Бъдещето на висшето образование: прекрояване на университетите чрез 3D принтиране

Включващ четири извисяващи се варовикови колони и класическа фламандска тухлена зидария, вековният Mackay Сградата на Mines School в Университета на Невада, Рино, отдавна служи като бастион на Silver State история. Наименуван на ирландския имигрант и "Краля на Comstock Lode" Джон Макей, забележителни щрихи като лята бронзова статуя, проектирана от Скулпторът от планината Ръшмор Гуцон Борглум точно пред сградата й помогна да спечели място в Националния регистър на историческите Места. Вътре в дъбовите му врати обаче се крият създанията на един интригуващ експеримент, който определено е по-ново училище. Подобно на мини музей, колекция от 3D-отпечатани модели е изложена в осветения от слънце триетажен атриум на сградата – привличайки смесица от ученици и учители. Още по-популярни от дисплеите на пластмасови зъбни колела и модели на молекули обаче са двете 3D принтери това ги направи: професионален клас Stratasys uPrint SE Plus и хоби 3DTouch машина от 3D Systems Corporation.

По-рано тази година библиотеката за наука и инженерство DeLaMare в сградата стана една от първите академични библиотеки в Съединените щати да предоставят 3D сканиране и печат на всички студенти и преподаватели, както и на публичен. Преместването е част от план на директора Тод Колгроув за трансформиране на съоръжението от типична библиотека, която насърчава знанията чрез книги до такива, които също така насърчават творческата мисъл и дискусията чрез практическа работа технология. С 3D принтерите, които скачат от царството на маниакалната фантазия към нещо по-достъпно, помисли Коулгроув устройствата биха послужили като идеалното средство за насърчаване на образованието и насърчаване на еволюцията на DeLaMare.

„Ако погледнете назад библиотеките отпреди 2000 години – включително Александрийската библиотека – ще видите, че те участваха в закупуването на технологии, които много хора не могат да си позволят, и правенето им по-достъпни“, Колгроув казах. „По пътя всичко се превърна в това да имаш най-голямата и най-добра колекция от книги, така че накрая да имаш идентични библиотеки. Загубихме пътя си."

Хартия или пластмаса?

За Колгроув, част от библиотеките, които губят пътя си, включва тихата, дезинфекцирана атмосфера, която прониква в много подобни съоръжения днес. В старите времена библиотеките бяха до голяма степен за разговори - основна част от обучението и човешката природа, каза той.

Една секция от стените на библиотеката DeLaMare, например, е покрита с боя за бяла дъска, което улеснява учениците да пишат идеите си или да чертаят изчисления в групи.

„Най-голямата грешка, която направихме, е, когато оставихме книгите да изместят потребителите и библиотеките се превърнаха в тихо място, където няма разговори и няма храна и напитки“, каза Колгроув. „Трябва да се приспособим от провеждането на разговори в главите на потребителите към среда за сътрудничество.“

„Най-голямата грешка, която направихме, е, когато оставихме книгите да изместят потребителите и библиотеките се превърнаха в тихо място.“

За да изведе DeLaMare на следващото ниво, Colegrove почувства, че има нужда от котва, която да привлече разнообразния набор от хора, необходими, за да направи възможно творческото сътрудничество. Тогава започва да мисли за 3D принтери. Въпреки че устройствата съществуват от 80-те години, 3D принтерите все още са сравнително нова концепция за повечето хора и съвсем наскоро станаха по-достъпни за обикновените потребители. Новото в използването на слой след слой разтопена пластмаса за „отпечатване“ на действителни триизмерни обекти също даде на 3D принтерите „готин фактор“. Добавете способността да превърнете идеите на хората в нещо, което е физически осезаемо и имате технология, която може да служи и за образователни цели, помисли Колгроув.

Колкото и страхотно да звучат 3D принтерите обаче, библиотеката все още е изправена пред едно предизвикателство: цената. Въпреки че беше възможно да се получи принтер като този MakerBot Replicator за около $2000, Colegrove иска машина от по-висок клас, която може да печата по-бързо с висока разделителна способност, като същевременно може надеждно да се справи с голямото търсене. Той реши да избере две устройства – професионален принтер Stratasys uPrint SE Plus за 20 000 долара и машина за хоби 3DTouch за 4 000 долара. Добавете цената на 3D скенер и пластмасов материал за около една година и библиотеката очакваше разход между $30 000 и $40 000.

С университетската система, изправена пред рязко съкращаване на бюджета, след като Голямата рецесия разруши държавния бюджет, Коулгроув се опасяваше да представи плана си на началниците си. След дълго мислене той реши да рискува.

„Когато за първи път си помислих да получа финансиране от училището за 3D принтерите, се тревожех за цената“, каза Колгроув. „Но един от хората, с които говорих, каза: „О, това не е нищо, това е само цената на един микроскоп.“ След това си казах: „Добре, не се чувствам толкова зле.“

Въпрос на гледна точка

Благодарение на комбинацията от университетски подаръчни фондове и грантове, библиотеката скоро се сдоби с двата си 3D принтера. 3DTouch пристигна първи на 27 април и отпечатваше първата си работа - ротор за прототип на помпа с работно колело, проектирана от група студенти по инженерство - само минути по-късно. Завършването на ротора ще отнеме три дни.

„Учениците просто отвориха кутията и веднага започнаха да печатат“, каза Лиза Кърт, библиотекар по инженерство и нововъзникващи технологии на DeLaMare. „Те просто изглеждаха толкова развълнувани и можете да почувствате тази огромна енергия.“

„Наистина е зашеметяващо да видиш колко точно архивирани са машините.“

Stratasys uPrint SE Plus на библиотеката пристигна два месеца по-късно на 27 юни. Stratasys, който печата четири пъти по-бързо от 3DTouch и е описан на шега от Colegrove като техния „Mercedes-Benz“, работи постоянно от началото на работа на 3 юли. Учениците са отпечатали набор от устройства, които изпълняват гамата от бюст на майстор Йода и RepRap Части от 3D принтер до сложни модели на молекули и двигателен блок. Няколко от творенията, създадени от устройствата, сега са изложени до принтерите, заедно с „Кутия на разочарованието“, която съдържа изхвърлени парчета, които не са се оказали идеално. За Колгроув силното търсене на принтери потвърди залога му да пренесе технологията в библиотеката.

„Наистина е вълнуващо да се види колко точно са подкрепени машините“, каза Колгроув.

Списъкът на чакащите стана още по-дълъг през август, когато 3DTouch беше изключен поради проблем с печатащата глава. Библиотеката също така планира да замени платформата за изграждане на 3DTouch с версия с подгряване, след като някои проекти, отпечатани от устройството, показват признаци на изкривяване.

Междувременно „едногодишното предлагане“ на библиотеката от общо 35 PLA и ABS пластмасови макари е намаляло до само една трета от първоначалното количество само след няколко месеца. Проблемът с доставките трябва да се коригира, след като университетът започне да таксува за материала - 50 цента на кубичен инч за 3DTouch задачи и $4,50 на кубичен инч за Stratasys с по-висока разделителна способност. Кърт казва, че силното търсене ще продължи да бъде проблем сега, когато студентите се завръщат за есенния семестър.

„Мълвата се разчу около кампуса и вече бяхме заети дори през летните месеци“, каза Кърт. „Но е добре да имаш проблем. Предпочитам хората да идват в библиотеката, за да използват принтерите, отколкото да имам празна стая."

Ново измерение в обучението

За много университети 3D принтерите са се превърнали в незаменим актив за насърчаване на обучението и образованието. При Колумбийския университет Graduate School of Architecture, Planning and Preservation (GSAPP), устройствата се считат за редовен инструмент в ежедневието на студентите, каза Карлито Байн, мениджър на Output Shop на GSAPP. Той казва, че училището се е занимавало с 3D принтери от 2000 г., включително такъв, който използва восък. Принтерите им се използват толкова много, че училището купува друга машина. Други факултети като изящни изкуства, медицински и инженерни училища имат свои собствени 3D принтери.

„По време на презентации повечето студенти имат модели, както и изображения, за да покажат процеса на проектиране“, каза Бейн. „Показва на студентите и преподавателите какво работи структурно и какво просто изглежда добре. Това е нещо, което 2D изобразяване или чертеж не може да направи, защото имате само един изглед."

„Мисля, че това създава Ренесанс в производството и света на дизайна, защото дори обикновеният човек може да го използва.“

В Масачузетски институт по технологии, студенти като Стивън Кийтинг използват 3D принтери по авангардни начини, които надхвърлят простите модели. Студентът по машинно инженерство описва 3D принтерите като ценен изследователски инструмент, тъй като те могат да помогнат за ускоряване на проекти, които обикновено отнемат време при използване на конвенционални методи за моделиране. Технологията също така помага за демократизиране на процеси, които може да са твърде технически за обикновения човек, когато се извършват по традиционния начин.

„3D печатът ви позволява бързо да създавате прототипи и да итерирате бързо, така че наистина изравнява игралното поле по отношение на дизайна“, каза Кийтинг. „Всеки с програма като Sketchup може да проектира нещо, без да има нужда от достъп до машинен цех или да знае как да работи с производствено оборудване. Мисля, че това създава Ренесанс в производството и света на дизайна, защото дори обикновеният човек може да го използва."

В случая на Кийтинг, той в момента е част от екип, който изучава нови техники за цифрово производство, включително широкомащабно 3D принтиране. Тяхната крайна цел? За да можете да отпечатвате цели сгради. Част от изследванията на Кийтинг е да предложи алтернатива на сегашния метод за печат слой по слой, използван от машини като Makerbot, който е твърде бавен за техните цели. Един от подходите, които те разработват, е „отпечатване на място“ – което позволява отпечатването да се извършва на място. Тяхната концепция също използва "мобилен рояк печат" чрез роботизирани агенти, които екструдират бързо втвърдяващ се материал. Материалът действа като бетонна форма за структурни стени, а също и като топлоизолационен слой. В допълнение към по-ниските разходи и възможността за отпечатване на персонализирани форми, уникалният подход дава на екипа скоростта, която желаят. „Смятаме, че за обикновена едноетажна жилищна къща можем да отпечатаме цялата външна стена за по-малко от ден“, каза Кийтинг. „Досега сме извършили успешно много тестове в малък мащаб, така че се надяваме да работим в по-голям мащаб през следващата година.“

Следващото ниво

Въпреки че отпечатването на модели на молекули, зъбни колела и дори любителски проекти в пластмаса е добра първа стъпка, едно от нещата, които вълнуват изследователите относно 3D печата, включва неговия потенциал за използване на други материали. Един пример е използването на технологията за биологични проекти, включително създаването на човешка тъкан, каза Али Хадемхосейни, Харвардско медицинско училище доцент, който също участва в отдела по здравни науки и технологии на Харвард-MIT. Khademhosseini и неговите колеги изследователи в момента се опитват да проектират 3D структури, които имитират клетки и тъкани, които могат да бъдат трансплантирани на хора. За разлика от традиционно използваните по-неживи материали, печатането на тишу изисква различен вид среда, която идва със собствен набор от уникални предизвикателства. „Обикновено работим с гелове и прегел течности, в които имате клетки, капсулирани вътре“, каза Хадемхосейни. „Веднъж отпечатани, можете да ги кръстосате и да направите гелообразна структура, така че материалът да е различен... и много хидратиран."

„Предизвикателството сега е да правим неща като сърдечна тъкан, която е по-васкуларизирана и има всички тези кръвоносни съдове.“

В миналото изследователите се опитваха да пренасочат традиционните принтери за тази работа, но се натъкнаха на проблеми като запушване. В наши дни те използват принтери от компании като базираната в Сан Диего Organovo, които са специализирани в отпечатването на биологичен материал. Изследването може да помогне за ускоряване на клиничните изпитвания чрез създаване на клетки и тъкани, които могат да се използват за тестване на лекарства, каза Хадемхосейни. По-големите изпитания, които могат да струват над един милиард долара, също могат да се възползват от намаляване на разходите. Досега изследователи, работещи върху биологичния печат, вече са създали жизнеспособен материал за лечение на изгорена кожа. По-сложните тъкани обаче ще отнеме известно време.

„Предизвикателството сега е да се правят неща като сърдечна тъкан, която е по-васкуларизирана и има всички тези кръвоносни съдове, или чернодробна тъкан, която има метаболитна функция“, каза Хадемхосейни. „Все още има огромни предизвикателства, но постигаме голям напредък. Само възможността да правиш тъкани за откриване на лекарства вече е голяма работа."

Междувременно скоростта на печат остава предизвикателство за 3D принтерите като цяло, каза Педро Рейс, асистент по механично, гражданско и екологично инженерство в MIT. Въпреки че 3D печатът със сигурност има предимства като инструмент за създаване на прототипи, той все още изостава от по-традиционните производствени методи, когато става въпрос за масово производство на артикули, според Рейс. Независимо от това, неговите предимства като инструмент за отключване на човешката креативност, както индивидуално, така и съвместно, не могат да бъдат сведени до минимум.

„Когато гледате някои от лудите 3D обекти, които учениците измислят, не можете да не си кажете просто „Уау“, каза Рейс. „Това наистина им дава сила и отваря въображението им. Това отваря напълно нова врата за тях да изразят своите идеи."

Повече глави по-добре от една

Слънчевата светлина прониква в оживения атриум на DeLaMare в слънчевия вторник следобед, когато посетителите пристигат, за да се мотаят около 3D принтерите и да наблюдават напредъка на проектите си. В един ъгъл учител проверява един от моделите на молекули, отпечатани от негов колега, и започва да разговаря със студент по компютърни науки, който си играе с 3D скенера наблизо. За Бен Кинг, доцент по химия в училището, едно от предизвикателствата при осъществяването на връзката между науката и технологиите е пропастта в комуникацията между хората. Използването на 3D принтери, каза той, не само насърчава хората да изпълнят своите идеи и потенциално да създадат следващата готина джаджа; също така улеснява съобщаването на резултатите на хората извън областта на експертизата.

„Например, едно от много трудните неща при преподаването на химия е да се обясни, че молекулите имат форма“, каза Кинг. „Това основно премахва тази пречка... така че ще промени начина, по който преподаваме химия и начина, по който гледаме на молекулите ежедневно. Освен това е просто забавно."

Guilherme Martins, завършил студент в програмата за компютърни науки и инженерство, се съгласи.

„В областта на роботиката или машинното инженерство способността да се създава движеща се част без никакво заваряване премахва много от бариерите пред прототипирането“, каза Мартинс. „Използването на 3D принтери също ви насърчава да научите нещо като програма за 3D моделиране, така че ви тласка да научите нови набори от умения.“

От другата страна на стаята може да се види един ученик да общува с друг ученик на близката маса, докато държи сандвич в едната си ръка и питие в другата. Вместо да каже на посетителите да мълчат и да изхвърлят храната си, Коулгроув се включва в разговорите.

„Когато за първи път влязох (преди няколко години), говорих с декана и казах: „Знаеш ли, учените и Инженерите са известни с много неща, но всъщност не са известни като тихи хора“, Колгроув казах. „Трябва да върнем тази общност обратно в библиотеката.“

„Това ни позволява да излезем от кутията и да кръстосано опрашваме по начини, които обикновено не можем. Страхотни неща се случват, когато събереш хората."

Най-голямата полза, която Colegrove е видял досега, е увеличаването на посещенията от хора с различен произход. Като библиотека за едно от най-добрите минни училища в страната, DeLaMare има силна история в геонауките. С добавянето на 3D принтерите, геоложките умове на училището вече се търкат лакти с хора от области като биология, компютърни науки и дори изкуство.

Крис Бенет, второкурсник по компютърни науки, каза, че особено се радва на мрежовия аспект на посещенията си в зоната за 3D печат. Той разговаря накратко със старши строителен инженер Алиша Вийч, която планира да използва 3D принтерите за създават миниатюрни прототипи на бетонните канута, които тя и нейният екип използват в състезания наоколо държава.

„Получавате средния инженерен тип, но също така е хубаво да видите биолозите и художниците да идват тук“, каза Бенет. „Това ни позволява да излезем от кутията и да кръстосано опрашваме по начини, които обикновено не можем. Основно е свързано с етоса на Makerspace – страхотни неща се случват, когато събереш хората."

Тази разнообразна среща на умовете е точно това, което Colegrove се надява да продължи да вижда, докато повече хора осъзнават 3D принтерите. Colegrove спомена за цикъла на Gartner Hype, който обяснява различните фази, през които преминава една технология по време на приемането. Цикълът започва със създаването на технологията, последван от завишени очаквания, разочарование, просветление и финалната фаза на приемане. Colegrove вярва, че 3D принтерите са преминали фазата на "разочарование", която идва, когато нова технология не успява да се справи с шума на завишените очаквания. Вместо това, 3D принтерите сега започват да си проправят път нагоре по етапа на „наклона на просветлението“, където се постига най-голям напредък. Колко бързо това ще се превърне в печатащи органи и репликатори в стил Стар Трек обаче зависи от това колко хора започват да си играят с технологията сега, каза той. Ключът е сътрудничеството, което ускорява учебния процес, добави той.

„Старият модел – при който имате индивидуални силози и хората влизат в индивидуалните си кули – искам да кажа, каква полза от това?“ Колгроув каза. „Сега имате инженери, които говорят с артисти и създават нови форми на знание. Вместо стария модел на преподаване, при който имате мъдреца на сцената, новият модел е да се учите един от друг, за да създадете искра, която може да бъде раздухана в пламък. В крайна сметка свързвате всички тези точки."

Уточнение: 3D Lab на Университета на Мичиган също предоставя ограничени услуги за 3D печат на обществеността за всеки отделен случай, при условие че има място в опашката за печат след студенти и преподаватели.

Това парче първоначално се появи в Брой на дистрибуцията #61.