“反向設計光場”讓3D打印進入亞秒級時代 | 前沿動態

原文發表于 《科技導報》2026年第4期科技新聞-前沿動態

“反向設計光場”讓3D打印進入亞秒級時代

系統設計流程（圖片來源：Nature）

3D打印技術的性能突破關乎生物醫學、微納科技、先進制造等前沿領域發展。清華大學戴瓊海團隊通過一種創新的光學操控方案，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。傳統逐點、逐層三維打印技術雖能保障精度，但打印效率較低，毫米級物體往往需要數十分鐘甚至數小時才能完成加工。此外，層間界面還可能影響結構強度與光學均勻性。

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，在光敏材料內部累積能量，當能量閾值達到時，目標結構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完成復雜結構制造。然而，體積打印面臨一個關鍵難題——如何精確設計光場？

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

為解決這一問題，研究團隊構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部自行拼接成目標結構的光。該方法將同參數條件的景深從傳統的50 μm拓展至1 cm。經實驗驗證，系統的光學分辨率在1 cm范圍內始終保持11 μm，打印產物最細獨立特征可達12 μm。團隊提出用高速旋轉的“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）。

這項技術的另一優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放置打印材料，實現流體環境中的批量、連續打印。

研究團隊介紹，作為多學科交叉研究成果，該技術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。它還有望在容器內堆疊不同功能的材料，實現“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景。

（綜合：清華大學官網、新華網、《光明日報》）

《科技導報》創刊于1980年，中國科協學術會刊，主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的研究成果、權威性的科學評論、引領性的高端綜述，發表促進經濟社會發展、完善科技管理、優化科研環境、培育科學文化、促進科技創新和科技成果轉化的決策咨詢建議。常設欄目有院士卷首語、科技新聞、科技評論、本刊專稿、特色專題、研究論文、政策建議、科技人文等。