В новом исследовании, опубликованном сегодня, 9 декабря, в журнале EPL, исследователи успешно продемонстрировали, как сложную теоретическую физику можно преобразовать в физический объект с помощью 3D-принтера.Всего за восемь часов и стоимостью около 15 евро они смогли использовать имеющийся в продаже 3D-принтер для создания собственного объекта объемом 8 см3 на основе математической модели, описывающей, как могут возникать лесные пожары и как они в конечном итоге распространяются с течением времени. .Исследователи назвали этот подход «Скульптура», что означает скульптуры сложной формы, и полагают, что его также можно использовать для создания произведений искусства, основанных на науке, или для изменения способа представления и обсуждения идей и концепций в научном сообществе. .Соавтор исследования доктор Тим Эванс, физик-теоретик из Imperial, сказал: «Работа была вдохновлена посещением музея Виктории и Альберта в Лондоне, где я наткнулся на первый в истории объект, напечатанный на 3D-принтере, который приобрел музей.«Объектом был стол, вдохновленный древовидными структурами, встречающимися в природе, который является примером процесса ветвления, который обычно встречается в сложных системах в теоретической физике.
Это заставило меня задуматься, какие еще процессы, знакомые физике, могут быть превратился в объект, напечатанный на 3D-принтере? "Сложные системы состоят из многих частей, которые взаимодействуют во многих масштабах времени и длины и демонстрируют согласованное поведение и определенные закономерности в большом масштабе. Живой организм — лучший пример сложной системы, в которой отдельные части — в данном случае молекулярные процессы в клетке — взаимодействуют друг с другом и вносят свой вклад в гораздо более крупные процессы в макроскопическом масштабе.
Взаимодействия, происходящие во многих сложных системах, могут быть отображены на двумерной сетке, которая разделена на идентичные квадраты или «ячейки». Каждая из ячеек может существовать в определенном состоянии и со временем развиваться, что регулируется определенным набором правил.В своем исследовании исследователи использовали в качестве примера лесной пожар, в котором каждая клетка представляла дерево, которое могло быть живым, мертвым или горящим.
Точное состояние, которое каждая ячейка занимала с течением времени, зависело от набора правил, которые учитывали близость ячейки к другим ячейкам, которые могли гореть, или если в нее ударила молния.«Основная идея проста, — продолжает д-р Эванс. «3D-принтер создает свой объект слоями. Таким образом, высоту объекта можно рассматривать как время.
Предположим, у вас есть математическая модель, которая определяет плоское двухмерное изображение, которое развивается во времени — обычно это будет сетка с некоторыми заполненными квадратами и пустыми.«Математическая модель будет определять в каждый момент времени, что принтер должен печатать на одной высоте. На следующем этапе модели будет определено, что печатать поверх первого слоя и так далее. Результатом является трехмерный объект, который показывает, как математическая модель развивалась с течением времени ».
Модель, созданная исследователями, не обошлась без сбоев; однако доктор Эванс считает, что этот опыт позволил им выявить препятствия, сформулировать решения и вдохновить физическое сообщество на «творческий подход».«В нашей собственной группе в Imperial мы пытаемся объяснить аномалии сердцебиения, рассматривая простые модели поведения отдельных клеток сердечной мышцы — возможно, это можно было бы визуализировать с помощью 3D-печати. Большинство моделей, отражающих распространение болезни, могут также быть визуализированным.
«Может быть много других примеров, и мы просто надеемся, что наш довольно дословный перевод с теоретической модели на вывод на 3D-принтере побудит других проявить творческий подход», — заключил доктор Эванс.