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Ecology in 3D: Incorporating 3D printing in research

Updated: Dec 9, 2021


Translated by Sibbie Li 李曉詩, Edited by Mei Chan 陳美恩 and Ivan Lam 林沛賢

Tortugas en 3D: la incorporación de la impresión 3D en la investigación científica

Translated and edited by María Teresa NEGREROS AMAYA

Technology is a big part of our life. I use it when I tap my card to pay for the bus, when I order stuff online, and when I map my bike rides on my phone. As a biologist I enjoy spending time in nature learning about living things, far away from electronics. But even then, technology has become increasingly important.

Using technology makes complicated research questions about living organisms more feasible. For example, at Lingnan we use DNA sequencing technologies to get a more accurate representation of how species and populations across Hong Kong are related to each other. Outside of the laboratories, technology allows scientist to study animals in their natural habitat. For example, scientists have used satellite images to track populations of penguins in Antarctica based on the poop tracks they leave in the ice! And more locally Dr. SUNG, Mr. CHAN and Mr. KATONA have used accelerometers to track the movement of turtles in Hong Kong streams.

An interesting and new approach to ask questions in ecological studies is to incorporate 3D printing as a research tool [1]. For example, scientists from Temple University in the USA used 3D printing to study predation on lizards. They used a laser scanner to get the outline of the lizard, 3D printed the model and covered it with clay. By placing the model in the wild they can count the marks on the model left by predators! In addition,3D printed lizards have also the benefits to be less toxic and biodegradable [2]. 3D printing can also be used to study species interactions. Researchers at the University of Windsor in Canada use 3D printed Neotropical Yellow Toad models to study behavior. The males of this species change their body’s color from brown to yellow during the mating season. By changing colors, yellow male toads distinguish the brown females easily. Now, the researchers are using 3D printed toads to test how the female choose among males of similar yellow colors [3].Finally, 3D printing can help with conservation. A research team at the University of Hong Kong developed 3D printed hexagonal bases to help with coral restoration. The bases are made of clay, are environmentally friendly and provide the coral a substrate to grow on [4].

From left to right: 3D printed lizards, figure from Behm et al., 2018 [2]. 3D printed coral [3]. 3D printed Neotropical Yellow Toads [4].

Learning to use a 3D printer, or any kind of new technology can be intimidating. Computer programs and equipment normally have a lot of specific instructions and procedures. But one of my favorite parts of working at a university is that I can always seek help. Interdisciplinary research also promotes collaboration among people from different backgrounds. At Lingnan, I can ask my labmates or colleagues in other departments for help when I am trying to learn new skills! That is why in October 2020 we hosted a 3D printing workshop as a partnership between the Science Unit and the Office of Service Learning (OSL) at Lingnan. One of the main goals of OSL is to help students develop projects incorporating technology in their classes and community projects. Thus, it was the perfect collaboration!

Brian KATONA teaching the 3D printing workshop at the Science Unit.

© Itzue Caviedes-Solis

The project officer Brian KATONA led the3D printing workshop for the Science Unit staff and students.3D printing uses a three-dimensional model as a template. Then a software called a slicer splits the model in to horizontal layers from 0.1 -0.4 millimeters thick. This split model can be uploaded into a 3D printer as instructions. Each slice or layer is deposited one at the time horizontally and they solidify when the material cools off. 3D printers can use different materials. The most common materials are ABS and PLA, two types of plastic, but others can have wood, metal or clay. The materials travel through a thin hose, to the extruder where it gets melted with heat. Once the resin is more malleable it passes through a nozzle, as wide as we want the layer to be. The plastic is deposited in layers to be given the desired shape.

3D printing process for a salamander model. © Itzue Caviedes-Solis

The models to be 3D printed can be custom made in CAD software like Fusion360 or Rhinoceros, or can be downloaded for free or purchased from websites like Thingiverse. During the workshop at OSL we each selected a 3D model, including frogs, a turtle and a salamander. Brian gave a brief introduction about the types of printers that OSL has and the software we will be using. Then the fun started! We set up our model to be sliced and loaded the file in the 3D printer. Watching the 3D printer deposit the plastic was like science fiction. The process was exciting! Seeing each layer being deposited at the beginning of the process was like watching a pencil make an outline for a drawing. The process takes anywhere from five minutes to many hours depending on the size and the detail of the model. So we came back the next day to see the final products. Once the model is out of the printer the supporting material needs to be removed and the edges can be smoothed. The 3D models we created had an impressive amount of detail and now we are ready to print if needed for future projects!

We expect to keep the collaboration between OSL and the Science Unit for future research projects! In addition, 3D printing is an incredible tool for teaching and outreach. 3D models of animals, skulls and skeletons can be used to teach about biodiversity and anatomy. At the Lingnan Natural History Collection we hope to 3D print models to teach kids and adults about Hong Kong biodiversity. So stay tuned for our next 3D printing adventure!

From left to right: 3D printed projects for the workshop. Final 3D printed turtle, salamander and toad. 3D printed turtle with a real turtle in the lab. © Itzue Caviedes-Solis

Research and media cited in the post

4. Coral restoration by Hong Kong University. Published in Hong Kong Free Press by Rhonda KWAN. 2020






運用3D列印技術作為生態研究工具,可說是個新穎且有趣的方法[1]。例如,美國天普大學的科學家使用3D列印技術,研究蜥蜴的捕食行為。他們使用激光掃描器取得蜥蜴的輪廓,然後3D列印出模型,再用陶土覆蓋在模型上。把模型放到野外,他們就可以計算捕食動物在模型上留下的痕跡!加上,3D列印的蜥蜴可以進行生物分解,而且對環境毒性很低,好處多多[2]。3D列印技術還可以用來研究物種互動。加拿大溫莎大學的研究人員利用3D列印新熱帶黃蟾蜍(Incilius luetkenii)的模型,研究牠們的行為。研究發現,雄性黃蟾蜍在交配季節時,膚色會由本來的棕色轉為黃色。因為顏色上的變化,黃色的雄性蟾蜍可以輕鬆地區分棕色的雌性蟾蜍。現在,研究人員正使用3D列印技術,測試雌性蟾蜍如何在眾多相似的黃色雄性中選擇他們的伴侶。最後,3D列印技術有助保育工作。透過3D列印,香港大學研發出六角形底座,以助修復珊瑚。底座由陶土製成,不但環保,而且為珊瑚提供了生長的基質[4]。

由左至右:Behm等人於2018年製作的3D列印蜥蜴 [2]。3D列印珊瑚[3]。3D列印的新熱帶黃蟾蜍[4]。


Brian KATONA為科學教研組教授3D列印工作坊。版權所有 © Itzue Caviedes-Solis

該工作坊由項目主任Brian KATONA主講,教導科學教研組的職員和學生有關3D列印的技巧。3D列印採用立體模型作為模板,然後,利用軟件將模型橫切成0.1至0.4毫米的薄層。分割後的模型會上傳到3D列印機作為後續列印指示。機器每次只會水平放置一層薄片,當材料冷卻後,便會凝固。3D列印機可以運用不同的材料,最常見的是樹脂和聚乳酸這兩種塑膠,不過也可以使用其他材料,例如木材、金屬或陶土。材料通過一條幼軟管輸送到擠壓機,再加熱熔化材料。當樹脂變軟,便會通過噴嘴,重塑成我們想要的闊度。塑膠最終會沉積成薄層,再合併成理想的形狀。

3D蠑螈模型的列印過程。 版權所有 © Itzue Caviedes-Solis



由左至右:工作坊的3D列印活動。龜、蠑螈和蟾蜍的3D列印成品。3D列印的龜隻與實驗室中的真龜。版權所有 © Itzue Caviedes-Solis


4. Coral restoration by Hong Kong University. Published in Hong Kong Free Press by Rhonda KWAN. 2020

Tortugas en 3D: la incorporación de la impresión 3D en la investigación científica

Translated and edited by María Teresa NEGREROS AMAYA

No se trata de ciencia ficción. La tecnología de las impresoras 3D no solo permite réplicas precisas y mejores prótesis, ahora también se puede entender el comportamiento animal y colaborar con el cuidado de las especies en peligro de extinción

La tecnología es una parte importante de nuestra vida. Está presente cuando utilizo mi tarjeta para pagar el autobús, al hacer pedidos en línea y cuando mapeo mis recorridos en bicicleta en una aplicación en mi teléfono. Como bióloga, disfruto pasar tiempo en la naturaleza aprendiendo sobre los seres vivos, lejos de los aparatos electrónicos; pero incluso en estos momentos, la tecnología toma un papel importante.

El uso de la tecnología hace que las preguntas de investigación más complicadas acerca de los seres vivos puedan ser mejor respondidas. Este es el caso en la Universidad de Lingnan, donde utilizamos tecnologías de secuenciación de ADN para obtener una representación más precisa de cómo las especies y poblaciones de Hong Kong se relacionan entre sí. Fuera de los laboratorios, la tecnología permite a los científicos estudiar animales en su hábitat natural. Por ejemplo, ¡los científicos han usado imágenes de satélite para rastrear poblaciones de pingüinos en la Antártida, basándose únicamente en las huellas de heces que dejan en el hielo! Y de forma local, el doctor Sung, Vincent Chan y Brian Katona han utilizado acelerómetros para rastrear el movimiento de las tortugas en los arroyos de Hong Kong.

Un enfoque nuevo e interesante para hacer preguntas en los estudios ecológicos es incorporar la impresión 3D como herramienta de investigación [1]. Por ejemplo, científicos de la Universidad de Temple en Estados Unidos utilizaron la impresión 3D para estudiar la depredación de lagartijas. Mediante un escáner láser lograron obtener el contorno de la lagartija, imprimieron el modelo en 3D y lo cubrieron con arcilla. ¡Al colocar el modelo en la naturaleza, se pueden registrar las marcas dejadas por los depredadores en el modelo! Además, las lagartijas impresas en 3D también tienen los beneficios de ser menos tóxicas y biodegradables respecto a otros materiales [2].

La impresión 3D también se puede utilizar para estudiar las interacciones entre los individuos de una especie. Investigadores de la Universidad de Windsor en Canadá utilizan modelos del sapo amarillo neotropical impresos en 3D para estudiar su comportamiento. Los machos de esta especie cambian el color de su cuerpo de marrón a amarillo durante la temporada de apareamiento. Al cambiar de color, los sapos machos amarillos se distinguen fácilmente de las hembras marrones. Ahora, los investigadores están utilizando sapos impresos en 3D para evaluar si las hembras eligen a los machos que presentan algun tono en particular de amarillo.[3].

Aunado a lo anterior, la impresión 3D puede ayudar con la conservación de especies. Un equipo de investigación de la Universidad de Hong Kong desarrolló bases hexagonales impresas en 3D para ayudar con la restauración de corales. Las bases están hechas de arcilla, son amigables con el medio ambiente y proporcionan al coral un sustrato para crecer [4].

De izquierda a derecha: lagartos impresos en 3D, figura de Behm et al., 2018 [2]. Coral impreso en 3D [3]. Sapo amarillo neotropical impreso en 3D [4].

Aprender a usar una impresora 3D o cualquier tipo de tecnología nueva puede resultar intimidante. Los programas y equipos informáticos normalmente tienen muchas instrucciones y procedimientos particulares; por lo que una de mis partes favoritas de trabajar en una universidad es que siempre puedo buscar ayuda. La investigación interdisciplinaria también promueve la colaboración entre personas con diferentes tipos de conocimiento. En Lingnan, puedo pedir ayuda a mis compañeros de laboratorio o colegas de otros departamentos cuando estoy tratando de aprender nuevas habilidades. Es por eso que en octubre de 2020 organizamos un taller de impresión 3D como una asociación entre la Unidad de Ciencias y la Oficina de Aprendizaje para el Servicio (OSL, por sus siglas en inglés) en Lingnan. Uno de los principales objetivos de la OSL es ayudar a los estudiantes a desarrollar proyectos que incorporen tecnología en sus clases y proyectos comunitarios; por lo tanto, ¡fue la colaboración perfecta!

Brian Katona enseñando el funcionamiento de la impresión en 3D en un taller realizado en la Unidad de Ciencias. © Itzue Caviedes-Solis

El ingeniero de OSL, Brian Katona, dirigió el taller de impresión 3D para el personal y los estudiantes de la Unidad de Ciencias. La impresión 3D utiliza un modelo tridimensional como plantilla. Luego, un software llamado “slicer” divide el modelo en capas horizontales de 0.1 a 0.4 milímetros de grosor. Este modelo dividido en secciones funciona como instrucciones que se pueden cargar en una impresora 3D. Cada rebanada o capa se deposita una por una de forma horizontal y se solidifican cuando el material se enfría. Las impresoras 3D pueden utilizar diferentes materiales, los más comunes son ABS y PLA, dos tipos de plástico, pero otras pueden tener madera, metal o arcilla. Los materiales viajan a través de una manguera delgada hasta el extrusor, donde se funde con el calor. Una vez que la resina es más maleable pasa por una boquilla, tan ancha como queramos que sea la capa. Finalmente, el plástico se deposita en capas horizontales para darle la forma deseada.

Proceso de impresión 3D de un modelo de una salamandra. © Itzue Caviedes-Solis

Los modelos que se van a imprimir en 3D se pueden personalizar en software especializado en el diseño asistido por ordenador (CAD por sus siglas en inglés), como Fusion360 o Rhinoceros;. o se pueden descargar de forma gratuita o comprar en sitios web como Thingiverse. Durante el taller en OSL, cada participante seleccionó un modelo 3D, entre las opciones se encontraban ranas, una tortuga y una salamandra. Brian hizo una breve introducción sobre los tipos de impresoras que tiene OSL y el software que usamos. ¡Después empezó la diversión! Configuramos nuestro modelo para ser cortado y cargado el archivo en la impresora 3D. Ver a la impresora 3D depositar el plástico fue como ver una escena de una película de ciencia ficción,¡El proceso fue emocionante! Observar cómo se deposita cada capa al comienzo del proceso fue como ver a un lápiz hacer el contorno de un dibujo. El proceso puede tomar desde cinco minutos hasta varias horas, según el tamaño y el detalle del modelo. Así que volvimos al día siguiente para ver los productos finales. Una vez que el modelo está fuera de la impresora, se debe quitar el material de soporte y se pueden suavizar los bordes. Los modelos 3D que creamos tenían una cantidad impresionante de detalles. Ahora estamos listos para imprimir si es necesario para proyectos futuros.

¡Esperamos mantener la colaboración entre OSL y la Unidad de Ciencias para futuros proyectos de investigación! Además, la impresión 3D es una herramienta increíble para la enseñanza y la divulgación. Se pueden utilizar modelos 3D de animales, cráneos y esqueletos para enseñar sobre la biodiversidad y la anatomía. En la Colección de Historia Natural de Lingnan, esperamos imprimir modelos en 3D para enseñar a niños y adultos sobre la biodiversidad de Hong Kong. ¡Estén atentos para nuestra próxima aventura de impresión 3D!

De izquierda a derecha: proyectos del taller impresos en 3D. Resultado final de la impresión de una tortuga, una salamandra y un sapo. Una tortuga impresa en 3D frente a una tortuga real en el laboratorio. © Itzue Caviedes-Solis

Investigaciones y materiales citados en la publicación:

4. Coral restoration by Hong Kong University. Published in Hong Kong Free Press by Rhonda KWAN. 2020

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