原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報(bào)》2026年第4期科技新聞-前沿動(dòng)態(tài)

“反向設(shè)計(jì)光場(chǎng)”讓3D打印進(jìn)入亞秒級(jí)時(shí)代

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程（圖片來(lái)源：Nature）

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

3D打印應(yīng)用廣泛，但一直存在“速度和精度”的煩惱。傳統(tǒng)逐點(diǎn)、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(jí)物體往往需要數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)才能完成加工。此外，層間界面還可能影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與光學(xué)均勻性。

近年來(lái)興起的“體積打印”（volumetric printing）嘗試?yán)@開逐層限制。其思路是：通過(guò)多角度光場(chǎng)投射，在光敏材料內(nèi)部累積能量，當(dāng)能量閾值達(dá)到時(shí)，目標(biāo)結(jié)構(gòu)在整個(gè)體積中同時(shí)固化。理論上，這種方式可以在極短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。然而，體積打印面臨一個(gè)關(guān)鍵難題——如何精確設(shè)計(jì)光場(chǎng)？

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

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了高精度的光傳播模型，并引入自適應(yīng)光學(xué)校準(zhǔn)、像差矯正算法與全息算法，對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行多維調(diào)制與編碼設(shè)計(jì)，使光能在空間中精確疊加。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他們不是“照亮一個(gè)形狀”，而是設(shè)計(jì)一束會(huì)在材料內(nèi)部自行拼接成目標(biāo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的光學(xué)分辨率在1 cm范圍內(nèi)始終保持11 μm，打印產(chǎn)物最細(xì)獨(dú)立特征可達(dá)12 μm。團(tuán)隊(duì)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(guò)，從而在幾百毫秒內(nèi)完成多視角照明的劑量累積，曝光時(shí)間可達(dá)0.6 s，并報(bào)道最高體積打印速率 333 mm3/s（約 1.25×108體素/s）。

這項(xiàng)技術(shù)的另一優(yōu)勢(shì)是其對(duì)打印容器的要求極為簡(jiǎn)便，僅需容器具備一個(gè)光學(xué)平面，打印中容器保持靜止即可，無(wú)需進(jìn)行高精度相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這極大拓展了打印場(chǎng)景，特別是可直接在普通流體管道內(nèi)放置打印材料，實(shí)現(xiàn)流體環(huán)境中的批量、連續(xù)打印。

研究團(tuán)隊(duì)介紹，作為多學(xué)科交叉研究成果，該技術(shù)將在生物學(xué)領(lǐng)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(lǐng)域，它有望融入流水線，批量生產(chǎn)光子計(jì)算器件、手機(jī)相機(jī)模組等微型組件，打印帶有尖銳角度、復(fù)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(shí)現(xiàn)“多材料打印”，從而拓展到柔性電子、微型機(jī)器人、高分辨率組織模型等場(chǎng)景。

（綜合：清華大學(xué)官網(wǎng)、新華網(wǎng)、《光明日?qǐng)?bào)》）

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