通過高速旋轉(zhuǎn)的潛望鏡，四面八方的光打在光敏材料上，經(jīng)過光固化反應(yīng)，1秒內(nèi)即可“打印”毫米尺寸物體……近日，經(jīng)過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(yàn)室團(tuán)隊(duì)研發(fā)出計(jì)算全息光場3D打印技術(shù)，生成毫米尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的曝光時(shí)間僅需0.6秒，較傳統(tǒng)體積3D打印曝光速度提升數(shù)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(tǒng)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(shù)十分鐘乃至數(shù)小時(shí)才能完成加工；此前，科學(xué)家提出了計(jì)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(zhuǎn)、景深不足等因素，樣本在景深外的打印精度顯著下降，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(tuán)隊(duì)提出的計(jì)算全息光場3D打印新技術(shù)，創(chuàng)新了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過高速旋轉(zhuǎn)潛望鏡，無需旋轉(zhuǎn)樣品，即可生成高分辨率的三維光場分布，進(jìn)而構(gòu)建三維實(shí)體。

據(jù)介紹，該技術(shù)取得多項(xiàng)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(zhǔn)投影復(fù)雜三維光場，實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)生成毫米尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的曝光時(shí)間僅需0.6秒，體積打印速率達(dá)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脂等多種材料。

拓展打印場景：新技術(shù)的打印容器無需特殊形狀設(shè)計(jì)，且打印時(shí)容器保持靜止、無需高精度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這大幅拓展了打印場景，尤其是能夠直接在帶有光學(xué)平面的管道內(nèi)放置打印材料，實(shí)現(xiàn)流體管道中的批量、連續(xù)打印。

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

吳嘉敏介紹，未來，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(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，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；通過在容器內(nèi)堆疊不同功能的材料，還有望實(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景。