清華顛覆3D打??！0.6秒成型毫米級精密結構，速度狂飆上億體素

3D 打印從開始到完成需要多久？

以毫米級物體為例，逐點和逐層打印需要長達數分鐘到數小時的時間進行加工，典型的體積 3D 打印也需要數十秒曝光時間。

現在一切發生了神奇的變化：科學家們發明了一種新技術，它讓 3D 打印像照相閃光燈那樣“咔嚓”一下，眨眼的功夫就完成了。并且，整個打印過程中材料和容器都是靜止的，而不是像傳統 3D 打印那樣容器與探頭之間需要相對運動。

動圖 | 一秒以內完成的三維打印（來源：Nature）

那么，它是如何做到的？

這項研究來自清華大學戴瓊海院士、吳嘉敏副教授和方璐教授團隊，他們開發了一種全息光場數字合成的體積 3D 打印技術——數字非相干全息光場合成（DISH，digital incoherent synthesis of holographic light fields）。

值得關注的是，該研究是體積 3D 打印領域首次毫米（mm）結構尺度上，同時實現了亞秒級速度和十微米級分辨率。

以生成體積約 200 mm3 的樣品為例，據測算，DISH 技術的 3D 打印曝光時間僅 0.6 秒（s），體積打印速率為 333 mm3/s，相當于每秒生成上億（1.25×10?）個體素（注：體素指的是三維空間中的體積像素）。并且，在 1 厘米范圍內保持 11 微米的投影分辨率和 19 微米的打印分辨率。

這項技術為高速、個性化地 3D 打印微小精密的結構提供了一種全新方案，例如人造血管、微型光學鏡片、定制化藥物篩選模型等。審稿人認為該研究是體積增材制造領域的一項重要進展，并稱其是“迄今為止報道的最快體積 3D 打印時間”。

相關論文以《基于全息光場合成的亞秒級體積三維打印》（Sub-second Volumetric 3D Printing by Synthesis of Holographic Light Fields）為題發表在 Nature[1]。清華大學成像與智能技術實驗室的戴瓊海院士、吳嘉敏副教授和電子系方璐教授擔任共同通訊作者，博士后王旭康、博士后馬遠矚和博士生牛一涵是共同一作。

圖丨相關論文（來源：Nature）

從“看見”三維到“造出”三維：把成像流程徹底反過來

清華大學成像與智能技術實驗室長期深耕于計算光學領域，十余年來在顯微成像、天文成像、光計算等多個方向取得了突出成果與廣泛應用。

顯微成像光路的基本操作流程是：從生物樣本拍到多角度投影圖，再通過光場三維重建算法，最后得到計算機上的三維模型。而這項研究起源于研究人員的反向思維：如果將光路操作的常規流程反過來操作會怎樣？

也就是說，先有三維模型，然后通過算法將其轉化成多視角投影，最后在容器中投影出高維光場，創造三維實體。

“我們當時初步討論出這個想法的時候非常激動，如果能通過材料或其他化學反應響應三維光分布，那就很有可能利用光場構建物體?！蓖跣窨祵?DeepTech 表示。

圖丨王旭康（來源：王旭康）

“一閃即印”的關鍵：直接三維光場投影

3D 打印領域存在著一個天然的矛盾，如果精度高，速度通常相對較慢，例如雙光子微納加工；如果追求速度，打印出來的物品往往很粗糙，比如建筑類 3D 打印。

這是因為傳統 3D 打印方法采用的是逐點或逐層方式，其依次投影出來的是一個點（零維）或一個面（二維），然后再配合機械移動完成三維打印。其打印時間一般取決于線掃描、層掃描速度和材料填充的速度，總加工時間往往在幾分鐘到幾小時。

2019 年在 Science 發表的領域內首篇關于體積三維打印論文 [2] 中，光束從側面射入一個旋轉運動的圓柱形容器，實現了類似 CT 的投影模式（用垂直于旋轉軸的多視角成像還原三維模型），將總曝光時間縮短到了 30 秒左右。

而清華的這項研究最大的創新在于，研究團隊設計了高速旋轉的潛望鏡系統，直接在靜止容器內投出高精度三維光場，不僅將總曝光時間縮短到了 1 秒以內，還避免了因容器運動引發的機械振動以及材料流動問題。

“我們提出了一種全新的、直接三維投影的方式，相當于跳過了所有材料相關的機械掃描步驟，整個容器是靜止不動的。”馬遠矚告訴 DeepTech。

圖丨系統設計圖（來源：Nature）

在精度優化方面，為打破“高分辨率難以大景深”的物理限制，研究團隊基于在計算光學方面多年的技術積累，通過數字自適應光學方法，先把投影校準精度提高到 2 個投影像素，然后將光路中的像差建模并校正，最后用全息算法對景深進行拓展。這種拓展景深的全息光場技術，為快速打印上億級體素奠定了重要基礎。

研究人員搭建的高速旋轉的潛望鏡系統專為高速打印設計，能以 10 轉/秒的速度，投射由數字微鏡器件（DMD，Digital Micromirror Device）調制的高分辨率圖案光束。

DMD 能以超過 17,000 赫茲的頻率快速切換圖案，在 0.06 秒內投影 1,000 幀，非常適合高速打印場景。但是，DMD 只能原生投射出二值圖案（注：僅含亮和暗兩種像素狀態，無灰度漸變），對算法提出了更高的要求。

王旭康舉例說道：“因為 DMD 只能投影二值圖案，且系統不同時刻投影出的光束之間缺少相干性，我們不能將灰度圖像直接用 DMD 投影出來?？紤]到 DMD 這一硬件方面的不足，我們設計了一套優化算法能夠擬合灰度的光強分布，通過解決二值全息問題實現了相對理想的投影效果?！?/p>

基于這些探索，該系統將景深拓展到 1 厘米，遠超同條件下傳統物鏡景深 50 微米范圍。并且，在整個 1 厘米范圍內，光學分辨率穩定保持在平均 11 微米的水平，打印產物最細獨立特征達 12 微米。

除此之外，傳統的體積三維打印技術往往需要非常粘稠的材料，原因在于：一方面可抑制打印過程中的樣本下沉，另一方面能夠防止容器在旋轉時因慣性發生的材料流動，從而避免樣本變形和投影錯位。

DISH 技術超短曝光時間帶來的顯著變化是，在曝光固化期間，只有光束在高速移動，而容器和材料無需移動，所以顯著削弱了材料流動的影響。

因此，該系統可兼容多種粘度的材料，從與水粘度接近的稀溶液到接近固態的高粘度樹脂等，再到包括多種生物水凝膠和彈性體在內的光固化材料，以適應流控系統或其他應用場景。

（來源：Nature）

馬遠矚指出，“此前傳統體積打印為解決地面重力帶來的材料流動問題，科研人員甚至嘗試在太空微重力環境下開展打印研究。我們技術的特異化優勢之一在于，基于超短曝光時間的優勢，讓光固化化學反應先于材料重力流動完成。”

或創造微精密打印更多可能

同時滿足了速度、精度和材料適應性這三個長期彼此制約的因素，就像解鎖了體積 3D 打印的應用邊界，這讓更多應用成為了可能。

在現有技術中，工業開模具適合大批量制造，但其只能同批制造相同結構；雙光子可以做得很精、很小，但速度方面具有局限性。與現有技術不同的是，這項技術為研究領域或工業測試中，快速、連續、定制化打印各種微小精密的結構提供了一種新方法。

（來源：Nature）

該技術可用生物相容性材料打印生物實驗載體，例如模擬血管的螺旋管、分叉管，可以在培養皿、生物組織上原位打??；還有望在微型載體中精確編排多種藥物及濃度梯度，一次性制備數千個濃度連續變化的細胞培養載體，從而實現快速、高通量的藥物篩選。

在工程制造領域，該技術有望通過流水線方式批量生產光子計算器件、手機相機模組等微型組件、帶有尖銳角度和復雜曲面的零件等。

王旭康指出，“我們的方案可以讓待打印材料直接流到管道內，然后算出需要投影的圖案，從而立即針對目標形狀進行快速、批量地進行定制化打印結構?！?/p>

該技術通過流體管道加工，有望制造傳統打印中難以實現的多層懸空嵌套等，并有可能進一步將應用場景拓展至柔性電子、微型機器人、高分辨率組織模型等領域。

圖丨復雜結構打印產物展示（來源：Nature）

在后續的研究中，研究團隊希望通過性能方面持續提升和方法優化，讓該方法盡早在實際場景中應用。他們計劃改進投影思路，通過投出多束光甚至不同顏色的光束，來實現對復雜材料的精準控制。此外，針對多材料打印或直接在已有結構上做修飾依賴實時三維監控技術，目前研究人員正在對實時監視系統持續優化中。

總體而言，亞秒級體積 3D 打印的意義并不僅體現在速度和分辨率。它意味著，3D 制造正在從依賴高精度機械掃描的過程，轉向由光場直接定義結構的方式。

參考資料：

1.https://www.nature.com/articles/s41586-026-10114-5

2.https://doi.org/10.1126/science.aau7114

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