“反向設計光場”讓3D打印進入亞秒級時代 | 前沿動態(tài)

原文發(fā)表于 《科技導報》2026年第4期科技新聞-前沿動態(tài)

“反向設計光場”讓3D打印進入亞秒級時代

系統(tǒng)設計流程（圖片來源：Nature）

3D打印技術(shù)的性能突破關乎生物醫(yī)學、微納科技、先進制造等前沿領域發(fā)展。清華大學戴瓊海團隊通過一種創(chuàng)新的光學操控方案，0.6 s即可完成毫米尺寸復雜物體的高分辨率三維打印，刷新了3D打印速度的紀錄。2026年2月12日，相關研究成果發(fā)表于Nature。

3D打印應用廣泛，但一直存在“速度和精度”的煩惱。傳統(tǒng)逐點、逐層三維打印技術(shù)雖能保障精度，但打印效率較低，毫米級物體往往需要數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時才能完成加工。此外，層間界面還可能影響結(jié)構(gòu)強度與光學均勻性。

近年來興起的“體積打印”（volumetric printing）嘗試繞開逐層限制。其思路是：通過多角度光場投射，在光敏材料內(nèi)部累積能量，當能量閾值達到時，目標結(jié)構(gòu)在整個體積中同時固化。理論上，這種方式可以在極短時間內(nèi)完成復雜結(jié)構(gòu)制造。然而，體積打印面臨一個關鍵難題——如何精確設計光場？

在傳統(tǒng)光學成像中，物體經(jīng)過光學系統(tǒng)后形成圖像，這是一個“正向傳播”過程；而在三維打印中，問題被反轉(zhuǎn)——研究者已知目標三維結(jié)構(gòu)，需要反推出一組光場分布，使材料在特定體素區(qū)域固化。

為解決這一問題，研究團隊構(gòu)建了高精度的光傳播模型，并引入自適應光學校準、像差矯正算法與全息算法，對光場進行多維調(diào)制與編碼設計，使光能在空間中精確疊加。簡單來說，他們不是“照亮一個形狀”，而是設計一束會在材料內(nèi)部自行拼接成目標結(jié)構(gòu)的光。該方法將同參數(shù)條件的景深從傳統(tǒng)的50 μm拓展至1 cm。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)的光學分辨率在1 cm范圍內(nèi)始終保持11 μm，打印產(chǎn)物最細獨立特征可達12 μm。團隊提出用高速旋轉(zhuǎn)的“潛望鏡”把投影方向繞著靜止容器掃過，從而在幾百毫秒內(nèi)完成多視角照明的劑量累積，曝光時間可達0.6 s，并報道最高體積打印速率 333 mm3/s（約 1.25×108體素/s）。

這項技術(shù)的另一優(yōu)勢是其對打印容器的要求極為簡便，僅需容器具備一個光學平面，打印中容器保持靜止即可，無需進行高精度相對運動。這極大拓展了打印場景，特別是可直接在普通流體管道內(nèi)放置打印材料，實現(xiàn)流體環(huán)境中的批量、連續(xù)打印。

研究團隊介紹，作為多學科交叉研究成果，該技術(shù)將在生物學領域用生物相容性材料打印模擬血管的螺旋管、分叉管，甚至在培養(yǎng)皿、生物組織上“原位打印”，為組織工程、高通量藥物篩選打開新通道；在工程制造領域，它有望融入流水線，批量生產(chǎn)光子計算器件、手機相機模組等微型組件，打印帶有尖銳角度、復雜曲面的零件等。它還有望在容器內(nèi)堆疊不同功能的材料，實現(xiàn)“多材料打印”，從而拓展到柔性電子、微型機器人、高分辨率組織模型等場景。

（綜合：清華大學官網(wǎng)、新華網(wǎng)、《光明日報》）

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