科学家巧用万只死蚊子口器打造3D打印喷头，自然造物赋能未来制造
试想某天，你收到一个鼓鼓囊囊的快递，拆开后竟发现里面躺着一万只黑压压的死蚊子，你会选择报警还是直接扔进垃圾桶？
我的一位朋友大概率会兴奋不已，因为他热衷于收集蚊子尸体——每只被他亲手打死的蚊子，都会被当作“战利品”用透明胶粘进专门的小本本里。
但如果这份“特殊包裹”的收件人是科学家，故事的走向就会截然不同。加拿大麦吉尔大学的曹长宏与李剑宇收到这些蚊子后，取下它们的口器，制作成了3D打印喷嘴。这种喷嘴不仅成本低廉、经久耐用，还能打印出极其精细的结构。
相关研究论文已于11月19日发表在《科学·进展》（Science Advances）期刊上。
灵感源自一只“躺平”的死蜘蛛
这一切的开端，要从一项曾荣获2023年搞笑诺贝尔奖的研究说起。
几年前，美国莱斯大学的研究生Te Faye Yap在实验室走廊偶然发现一只死蜘蛛，她注意到蜘蛛的腿紧紧向内蜷缩。原来，蜘蛛腿的伸展依赖体内的液压系统，一旦死亡，压力消失，腿便自然收拢。这个看似平常的现象，让Yap萌生了一个大胆的想法：能否将蜘蛛尸体改造成机械抓手？
Yap将蜘蛛尸体与外部液压系统相连，通过加减压驱动死蜘蛛的腿开合。她发现，这种抓手能提起相当于自身重量1.3倍、体积2.6倍的物体，且能反复开合超过700次！研究团队为这项技术起了个略带惊悚的名字——“死体机器人学”（necrobotics）。
蜘蛛改造的机械抓手丨Te Faye Yap and coauthors
这项研究引起了曹长宏和李剑宇的兴趣。曹长宏长期专注纳米制造领域，李剑宇则深耕生物材料力学研究。于是他们开始思考：既然死蜘蛛能做成抓手，自然界中是否还有其他生物器官可直接用于机械制造？
上图最左侧为李剑宇，他是组织修复与再生方向加拿大首席科学家；最右侧是曹长宏，他是小尺度材料及制造方向加拿大首席科学家；中间是Justin Puma，是他俩的硕士研究生｜受访者供图
很快，他们将目光聚焦到生物体那些细小却坚韧的管状结构上，比如植物输水的木质部导管、蝎子与毒蛇的毒刺和毒牙，以及蚊子等昆虫的取食口器。这些历经亿万年演化的精密结构，或许正是高精度3D打印喷嘴的天然雏形。
在众多天然微型管状结构中，蚊子口器最终脱颖而出。首先，它结构笔直，管道在3D打印墨水流经时不会发生形变。其次，蚊子口器的内径约为20微米。要知道，市面上最细的塑料喷嘴内径达150微米，金属喷嘴虽能做到35微米，但单个售价高达80美元。相比之下，蚊子口器不仅更精细，成本也几乎可以忽略不计。
一万只死蚊子背后的故事
确定研究目标后，曹长宏和李剑宇很快遇到第一个现实难题——研究用的蚊子从哪里来？
谈及找蚊子的经历，李剑宇无奈地叹了口气。起初，他们联系蒙特利尔当地的昆虫馆和博物馆，想获取蚊子样品，后来又尝试联系研究蚊虫的科学家。
就在他们一筹莫展时，美国德雷克塞尔大学研究蚊子行为的助理教授伸出了援手，解决了燃眉之急。曹长宏回忆道，他曾试探性询问买几百只蚊子的价格，对方的答复却让他意外：蚊子不要钱，但最少得寄一万只。
埃及伊蚊（Aedes Aegypti）丨wikipedia.org
原来，对于研究蚊子的科学家来说，实验后的蚊子尸体是需处理的生物危害废弃物，更像是一种负担，有人愿意“收垃圾”简直是雪中送炭。就这样，一大批雌性埃及伊蚊（Aedes Aegypti）尸体被冻存进李剑宇实验室的冰箱。
曹长宏笑着说：“一旦找到合适的合作者，蚊子来源就不再是问题了。”
蚊子口器竟如此“皮实”
解决来源问题后，曹长宏和李剑宇的硕士研究生Justin Puma亲自动手，从零组装了一台“蚊子嘴3D打印机”：零件自己采购、结构自己搭建、程序自己编写。
接下来，他们开始测试蚊子口器的力学性能。李剑宇感叹：“我原以为蚊子这么常见的物种，关于其口器的生物力学研究应该很多，没想到却寥寥无几。”
他们惊喜地发现，蚊子口器能承受高达60kPa的内部压力，足以满足3D打印挤出墨水的需求。不过，若继续加压，蚊子口器就会沿着最薄弱的区域裂开。李剑宇解释：“蚊子口器有点像用一张纸卷成的纸筒，中间有一道接缝，那里是薄弱区域，但好在我们可以通过调节打印参数避免开裂。”
3D打印墨水属于剪切变稀流体，即流速越快、黏度越低。因此，只要控制液体流速和喷嘴位移速度，让墨水不滞留在喷口，就能避免喷嘴内压力过高。
曹长宏打了个形象的比方：“这就像高速公路上的汇入车流。如果一辆车还没开走，另一辆车又来，道路就会拥堵。但只要选对墨水、控制好参数，让每辆车及时开走，就不会有堵车问题。”若想让蚊子口器承受更高压力，未来可在其外部镀一层金属或其他材料，增强喷嘴整体结构强度。
（C）雌性蚊子的口器被安装在定制的3D DIW打印机上；（D）口器针头挤出Cellink Start凝胶（一种3D打印生物墨水）丨参考资料1
除了承压能力，他们还系统测试了蚊子口器的使用寿命。结果显示，只要打印参数控制得当，一个蚊子口器喷嘴可连续工作至少14天！而且，即便将蚊子口器冷冻一年，其作为3D打印喷嘴的性能也丝毫不受影响。
李剑宇解释：“蚊子口器的主要成分是几丁质，与富含水分的细胞组织不同，几丁质含水量低，因此冷冻时不会因冰晶形成破坏结构，可耐受长时间冷冻存储。”
曹长宏也称赞蚊子口器的“皮实”：“玻璃虽能制造出内径仅一微米甚至几百纳米的打印喷嘴，但它太脆弱了。如果放在面前对着它说话，都可能被震碎。但蚊子口器就不一样，对它大喊都没问题！”
经济环保，未来应用不止于3D打印
除了精度高、耐用性强，用蚊子口器做3D打印喷嘴还有一个明显优势——成本低廉。
据研究团队测算，一名经过培训的技术人员约10分钟就能用蚊子口器组装一个喷嘴。将零基础新手培训成熟练工，也只需一个月左右。照此推算，若雇佣200名熟练工人，时薪3.1美元，每天工作8小时，一天就能生产9600个喷嘴，单个喷嘴生产成本仅0.52美元。相比塑料、金属甚至玻璃喷嘴，这价格低得惊人。
在性能方面，李剑宇指出，他们已实现10微米量级的打印精度。这一精度在生物打印领域意义重大，因为它与人体毛细血管直径相当。若科学家需3D打印仿毛细血管的微型结构，打印喷嘴必须达到这种精度，而蚊子口器已具备该能力。
当然，受口器承压上限限制，用它进行3D打印的速度不算快。但曹长宏认为，微纳制造中最关键的始终是打印精度。而且提速也很简单：只需增加喷嘴数量同时打印，毕竟这种喷嘴成本低，多部署一些完全不成问题。
(B) 使用蚊子口器打印的3D蜂窝结构； (C) 使用蚊子口器打印的3D枫叶结构； (D) 使用蚊子口器打印的3D网格支架丨参考资料1
事实上，蚊子口器的潜力远不止于3D打印领域。未来它们或许能作为生物医药中的一次性耗材，替代目前广泛使用的金属针头等材料。由于蚊子口器成本极低且可完全降解，不会带来环境负担，也不存在针头重复使用引发的安全隐患。
在为这项技术命名时，曹长宏借用了“死体机器人学”的概念，称其为“necroprinting”。不过，他不喜欢“死亡打印”“死灵打印”这类略显诡异的译法。对李剑宇而言，这项研究的核心并非蚊子尸体，而是如何将生物结构以工程化方式重新利用。
因此，不妨称这项技术为“生源打印”。毕竟，无论是蜘蛛腿还是蚊子口器，它们都不只是尸体上的零部件，更是亿万年生命演化的结晶。人类工程正重新审视自然界中这些被忽略的微小结构，未来的工程制造，或许将由科学家与大自然共同创造。
参考文献
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw9953
[2]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201174
本文来自微信公众号 “果壳”（ID：Guokr42），作者：黄雨佳，36氪经授权发布。
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