开源技术涉足 3D 打印

开源技术已触及许多科学学科，但土壤科学是其中一个缺失领域。直到最近，你只能在教育材料中找到它。来自法国洛林大学、INRAE 和加拿大西安大略大学的一个团队将开源技术引入土壤科学界。

土壤科学实验在过去几十年中受到技术进步的显著影响。然而，对这些实验的支持发展非常缓慢，土壤科学实际上停滞不前。研究人员仍然以“传统”方式从特定田地采集土壤样本。为此，农业研究人员预先确定哪些区域可能包含最适合实验的土壤。这种方法导致许多近似值和不受控制的参数，这大大复杂化了结果的分析。因此，一些研究需要相同的重复样本。3D 打印为满足这一需求提供了绝佳机会。

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_{（Joshua Pearce，cc-by-sa-nc）}

为土壤科学建模多孔结构必须考虑规格的组合（材料的性质、孔隙率以及特定物质或生物体的位置）。此外，使用工程设计方法改进了建模过程，这些模型成为可定制和可复制的模型——这是开源科学的一些基本属性。模型的主要特征根据特定土壤现象的复杂性进行识别和研究。通过这种建模，您可以实现定义制造过程的设计方法。

支持这种设计方法的一个主要挑战是开发软件，使土壤科学家能够根据他们对土壤结构的需求创建土壤模型。该软件应专注于科学研究，并促进国际社区内的数据共享和交流。

以数字方式复制土壤样本有助于学者和研究人员开展可重复和参与性的研究网络，从而更好地理解特定的土壤参数。土壤建模最关键的挑战之一是土壤结构的制造。到目前为止，复制多孔土壤结构最广泛的方法是使用 X 射线断层扫描来扫描实际样本。这个过程既昂贵又耗时，并且不容易提供定制方法。一种新的开源方法使任何土壤科学家都能够设计多孔土壤结构。它基于数学模型而不是脏样本本身——允许研究人员根据他们期望的实验来设计和参数化他们的样本。

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（Joshua Pearce，CC BY-SA 4.0）

开发一个使用 Lua 脚本的开源工具链，在带有 GUI 的 IceSL 切片器中，使研究人员能够创建和配置他们的数字土壤模型，称为巨石模型。这样做无需使用网格划分算法或立体光刻 (STL) 文件，因为这些会降低模型的分辨率。

巨石模型的例子是用聚乳酸使用开源熔丝制造技术制造的，层厚为 0.20、0.12 和 0.08 毫米。从数字模型切片生成的图像使用开源 ImageJ 软件进行分析。ImageJ 提供有关内部几何形状（孔隙率、曲折度、粒度分布和水力传导率）的信息。结果表明，开发的脚本能够设计可重复的数值模型，该模型模拟土壤结构，其孔隙和粒度在粗砂（直径 1 毫米起）到细砾（直径达 12 毫米）之间。

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^{（Joshua Pearce，CC BY-SA 4.0）}

使用开发的脚本生成的样本预计将提高可重复性，并且由于所涉及的开源和低成本方法而更易于访问。

您可以在此处阅读完整的开放获取研究：Romain Bedell、Alaa Hassan、Anne-Julie Tinet、Javier Arrieta-Escobar、Delphine Derrien、Marie-France Dignac、Vincent Boly、Stéphanie Ouvrard 和 Joshua M. Pearce 于 2021 年在《Technologies》9 卷 3 期 67 号上发表的《用于土壤科学多孔结构设计和 3D 打印的开源脚本》。