3D Imprimir el misterio del cerebro

Producto: Impresión SLS
Industria: Académica

El archivo de datos 3D era enorme y complejo, y su gran tamaño lo convirtió en un desafío verlo y compartirlo, y mucho menos imprimirlo en 3D.
El cerebro humano, un órgano que, a pesar de la tecnología cada vez más avanzada para escanearlo y entenderlo, sigue siendo en gran medida un misterio para los investigadores y científicos. Pero esa tecnología está permitiendo a esos investigadores avanzar en la comprensión más rápidamente, y forma la base de la nueva exposición del Instituto Franklin, Your Brain, con sede en Filadelfia.

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Esta exposición vívida e interactiva presenta un modelo de escalada de red neuronal de dos pisos con luces y sonidos que son desencadenados por pasos. Numerosos dispositivos de exhibición prácticos permiten una mayor comprensión de cómo funcionan nuestras mentes, mientras que otra característica central es un intrincado e impresionante modelo impreso en 3D de los patrones de materia blanca en el cerebro.

El dr. Jayatri Das, biocientífico jefe del Instituto Franklin, ideó las exhibiciones como parte de la nueva expansión del edificio en el instituto.

“Nuestra filosofía detrás de nuestras exposiciones es hacer que la ciencia real sea accesible a través de exposiciones prácticas y atractivas”, dijo el Dr. Das. “Desde el punto de vista educativo, sabíamos que el concepto de vías funcionales debía ser un aspecto importante de la ciencia del cerebro que se abordaba en la exposición, y la difusión de imágenes tensores llega al corazón de la ciencia real a través de la cual los científicos tratan de entender el cableado de estas vías. Las imágenes en 2D que habíamos visto eran realmente hermosas, así que pensamos que una impresión 3D a gran escala sería perfecta como una escultura intrigante y llamativa que serviría como un enfoque de diseño único y una conexión con la investigación”.

El museo se acercó al investigador Dr. Henning U. Voss, Profesor Asociado de Física en Radiología en weill Cornell Medical College. El Dr. Voss ha llevado a cabo una década de investigación sobre el mapeo de neuronas cerebrales, utilizando resonancias magnéticas para crear tractogramas 3D de materia cerebral.

“El cerebro humano consiste en materia blanca y gris. La materia blanca del cerebro contiene fibras que conectan las áreas de materia gris del cerebro entre sí”, dijo. “Usando una resonancia magnética de un hombre de 40 años, calculamos tensores de difusión, y luego creamos los tractos de fibra de materia blanca a partir de ellos. Entregamos un modelo de superficie de los tractos de fibra a Las dimensiones directas para su procesamiento.”

El archivo de datos 3D era enorme y complejo, y su gran tamaño lo convirtió en un desafío verlo y compartirlo, y mucho menos imprimirlo en 3D.

El Dr. Das y el equipo habían planeado durante mucho tiempo imprimir en 3D el intrincado modelo 3D. Una vez que tenían los datos, se acercaron a numerosos proveedores de impresión 3D, sólo para ser rechazados.

“Todo el mundo nos dijo que era demasiado complejo manejar una impresora 3D”, dijo Donna Claiborne, Gerente de Proyectos de Exhibición en the Franklin Institute. “Nos sorprendió porque todo lo que sabíamos sobre la impresión 3D decía que era bueno con formas complejas”.

Y el modelo era muy complejo. Cada patrón de materia blanca fue descrito como un “hilo”, y tenía alrededor de 2.000 hebras en los datos. Pero la aparente belleza creada por las complejas hebras estaba causando que la modelo fuera rechazada.

El equipo del Instituto Franklin seguía buscando un experto en impresión 3D que aceptara el desafío. Finalmente aterrizaron en Direct Dimensions of Owing Mills, MD. El equipo allí, encabezado por el CEO Michael Raphael, ha estado avanzando en escaneo 3D, captura y digitalización durante 20 años y tiene un experto del personal en cada forma de 3D. Su director artístico, Harry Abramson, cogió un vistazo y sabía lo que se necesitaría para completar el proyecto.

“Contamos con una amplia trayectoria trabajando con formas extremadamente complejas para la impresión 3D y la fabricación de arte digital. Sabía que podíamos hacerlo, ¡la pregunta era si podíamos hacerlo con presupuesto!”, dijo Harry.

Harry se puso en contacto con su antiguo socio de impresión 3D, Jason Dickman, presidente de American Precision Printing (APP), una oficina de servicio de impresión 3D ubicada en Tulsa, OK. “Para un objeto tan complejo y frágil en diseño, SLS de 3D Systems fue la única opción. Llamé a Jason y repasamos las limitaciones de tamaño del sobre de construcción, el volumen del objeto y nuestro tiempo de entrega, y muy rápidamente tenía un precio y su garantía de que podían construir el cerebro siempre y cuando pudiéramos preparar los archivos. Lo que nos faltaba presupuesto, lo inventamos teniendo un largo plazo de ejecución, ¡así que el proyecto estaba en marcha!”

“Afortunadamente, el Dr. Voss proporcionó un conjunto de datos increíble para empezar. Con el fin de imprimir esto a gran escala, cada uno de los miles de modelos de hebra tendría que ser fusionado para crear un modelo de cerebro único que luego podría ser cortado en partes imprimibles que caben en el sobre de construcción. Todo el modelo necesitaría entonces modificaciones de ingeniería y diseño para garantizar que pudiera montarse con precisión y apoyarse en su montaje personalizado.”

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En última instancia, tomó semanas de trabajo agotador para preparar este archivo para app. “Este trabajo requirió un técnico altamente calificado con la disposición correcta. Sin los recursos humanos adecuados, este proyecto nunca habría sucedido”, dijo Harry. “Con unas 2.000 hebras para resolver, era una tarea de proporciones inmensas. Alucinante de hecho.”

La tecnología SLS de 3D Systems utiliza capas de polvo de plástico que se fusionan en una definición 3D mediante potentes láseres de CO2. Los materiales son lo suficientemente robustos para usos aeroespaciales y automotrices generalizados, por lo que sabían que sería perfecto para este proyecto.

El equipo de Direct Dimensions trabajó en la reducción de los datos 3D en piezas que podrían imprimirse dentro de las limitaciones de tamaño del sistema SLS. Una vez que los datos rediseñados fueron recibidos de Direct Dimensions, el equipo de APP se puso a trabajar creando piezas del modelo que serían imprimibles en la máquina sProHD 60 SLS en las instalaciones de Tulsa.

“El principal desafío de mi lado fue que el modelo mide 26 pulgadas de largo, mis máquinas SLS están limitadas a un tamaño de construcción de 18 pulgadas”, dijo Jason en APP. “Tendríamos que construir, mapear y ensamblar 10 piezas abstractas en una sola pieza”.

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El equipo de APP utilizó 20-22 horas para que cada compilación se completara. Una vez que salieron de la impresora, el equipo comenzó a mapear y ensamblar las piezas en el modelo terminado. A pesar de la extensa reingeniería de los datos 3D, todavía había una serie de hebras no separadas que tenían que ser ensambladas.

“Fue mucho trabajo para todos los equipos, pero todos sabíamos desde la primera parte que esto iba a ser impresionante”, dijo Jason. “Es un ejemplo perfecto del poder de la impresión 3D y nos alegramos de ser parte de algo tan poderoso”.”

La pieza, montada en una caja de Plexiglas con iluminación debajo del modelo impreso en 3D, forma una impresionante pieza central para una de las galerías de exposiciones.

“Realmente se ha convertido en una de las piezas icónicas de la exposición. Su pura belleza estética te quita el aliento y transforma el espacio expositivo”, dijo el Dr. Das. “El hecho de que provena de datos reales añade un nivel de autenticidad a la ciencia que estamos presentando. Pero incluso si no entiendes muy bien lo que muestra, captura una sensación de complejidad delicada que evoca una sensación de asombro sobre el cerebro”.

El Dr. Voss dijo: “El modelo impreso en 3D es impresionante y supera por completo incluso mis expectativas más optimistas. Este fue un proyecto fantástico con un increíble equipo de personas que lo hicieron unirse”.