的沉降。幼虫的生长和死亡率与对照样本没有显著差异。”

  虽然对于天然珊瑚的再生仍有很多需要了解,但这些成果对于3D打印珊瑚的整合非常积极。总之,Rahul和Dixon表示,“我们的研究结果表明,本研究中使用的3D打印模型本质上不会对珊瑚礁鱼类或繁殖珊瑚物种产生有害影响,可以进一步探索这些物体和其他增材制造的物体所产生的益处以开发生态研究工具。”