华文讲坛:智慧装备和生物3D打印

2015年11月16日 by Zhixin Zeng
本学年访问学者部品牌讲座“华文讲坛”第一讲于11月5日在牛津大学最著名、最古老的学院之一的Balliol College 的Lecture Room 23拉开序幕。Balliol College的校友遍及诸多领域,其中包括多位著名文学家、思想家、诺贝尔奖得主、多国的政界要人,被世人尊称为“现代经济学之父”的亚当·斯密就来自Balliol College。本期讲座嘉宾是来自浙江大学的访问学者张斌博士。

本期讲座张斌老师主要从两个领域为我们介绍现代前沿科技的发展,包括智能工程机械和皮肤生物3D打印技术。

在当前,智能这个理念得到了空前关注,越来越多的领域把设备智能化当做未来发展的规划。比较典型的代表就是张老师介绍的智能工程机械,取代人工进行实地勘探和施工。张老师把智能工程机械的组成分为三个部分:云端数据中心、远程操控端与移动用户端、和智能工程机械端。而这三个部分由移动互联网和卫星提供的导航与测量辅助来承载中间的通讯。其中,张老师把云端数据中心合理地分为三个环节:单机职能控制(包括环境建模分析、任务和轨迹规划)、集群智能化(含多机编队作业、任务的调度监控及统计)、大数据服务(提供系统通讯、运行健康的诊断与管理)。而在操控端,较少的人工就能完成对整个系统的任务监控与指派。通过整合来自云端的数据和操控端的指令,工程机械端可以智能地完成对环境的感知、自身工况的传感、自动作业的控制,具体的作业包括例如自主装载、自主导航和自主挖掘。

张老师进一步细化了工程机械端的智能化实现方案,即赋予机械四个主要功能:感知(环境视觉采集、运动和负载传感、系统工况传感等)、分析(数据处理、环境建模、故障诊断等)、决策(任务规划、轨迹规划、最优评估等)、控制(执行器自动控制、目标运动参数跟踪、远程监视与遥控)。

智能工程机械的研究仍然在继续,对现状的实时评估与发展方向的分析也非常重要。张老师从网络化、感知、分析、决策、控制五个方面阐述了目前的情况与前景。

智能工程机械的发展已经形成趋势,张老师告诉观众,通过使用智能化的工程机械,作业的精度与效率得到了极大的提升,同时节约了能源的消耗,完善的智能控制实现了减少对人工的依赖,而大数据的使用和集群控制的实现使得整个工程运作得更加条理与健康。

而作为从机械向生物领域延伸的皮肤生物3D打印技术也是本期讲座中的另一个重点。皮肤打印是以皮肤细胞(如成纤维细胞Fb、角质细胞KC等) 、生物活性因子、生物材料(如天然基质材料、人工合成材料和复合材料)为基本成形单元,按照皮肤结构功能、仿生形态学及细胞特定微环境等要求,利用皮肤打印机的逐层堆积制造能力,构建出具有生物活性的人工皮肤结构,并经过组织培养最终形成人工皮肤。张老师将整个皮肤打印和应用分为四个阶段:皮肤细胞的培养,细胞的打印,细胞的再培养与组织的形成,以及后期皮肤的移植、模型的检测和其他基础研究。

张老师为观众介绍了,皮肤打印技术的核心,也就是生物3D打印机的两个主要组成部分,即机电系统和喷头的设计。其中机电系统包含了运动控制(X,Y,Z 三轴控制)、气动供料、喷头温控、工作台温控等多个系统。而决定打印能否成功和打印质量的喷头设计尤为关键。张老师向我们展示了设计的适用于多材料打印的气动推进式压力喷头。独特的结构设计实现了分级输入压力、料筒组件和生物材料的双驱动、简化的传动系统和很好的灵活性与扩展性。张老师介绍了通过使用MATLAB 和 CFD进行的生物打印过程预测模型建立和仿真分析,让观众有了更加直接的了解。

张老师的皮肤打印项目提出一种“支架打印+细胞打印+气体养分植入”的一体化皮肤组织培养方式,其原理采用支架/细胞(或支架细胞混合)打印方式来构建皮肤组织结构,支架打印过程中采用静电纺丝修饰来提高支架的微观结构,便于细胞的依附生长。并在组织构建过程中植入养分和气体,控制其释放速度和时间来维持良好的组织形成环境,提高细胞的活性,促进细胞分化增殖和皮肤组织形成。

皮肤打印技术拥有广阔的应用前景,例如在对皮肤伤口扫描诊断之后,利用3D生物打印机可以直接在创面上打印细胞层,病人只需要几天的时间来休息和疗养,让生物打印的材料与成熟的活体组织充分融合,从而帮助伤口快速愈合,使病人避免因手术带来的痛苦。这项技术也被称作原位生物打印(situ bioprinting)。这就意味着原位生物打印能够在受伤现场(如战场、火灾现场、救护车等)进行皮肤辅助治疗,在最短时间内及时完成治疗工作,挽救生命。

主持人简介
张斌
博士, 副研究员
Ph.D., Associate Researcher
浙江大学 机械工程学系
浙江大学 机械电子控制工程研究所
浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室
研究方向:皮肤生物3D打印,流体传动与控制,智能工程机械。
主要科研经历与学术成果:承担7项国家级课题和6项企业课题,总经费超2000万;发表论文35篇;申请发明专利25项,授权15项。

组织策划:曾至昕
主持:石怡霖
宣传稿:曾至昕
新闻稿:曾至昕
摄影:高远
场地:曾至昕
场务:萧宏律、张昊之