如果有一天，你收到了一個(gè)鼓鼓囊囊的快遞包裹，打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)里面靜靜躺著一萬(wàn)只死掉的、黑壓壓的蚊子，你會(huì)報(bào)警還是直接扔垃圾桶？

我的一個(gè)朋友大概會(huì)無(wú)比興奮，因?yàn)樗釔?ài)收集蚊子尸體：每只他親手打死的蚊子，都會(huì)被當(dāng)作“戰(zhàn)利品”，用透明膠粘進(jìn)一個(gè)專門(mén)的小本本。

不過(guò)，如果這份“大禮包”的收件人是某些科學(xué)家，故事的走向?qū)⒔厝徊煌＜幽么篼溂獱柎髮W(xué)的曹長(zhǎng)宏和李劍宇收到這些蚊子后，取下了它們的口器，做成了3D打印噴嘴。這種噴嘴不僅便宜耐用，還能打印出極其精細(xì)的結(jié)構(gòu)。

論文11月19日發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊上。

腦洞從一只“躺平”的死蜘蛛開(kāi)始

一切還要從一項(xiàng)曾獲2023年搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的研究說(shuō)起。

幾年前，美國(guó)萊斯大學(xué)的研究生Te Faye Yap在實(shí)驗(yàn)室走廊里偶然發(fā)現(xiàn)了一只死蜘蛛。她注意到，這只蜘蛛的腿緊緊向內(nèi)蜷縮著。原來(lái)，蜘蛛腿的伸展運(yùn)動(dòng)依靠其體內(nèi)的液壓系統(tǒng)。一旦蜘蛛死亡，壓力消失，蜘蛛腿便會(huì)自然收攏。這個(gè)看似平常的現(xiàn)象，卻讓Yap產(chǎn)生了一個(gè)大膽的想法：能否將蜘蛛尸體改造成機(jī)械抓手？

Yap將蜘蛛尸體與外部的液壓系統(tǒng)連通，通過(guò)加減壓來(lái)驅(qū)動(dòng)死蜘蛛的腿開(kāi)合。她發(fā)現(xiàn)，這種抓手不僅能提起相當(dāng)于自身重量1.3倍、體積2.6倍的物體，并且能經(jīng)久耐用地開(kāi)合超過(guò)700次！研究團(tuán)隊(duì)給這種技術(shù)起了一個(gè)有些毛骨悚然的名字——“死體機(jī)器人學(xué)”（necrobotics）。

蜘蛛改造成的機(jī)械抓手丨Te Faye Yap and coauthors

這項(xiàng)研究引起了曹長(zhǎng)宏和李劍宇的興趣。多年來(lái)，曹長(zhǎng)宏專注于納米制造領(lǐng)域，而李劍宇則專注于生物材料的力學(xué)研究。于是他們開(kāi)始思考：既然死蜘蛛能做成抓手，那么自然界中是否還有生物器官能直接用于機(jī)械制造？

上圖最左側(cè)為李劍宇，他是組織修復(fù)與再生方向加拿大首席科學(xué)家；最右側(cè)是曹長(zhǎng)宏，他是小尺度材料及制造方向加拿大首席科學(xué)家；中間是Justin Puma，是他倆的碩士研究生｜受訪者供圖

很快，他們將目光鎖定在了生物體那些細(xì)小而堅(jiān)韌的管狀結(jié)構(gòu)上，例如植物用于輸水的木質(zhì)部導(dǎo)管，蝎子與毒蛇的毒刺和毒牙，以及蚊子等昆蟲(chóng)的取食口器。這些經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年演化的精密結(jié)構(gòu)，或許正是高精度3D打印噴嘴的天然雛形。

在眾多天然的微型管狀結(jié)構(gòu)中，蚊子口器最終脫穎而出。首先，它結(jié)構(gòu)筆直，管道不會(huì)在3D打印墨水流經(jīng)時(shí)發(fā)生形變。其次，蚊子口器的內(nèi)徑只有大約20微米。要知道，市面上能找到的最細(xì)的塑料噴嘴，內(nèi)徑也高達(dá)150微米；而金屬噴嘴雖然能到35微米，可一個(gè)的售價(jià)就高達(dá)80美元。相比之下，蚊子口器不僅更精細(xì)，成本也幾乎可以忽略不計(jì)。

一萬(wàn)只死蚊子的故事

鎖定了研究目標(biāo)，曹長(zhǎng)宏和李劍宇卻很快遭遇了第一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題——研究用的蚊子從哪兒來(lái)？

說(shuō)起找蚊子的經(jīng)歷時(shí)，李劍宇不禁嘆了口氣。起初，他們聯(lián)系了蒙特利爾當(dāng)?shù)氐睦ハx(chóng)館和博物館，想看看能否獲得一些蚊子樣品。后來(lái)，他們又開(kāi)始嘗試聯(lián)系從事蚊蟲(chóng)研究的科學(xué)家。

正當(dāng)他們?yōu)榇税l(fā)愁時(shí)，美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)研究蚊子行為的助理教授出手相助，解決了他們的燃眉之急。曹長(zhǎng)宏回憶道，他曾試探性地詢問(wèn)買(mǎi)幾百只蚊子大概需要多少錢(qián)。可對(duì)方的答復(fù)令他大吃一驚：蚊子倒是不要錢(qián)，但最少也得寄一萬(wàn)只。

埃及伊蚊（Aedes Aegypti）丨wikipedia.org

原來(lái)，對(duì)于研究蚊子的科學(xué)家而言，這些實(shí)驗(yàn)后產(chǎn)生的蚊子尸體是必須處理的生物危害廢棄物，更像是一種負(fù)擔(dān)，有人愿意“收垃圾”簡(jiǎn)直雪中送炭。就這樣，一大批雌性埃及伊蚊（Aedes Aegypti）尸體，凍存進(jìn)了李劍宇實(shí)驗(yàn)室的冰箱里。

曹長(zhǎng)宏笑著說(shuō)道：“一旦找到合適的合作者，蚊子的來(lái)源就再也不是問(wèn)題了?！?/p>

蚊子嘴巴真皮實(shí)

解決來(lái)源問(wèn)題后，曹長(zhǎng)宏和李劍宇的碩士研究生Justin Puma親自動(dòng)手、從零組裝了一臺(tái)“蚊子嘴 3D 打印機(jī)”：零件自己買(mǎi)、結(jié)構(gòu)自己搭、程序自己寫(xiě)。

接下來(lái)，他們便開(kāi)始測(cè)試蚊子口器的力學(xué)性能。李劍宇感嘆道：“我原以為蚊子這么重要的物種，應(yīng)該有很多關(guān)于它口器的生物力學(xué)研究，結(jié)果沒(méi)想到竟寥寥無(wú)幾。”

他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，蚊子口器能承受高達(dá)60kPa的內(nèi)部壓力，足以應(yīng)對(duì)3D打印過(guò)程中擠出墨水的需求。不過(guò)，如果繼續(xù)加壓，蚊子口器就會(huì)沿著它最薄弱的區(qū)域裂開(kāi)。李劍宇解釋道：“蚊子口器有點(diǎn)像用一張紙卷成的紙筒，中間有一道接縫，那里是它的薄弱區(qū)域，但好在我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)打印參數(shù)來(lái)避免它開(kāi)裂?！?/p>

3D打印墨水屬于剪切變稀流體，即流速越快、黏度越低。因此，只要控制液體的流速和噴嘴的位移速度，使墨水不會(huì)滯留在噴口處，就能杜絕噴嘴內(nèi)出現(xiàn)過(guò)高的壓力。

曹長(zhǎng)宏打了一個(gè)形象的比方：“這就像高速公路上匯入的車(chē)流。如果一輛車(chē)還沒(méi)來(lái)得及開(kāi)走，又來(lái)了另一輛車(chē)，道路就會(huì)堵住。但只要選擇合適的墨水，控制好參數(shù)，讓每一輛車(chē)都及時(shí)開(kāi)走，就不會(huì)有堵車(chē)的問(wèn)題?！比绻Ｍ米涌谄髂艹惺芨叩膲毫?，未來(lái)也可以在其外部鍍上一層金屬或其他材料，從而增加噴嘴整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（C）雌性蚊子的口器被安裝在定制的3D DIW打印機(jī)上；（D）口器針頭擠出Cellink Start凝膠（一種3D打印生物墨水）丨參考資料1

除了承壓能力，他們還系統(tǒng)測(cè)試了蚊子口器的使用壽命。結(jié)果顯示，只要打印參數(shù)控制得當(dāng)，一個(gè)蚊子口器噴嘴可以連續(xù)工作至少14天！而且，即便將蚊子口器冷凍整整一年，它作為3D打印噴嘴的性能也絲毫不受影響。

李劍宇解釋道：“蚊子口器的主要成分是幾丁質(zhì)。與那些富含水分的細(xì)胞組織不同，幾丁質(zhì)的含水量很低，因此在冷凍時(shí)，它不會(huì)因?yàn)楸У男纬啥茐慕Y(jié)構(gòu)，所以可以耐受長(zhǎng)時(shí)間的冷凍存儲(chǔ)?！?/p>

曹長(zhǎng)宏同樣稱贊了蚊子口器的“皮實(shí)”程度，他對(duì)比了蚊子口器和玻璃制成的噴嘴：“的確，玻璃可以制造出內(nèi)徑只有一微米甚至幾百納米的打印噴嘴，但它實(shí)在太脆弱了。如果我把它放在面前，對(duì)著它說(shuō)話，它直接就會(huì)被震碎。但蚊子口器就不同了，對(duì)它大喊都沒(méi)有問(wèn)題！”

便宜又環(huán)保，未來(lái)的用處可不止3D打印

除了精度高且經(jīng)久耐用之外，使用蚊子口器作為3D打印噴嘴還有一個(gè)顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)——便宜。

按照研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)算，一名經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的技術(shù)人員大約10分鐘就能用蚊子口器組裝出一個(gè)噴嘴。而把一名零基礎(chǔ)的新手培訓(xùn)成熟練工，也只需要一個(gè)月左右。照此推算，如果雇傭200名熟練工人，時(shí)薪3.1美元，每天工作8小時(shí)，那么一天就能生產(chǎn)出9600個(gè)噴嘴，單只噴嘴的生產(chǎn)成本僅0.52美元。相比于塑料、金屬甚至玻璃噴嘴，這實(shí)在是太便宜了。

而在性能方面，李劍宇指出，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10微米量級(jí)的打印精度。這一精度在生物打印領(lǐng)域意義重大，因?yàn)樗c人體毛細(xì)血管的直徑相當(dāng)。如果科學(xué)家需要3D打印仿毛細(xì)血管的微型結(jié)構(gòu)，那么打印噴嘴必須達(dá)到這種精度，而蚊子口器已經(jīng)擁有了這種能力。

當(dāng)然，受限于口器所能承受的壓力上限，用它進(jìn)行3D打印的速度并不算太快。但曹長(zhǎng)宏認(rèn)為，對(duì)于微納制造而言，最關(guān)鍵的始終是打印精度。而且，想要提速也非常簡(jiǎn)單：只需增加噴嘴數(shù)量同時(shí)打印即可，畢竟這種噴嘴非常便宜，多部署一些也完全不成問(wèn)題。

(B) 使用蚊子口器打印的3D蜂窩結(jié)構(gòu)； (C) 使用蚊子口器打印的3D楓葉結(jié)構(gòu)； (D) 使用蚊子口器打印的3D網(wǎng)格支架丨參考資料1

事實(shí)上，蚊子口器的巨大潛力并非僅限于3D打印領(lǐng)域。它們未來(lái)也可能作為生物醫(yī)藥中的一次性耗材，替代目前廣泛使用的金屬針頭等材料。由于蚊子口器成本極低，而且可完全降解，因此不會(huì)帶來(lái)環(huán)境負(fù)擔(dān)，也不存在針頭重復(fù)使用所引發(fā)的安全隱患。

在命名這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，曹長(zhǎng)宏借用了“死體機(jī)器人學(xué)”的名稱，將其稱為“necroprinting”。不過(guò)，他并不喜歡“死亡打印”“死靈打印”等略顯詭異的譯法。對(duì)李劍宇而言，這項(xiàng)研究真正的核心也不是蚊子尸體，而是如何把生物結(jié)構(gòu)以一種工程化的方式重新利用。

因此，不妨還是稱這項(xiàng)技術(shù)為“生源打印”吧。畢竟，無(wú)論是蜘蛛腿還是蚊子口器，它們都不僅僅是尸體上的零部件，更是億萬(wàn)年生命演化的產(chǎn)物。人類工程正在重新審視這些自然界中被忽略的微小結(jié)構(gòu)，而未來(lái)的工程制造，或許也將由科學(xué)家與大自然共同創(chuàng)造。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw9953

[2]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201174

作者：黃雨佳

編輯：黎小球、odette

封面圖：gigazine.net