设计，模具，成长！：使用真菌材料生长3D设计的制造流程

文献标题

Design, Mould, Grow!: A Fabrication Pipeline for Growing 3D Designs Using Myco-Materials

文献信息

• 主题领域: 人机交互（HCI）和可持续设计
• 关键词: 生物设计、生物制造、设计工具、3D打印、可持续HCI、生物HCI、真菌材料、创新交互系统、多材料可持续设计

研究背景与问题

• 问题与挑战:

  • 当前对3D打印中使用的真菌材料（myco-materials）的系统性探索还处于起步阶段。
  • 很多现有研究缺乏对真菌生长特性的深入理解，缺乏可用于无菌实验环境的可复现设计和制造工作流程。
  • 现有的设计工具和方法学不能轻松地将一个3D设计转换成适合真菌材料生长的模具。
  • 需要开发更简易可用的真菌材料制造流程，解决普通HCI实验室对操作无菌化条件的复杂需求。

• 重要性:

  • 可持续性已经成为HCI研究的重要选题方向。真菌材料作为一种生物材料，具有降解速度快、可重复利用以及使用有机废弃物为原料的潜力。
  • 实现使用有机废物和真菌材料制作3D物体，对减少环境污染、促进循环经济及开发生物交互系统具有深远意义。

• 研究动机与相关工作:

  • 真菌材料能通过自然过程将木质废物等有机物结合在一起，形成坚硬的结构，而其应用较传统塑料更环保。
  • HCI领域现存的真菌材料研究多集中于小型简单形状或低保真原型，没有将其应用于复杂的三维制造和交互系统。
  • 本研究希望系统探索真菌材料3D成型的可能性，开发一个从设计到制造有机3D对象的可复现流程，并检验其在HCI中的实际应用潜力。

解决方案

• 提出的方法或解决方案:

  1. 开发了一个参数化设计工具，作为Rhino 3D的Grasshopper插件，可以将3D设计轻松转化为真菌材料成型的模具。
  2. 展示了一个在HCI实验室中可轻松复现的制造流程，使用预培养增殖的真菌基质，避免高成本的生物实验室设施需求。
  3. 应用多个案例研究，对真菌材料的几何保真度、机械性能和交互设计适应性进行了综合评估。

• 创新点:

  • 设计以真菌材料为核心的完整制造管线，涵盖设计、自我修复的生长物体到最终成品生产。
  • 提供了软件支持，简化了复杂模具设计的过程，并通过参数化模型补偿真菌材料干燥过程中的体积收缩。
  • 验证了如何能在真菌材料内嵌入电子元件，开发交互式设备，同时探索了有机废物的重制造途径。

• 实施步骤与关键技术:

  • 真菌培养研究:
    • 选择适合HCI应用的Ganoderma steyaertanum真菌，将其基质混入有机材料（如锯末、咖啡渣）。
    • 采用商业化的菌种培养包，优化非科研环境的真菌培养过程。
  • 模具设计:
    • 使用参数化建模工具调整模具角度、创建通气孔以支持真菌生长。
    • 考虑到真菌材料的干燥缩减特性，软件自动补偿尺寸。
  • 生长过程与后期处理:
    • 设计了自带湿度和暗环境的DIY培养箱，省去了实验室级的高成本设备。
    • 分阶段培养，包括散装生长、模具成型和开放式增长。
    • 真菌材料干燥后即完成应用。

研究成果

• 具体成果:

  • 制造成果: 开发了一套成功的制造技术，包括如何利用广泛使用的工具和材料（如3D打印、商业菌种包）在普通实验室中制作功能性真菌材料对象。
  • 软件工具: 提供了一个CAD工具插件，设计师能够快速地将任意3D设计转换为负模具。
  • 实验结果:
    • 实验显示咖啡渣作为掺合料提高了材料的形状还原度与几何保真度（94%以上）。
    • 设计对象的机械特性可以通过调整包含物（如增加甘油）优化。
    • 提出了组装多个子模以解决复杂形状生长的可行性。

• 优势:

  • 成本效益：已证实使用真菌材料虽然价格略高于3D打印，但增加的可持续特性（如生物降解性）弥补了这一点。
  • 易用性：为小型或非专业实验室开发了更灵活、简单的制造方法。
  • 扩展性：展示了可用于智能花盆、热敏杯托、智能压力垫等的复杂交互设计能力。

• 实验或评估结果:

  • 成功实现了如Stanford Bunny等复杂、生动的3D模型。
  • 材料缩水评估揭示，设计必须按比例放大至原模型1.09倍以达成目标几何尺寸。
  • 机械测试表明，掺和咖啡废料的材料展现了更好的弹性。

• 局限性与未来方向:

  • 时间与控制：真菌生长时长（约2-3周）限制了设备高效性；需克服对湿度、光等条件的依赖。
  • 增材制造潜能：授权的适用性仍有限，未来需要探索直接3D打印配置适用真菌材料的可能性。
  • 工艺提升：需进一步优化软件以自动化嵌入电子元件设计过程。
  • 环保机会：探索真菌与已有生物材料（如PLA）的协作分解潜力。

本研究强调了HCI和可持续设计交叉领域的创新潜力，通过真菌材料的全流程制作展现了实践中的生物设计可行性，也为未来进一步探索可循环制造和交互技术的结合提供了宝贵的研究起点。