农业3D打印“智”造新未来

本刊记者|柴帆

农业3D打印“智”造新未来

本刊记者|柴帆

导 语：在周惠兴的实验室里，两台3D打印机正在运转着，一台刚刚打印出了“福”字的下半部分，一台似乎才开始打印，看不大出打印的是什么物件。打印机上方的架子上摆放着所需要的材料，是凑齐了七种颜色的线条。

近日，国际市场调研机构IDC发布了半年度的3D打印市场报告，报告中预计未来5年国际3D打印市场将以22．3%的年复合增长率成长，从2016年的132亿美元增加到2020年的289亿美元，翻一番还要多。

IDC在其报告中对3D打印在不同行业中的应用作了分解分析。例如，汽车设计和快速原型业务为3D打印行业带来39亿美元的收入，占比最重；而航空与军备行业也带来了24亿美元收入，不容忽视；工具和零部件加工行业也会是3D打印行业的金主。

目前，3D打印技术主要应用在工业和制造业领域。随着3D打印设备和材料的不断丰富，3D打印领域将不断扩展，进一步带来3D打印市场的成长，使3D打印生态链逐渐成熟。医疗健康3D打印市场将成为增长率最高的板块之一。

于此同时，农业领域3D打印也在悄然发芽。中国农业大学3D打印研究中心主任周惠兴教授说：“要谈论农业3D打印，首先得知道什么是3D打印？”

什么是3D打印

周惠兴解释道：“3D打印属于快速成形技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，适用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。本质意思就是把材料堆积成需要的形状，好比我们去沙滩玩的时候，用沙子堆城堡或者其他一些好玩的东西。很多时候由于沙子的疏松性能，城堡很难直接堆积起来，往往一堆就塌，3D打印也是如此。那么如何才能解决这个问题？这就涉及到材料、工艺、设备等三个方面的问题，这三个中的任何一种的改进都可称之为一种方法，专业术语称之为增材制造，增材制造的方法涉及到了方方面面。”

3D打印的过程通常是3D打印机在设计文件指令的导引下，通过熔化固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。第1层固化后，3D打印机打印头返回，在第1层外部形成另一薄层。第2层固化后，打印头再次返回，并在第2层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积成为三维物体。

在周惠兴的实验室里，两台3D打印机正在运转着，一台刚刚打印出了“福”字的下半部分，一台似乎才开始打印，看不大出打印的是什么物件。打印机上方的架子上摆放着所需要的材料，是凑齐了七种颜色的线条。周惠兴指着线条说：“这是由玉米淀粉制成的材料，在打印机后面有个专门放置线匣子的地方，连着打印机上面的两根管子，这两根管子通过将线条输入喷头内，高温溶成液体，输送到打印机内，在输出喷头的一瞬间凝结成固体，由此打印出物体。物体的形状是事先通过设计软件设计好之后，将数据输入打印机内。”

在线条的旁边架子上放的则是通过3D打印技术生产出来的成品，是一排五颜六色的花朵。周惠兴说：“这些目前是用作玩具设计的，由于成本低、制造速度快、节约时间、设计制造一体化的优势，它很可能在未来掀起制造业的革命。”

与农业3D打印结缘

北京市中农富通园艺有限公司（以下简称“中农富通”）是一家以中国农业大学、中国农业科学院、北京市农林科学院、北京农学院等科研院校为技术依托的农业高科技企业。同时，也是国内最早投入农业3D打印研究的企业，在2016年10月份举办的北京国际农业农产品展览会上，中农富通展出的“3D生物打印机”吸引了不少人的眼球。而他们的研究顾问便是周惠兴。周惠兴早期的研究是直线电机和精密运动控制，他首先将直线电机技术应用于3D生物打印领域。

2013年，周惠兴在学校组织的一次会议上听同事说到，我国的农机装备造价高昂，工艺复杂，不能很好的满足我国农业发展的要求。同事的话给长期从事3D打印研究工作的周惠兴提了个醒——何不用3D打印技术完成农机装备的复杂部件制造工作。由此，周惠兴开始了农业领域的3D打印技术研究。

2015年，通过同校老师的推荐，中农富通了解到周惠兴在做3D打印的研究工作，便邀请他去公司做演讲。演讲之后，周惠兴成为了中农富通3D打印技术的研究顾问。同年10月份由国家863项目支持，周惠兴及相关企业联合研制的首台3D生物血管打印机问世。同时，他开始将3D打印技术应用于不同的工业领域。

事件也可以作为参与者角色。在例句（7）中，参与者角色并不是事物、人或性质，而是一个事件，即“通过组织丰富多彩的班级集体活动”作为参与者角色。

2016年年初，中农富通正式拨款启动研发项目，中农富通负责3D打印项目的工作人员说：“目前，公司主要在农机装备、园艺观赏、食品等三个方面进行研究。食品的3D打印尚未成熟，但是农机装备和园艺观赏已经有了一定的系统性研发，我们会根据客户需要来进行定制化打印，这样会更符合市场一些。尤其是农机装备零部件的打印更是如此。”中农富通将为农机及国内创新教育领域提供3D打印技术服务。

3D打印改变农机制造

农业机械的作业对象为生物及其生长的环境，如种子、作物、土壤、肥料、农药等，由于它们品种繁多、形状复杂、物理机械性质多变并且软弱易伤，所以为满足各项作业的农业技术要求，农业机械的研发相当复杂。同时，农业机械作业过程中许多的作业环节，因各地自然条件、作物构成和耕作制度的差异，造成了农业机械的多样性。使得农业机械研发项目必然种类繁多、研发面广、成本高。

长期以来，由于农业机械工作对象的复杂性，在科研、开发过程中，以水泵叶轮为代表的模具形状复杂。这些原型的制作非常麻烦，往往是先开模具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需开模具，可以把制造时间降低。

周惠兴认为，3D打印可以改变传统的设计流程和制作工序。在设计方案综合比较时，运用3D打印直接打印出设计模型，不仅可以直观地进行结构方案比较，而且还可以多角度进行技术分析。

为了更加直观地展示，周惠兴打开他的电脑，进入一个名为“AUTODESK INVENTOR”的设计软件，里面有他设计的汽车模型。随着汽车模型的旋转，周惠兴说到：“在样机设计时，传统方法主要考虑生产工艺能否实现，而运用3D打印，将会颠覆这一设计思路，样机设计时不再过份考虑生产工艺问题，而可以进行优化设计。在复杂件制作这个环节，传统的方法往往是先做模具，再做出样品，运用3D打印无需模具，就可以短时间制造出实际零件。”

山西省农业机械化科学研究院副院长裴进灵曾公开表示，一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可利用3D打印技术，短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效克服我国农机工业设计能力薄弱的问题。

挑战传统的3D打印食用技术

3D打印技术除了在农机方面的应用，3D食品打印也正以迅雷不及掩耳之势刷新人们的认知。

2017年1月12日，国内智慧商用3D打印技术引领者海芯科技宣布获得千万人民币的投资，海芯科技的初创团队是由十余名清华大学校友联合构建的。

这家专注于构建极致3D打印体验与闭环生态的高科技企业，立志成为3D打印领域的Windows，通过图形化的操作系统真正让所有非专业用户都能使用3D打印机。目前主要产品包括Neobox、Neobox O、三弟画饼煎饼打印机等硬件、Neobox OS操作系统以及3D打印工厂APP。

目前，Neobox已经应用于全国范围内的各行各业，尤其在教育领域，中关村二小、张家港外语学校、江西省科学院、中国科技馆等都在借助Neobox积极推进自身以及3D打印事业的发展。而三弟画饼则早已成为食品3D打印领域的代表性品牌，多次被央视报道，并独立获得上千万投资。

这次的投资案在资本寒冬下给2017年的3D打印行业开了个好头。

过去几年，很多组织、公司甚至个人都开始研究新型的3D打印食物。美国国家航空航天局也曾委托研究人员开发3D食物打印机。与此同时，由于3D打印技术释放了各种设计的可能性，厨师和餐馆也对此青睐有加。伦敦的一家3D打印餐厅Food Ink，已经凭借其富有艺术性和创造力的餐盘上了头条

虽说3D打印食物这一项技术发展迅速，然而主流消费者似乎并不买账。堪培拉大学的研究员Deborah Lupton和Bethaney Turner做了一项关于3D打印食品前景的调查。调查结果显示，被调查者没有一个人听说过3D打印的食物。大多数参与者认为3D打印过程有点像转基因，尤其当实验室培养的肉类也被用到打印过程中的时候。在一个宣扬自然和有机的社会思想中，人们对从3D打印机里生产出来的食品多少会有些担心，他们认为这个生产过程“不自然”。

周惠兴说：“其实3D打印食品目前在我们国家并不太普遍，技术上也处在实验和研发阶段，这个过程的普及可能需要几年的时间。但要相信3D打印出来的食品，是可以消费的。我们正在和中国农业大学食品学院一起研究可根据消费者情况而自动配置营养成分的食品打印机，未来它将成为一个普通的家用电器为普通百姓服务。对于3D打印，目前需要大量专业人才，为此，我们和中农富通联合成立了一个培训班，专门培养3D打印方面的人才，因为，教育是万物始源之本。”

现在，周惠兴的研究工作正在如火如荼的进行着，对于农业3D打印的未来，他认为很乐观，周惠兴说：“去年，李克强总理专门召集相关部门领导学习3D打印便是很好的证明。”

目前，周惠兴的团队也为大中小学提供3D打印创新实验室建设方面的服务工作，从中小学开始培养创新创业方面的人才。他们还设计了3D打印玩具赛车项目，以便让更多的人，尤其是年轻人理解3D打印技术，并投入到这一未来的先进制造项目领域。

周惠兴简介

周惠兴，教授、博士生导师，国家千人计划特聘专家。清华大学博士学位，英国注册工程师、英国机械工程学会会员、英国机械工程学会北京区主席。现任中国农业大学3D打印研究中心及中国农业大学工学院精密工程研究中心主任、教授；兼英诺3D生物打印机公司首席科学家，郑州市直线电机及精密运动控制工程研究中心主任；曾任新加坡国立大学博士后、英国利兹大学/WABCO研究员/产品开发经理、英国600数控车床公司高级研发工程师。已发表论文和著作100余篇，专利20余项，是多个国际刊物评阅人；曾获得国家创新基金、国家重大科技专项、国家863项目。所开发的系列化直线电机装备、ECNC数控系统、大功率椭圆活塞数控车削机床、cSPACE硬件在回路控制系统、芯片高速焊接机等已经系列化、市场化，在国内外得到广泛应用。最新研制的世界首创3D血管生物打印机已在近期问世并投入生产。

研究方向：直线电机和精密运动控制，3D生物打印机和智能装备；素质教育与现代创新教育。