通過(guò)高速旋轉的潛望鏡，四面八方的光打在光敏材料上，經(jīng)過(guò)光固化反應，1秒內即可“打印”毫米尺寸物體……近日，經(jīng)過(guò)5年攻關(guān)，中國工程院院士戴瓊海教授帶領(lǐng)的清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗室團隊研發(fā)出計算全息光場(chǎng)3D打印技術(shù)，生成毫米尺寸復雜結構的曝光時(shí)間僅需0.6秒，較傳統體積3D打印曝光速度提升數十倍。北京時(shí)間2月12日，相關(guān)研究成果以“基于全息光場(chǎng)合成的亞秒級體積三維打印”為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

論文共同通訊作者、清華大學(xué)副教授吳嘉敏介紹，傳統3D打印一般以逐點(diǎn)、逐層打印的方式進(jìn)行，毫米級物體往往需數十分鐘乃至數小時(shí)才能完成加工；此前，科學(xué)家提出了計算軸向光刻等體積打印技術(shù)，提升了打印速度，但受限于容器需旋轉、景深不足等因素，樣本在景深外的打印精度顯著(zhù)下降，且只能使用高粘度材料防止樣品下沉，適用范圍受較大限制。

相比之下，團隊提出的計算全息光場(chǎng)3D打印新技術(shù)，創(chuàng )新了光學(xué)系統設計，通過(guò)高速旋轉潛望鏡，無(wú)需旋轉樣品，即可生成高分辨率的三維光場(chǎng)分布，進(jìn)而構建三維實(shí)體。

據介紹，該技術(shù)取得多項突破——

刷新速度：新技術(shù)突破逐點(diǎn)、逐層掃描的瓶頸，能快速精準投影復雜三維光場(chǎng)，實(shí)驗表明，該技術(shù)生成毫米尺寸復雜結構的曝光時(shí)間僅需0.6秒，體積打印速率達每秒333立方毫米。

兼容更多打印材料：由于曝光時(shí)間極短，曝光期間產(chǎn)物下沉等因素對成型質(zhì)量的影響大幅削弱，新技術(shù)能夠兼容從近水粘度的稀溶液到高粘度樹(shù)脂等多種材料。

拓展打印場(chǎng)景：新技術(shù)的打印容器無(wú)需特殊形狀設計，且打印時(shí)容器保持靜止、無(wú)需高精度的機械運動(dòng)，這大幅拓展了打印場(chǎng)景，尤其是能夠直接在帶有光學(xué)平面的管道內放置打印材料，實(shí)現流體管道中的批量、連續打印。

此外，通過(guò)自適應光學(xué)校準、像差矯正算法與全息算法的深度融合等，解決了傳統打印技術(shù)普遍存在的焦面附近精度高、離焦區域精度衰減的問(wèn)題。

吳嘉敏介紹，未來(lái)，在生物學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)能夠用生物相容性材料打印模擬血管的螺旋管、分叉管，甚至在培養皿、生物組織上“原位打印”，為組織工程、高通量藥物篩選打開(kāi)新通道；在工程制造領(lǐng)域，有望融入流水線(xiàn)，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；通過(guò)在容器內堆疊不同功能的材料，還有望實(shí)現多材料打印，從而拓展到柔性電子、微型機器人、高分辨率組織模型等場(chǎng)景。