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0.25秒成型，实现热固性材料空中3D打印！

柔性电子与软体机器人正迅速成为智能制造与未来科技的重要方向，其中热固性材料因其出色的机械强度、耐热性与化学稳定性而被广泛应用。然而，这类材料的三维打印一直面临巨大挑战：传统热固性树脂粘度高、固化慢，打印时容易塌陷或变形，往往需要支撑介质辅助成型。这不仅增加了工艺复杂度，也限制了结构设计自由度和材料可调性。如何在无支撑条件下实现自由悬空的热固性结构打印，成为该领域长期未解的技术瓶颈。

在此，厦门大学吴德志教授联合加州大学伯克利分校林立伟教授合作，创新性提出了激光辅助直写式三维打印（ISLI）方法，通过在打印过程中引入“激光原位固化”，成功实现了热固性材料的快速成型和复杂结构的自支撑打印。该方法在打印喷头附近聚焦1064 nm激光束，利用强烈的光热效应在0.25秒内完成固化，打印精度高达50 μm，机械性能可调范围达10倍、电性能可调达20倍。展示了从柔性传感器、梯度刚度电子器件到三维磁驱动软体机器人的多样应用。研究成果以“Laser-assisted direct three-dimensional printing of free-standing thermoset devices”为题发表在《Nature Electronics》，第一作者为 Qibin Zhuang。

激光“秒固化”：热固性材料的空中成型革命

在传统的直接墨水书写（DIW）打印中，材料必须通过物理支撑或长时间加热才能固化。本文的突破在于——让激光成为“移动固化炉”。打印过程中，研究人员将一束功率10 W的1064 nm激光聚焦在喷嘴前方约4毫米处，激光在聚合物喷流上产生局部高温区，使热固性树脂瞬间交联固化。这一过程如同“边喷边烤”：墨滴一经喷出就被激光加热至300°C，实现液态到固态的快速转变。由此，打印的线条能够在空中自立成型，不再需要任何支撑材料（图1a）。团队进一步通过调整激光功率密度（LPD）控制材料的交联程度，实现了可调刚度梯度结构——即在同一打印件中既可拥有柔软区域，也可设计高刚度部分，为柔性电子提供结构调控自由度（图1c）。

图1：激光辅助直写打印原理及设备示意

“0.25秒”凝固奇迹：从一天到一瞬的跨越

传统PDMS材料在室温下完全固化需48小时，即使加热也要数小时。ISLI打印将这一时间压缩至不到1秒。研究团队利用激光局部升温，使聚合物温度在0.2秒内从60°C升至150°C，3秒内可达300°C（图2c）。固化深度、线径、速度三者被精确调控，实现高分辨率（50 μm）与高结构稳定性的统一。红外光谱与热分析（图2e,f）显示，激光固化样品的化学结构与常规加热固化完全一致，固化程度高达98.85%，机械强度充足，可支撑20 mm跨度的悬空打印线条而无下垂（图2d）。这意味着，过去需要模具、烘箱才能完成的热固化工艺，如今可在打印机喷头下“实时完成”。

图2：激光固化过程与热分析验证

自由构型：打印“空中金字塔”与“悬浮花朵”

当固化时间缩短到毫秒级后，3D打印的想象力被彻底释放。研究团队展示了多种无支撑结构：从倾斜角70°的四面体金字塔，到悬空“桥梁”式梯形结构、弯曲花瓣状“空中花朵”、乃至多层盘旋的“立体树枝”，都能在数十秒内打印完成（图3a–e）。这些作品并非展示用“模型”，而是真正的功能性热固性结构。更令人惊喜的是，团队还打印出含红色、黑色、白色颜料的多材料版本（图3l），只需调整激光功率即可在不同墨水间切换固化参数，实现多材料一体化打印。无论是PDMS、Ecoflex还是聚氨酯（PU），甚至是聚酰亚胺（PI），该工艺均能适用，为柔性器件制造提供前所未有的通用性。

图3a–l：多种悬空自支撑热固性结构

可拉伸电子：让“软硬兼施”成为现实

传统柔性电子在拉伸时容易在“硬-软”交界处断裂。团队利用ISLI打印的梯度刚度基底完美解决了这一问题。他们设计了一个“刚中带柔”的PDMS基底：中央刚度1.5 MPa用于支撑元件，两侧柔软区域仅0.15 MPa，可在变形时吸收应力（图4a）。当液态金属导线嵌入其中后，50%拉伸测试中，均匀基底电阻变化达70%，梯度基底仅1.8%（图4b）。这种设计显著延长了器件寿命。进一步，研究团队将温度传感与应变传感器集成在指套上，佩戴者可实时识别物体温度和形变（图4d–f）。无论是握冰瓶、拿乒乓球还是触摸热杯，传感系统都能稳定输出信号而无断裂——这项成果为可穿戴传感、人工皮肤和人机交互系统提供了新的材料基础。

图4：梯度刚度柔性电子及指套演示

高灵敏柔性传感器：打印出的“电子皮肤”

借助激光原位固化，团队还构建出多层网格状导电PDMS/MWCNTs柔性传感器（图5a,b）。这种“层层堆叠”的微结构可在微小压力下产生显著电流变化，灵敏度高达16.4 kPa⁻¹，响应时间仅90毫秒，检测下限156 Pa，甚至能感知篮球击地的瞬时冲击。在动态测试中，该传感器可稳定工作1500次循环而无衰减（图5f），并成功贴附于运动员手腕与鞋面，实时监测行走、跑动、运球、投篮等动作信号（图5g,h）。这意味着未来柔性可穿戴设备有望实现“无延迟感知”，助力运动健康监测与智能假肢控制。

图5：高灵敏柔性压力传感器

软体机器人：磁场驱动的微型“蝴蝶与弹簧”

除了电子器件，ISLI技术也打开了软体机器人的新维度。研究团队将NdFeB磁性颗粒加入PDMS基体，打印出可磁响应的柱阵、仿生蝴蝶与螺旋弹簧（图6a–c）。当施加100 mT磁场时，柱体阵列可同步弯曲，蝴蝶翅膀会拍动，而螺旋弹簧机器人则可在磁场作用下实现翻转、滚动乃至定向爬行。更令人振奋的是，研究团队还在模拟血管模型中展示了“磁驱动药物递送”实验：螺旋机器人在液体通道中灵活穿行，能跨越障碍、分支并精准抵达目标点（图6d）。这种自由度极高的“打印软体生命体”展示了生物医学和微操作领域的无限潜能。

图6：磁驱动软体机器人及血管导航演示

总结与展望

本文展示的的激光辅助直写打印技术，首次让热固性材料摆脱了模具与支撑的束缚，实现了真正意义上的“自由三维打印”。该方法不仅兼容多种高性能树脂，还能实时调控刚度、电导和磁响应特性，从柔性电子、智能传感到软体机器人皆可一体化制造。未来，这项技术有望在医疗器械、航空航天乃至微型机器人领域发挥关键作用，为“打印一切”的新时代奠定坚实基础。