想软就软，想硬就硬，3D打印同种材料软硬可调，2026年首篇3D打印《Science》论文

导读：刚刚过去的一个月内，3D打印领域在国际顶尖期刊《Nature》杂志发表两篇论文，在另一个顶尖期刊《Science》杂志上也发了一篇。

2026年1月31日，南极熊获悉，Sandia National Laboratories 联合多所高校在顶级期刊《Science》 上发表了一项突破性研究，推出名为 CRAFT 的新型3D打印技术。 科学家们巧妙地利用光照强度的变化，在微观层面精准操控热塑性塑料的分子排列， 成功打破了传统制造中材料“非软即硬”的单一属性限制，为未来软体机器人、智能护具及高性能减震材料的制造开辟了前所未有的路径。

研究背景

聚乙烯等半结晶热塑性塑料占据了全球约30%的塑料市场。这类材料有一个核心特性：结晶度决定材料性质。高结晶度让材料坚硬强韧（如高密度聚乙烯 HDPE），低结晶度让材料柔软易延展（如低密度聚乙烯 LDPE）。

当下的制造策略，无论是传统的注塑成型，还是新兴的3D打印，往往只能制造出属性单一的物体。一旦材料选定，打印出来的成品要么整体是硬的，要么整体是软的。想要在一个连续的物体内部，像画素描一样精准控制哪里硬、哪里软，一直是个巨大的挑战。

CRAFT技术：光影魔术手

为了解决这一难题，来自 Sandia National Laboratories 和 The University of Texas at Austin 的研究团队开发出一种全新的光基制造方法，命名为 CRAFT （Lithographic Crystallinity Regulation in Additive Fabrication of Thermoplastics，热塑性塑料增材制造中的光刻结晶度调节）。

这项技术的意义在于，它彻底改变了对3D打印材料属性的控制方式。 研究人员不再需要更换不同的墨水或通过复杂的物理拼接来获得不同的机械性能。 他们 只需要调节打印时的光照强度，就能在微观层面“指挥”分子的排列方式 。

△通过光照强度控制聚环辛烯 (pCOE) 的立体化学和结晶度百分比：(A) 示意图：展示了利用光引发开环易位聚合 (photoROMP) 系统，偶然发现光照可以控制 pCOE 的结晶度 和立体化学结构。(B) 代表性光流变行为：COE 树脂在经历最初 30 秒的黑暗期后，暴露于 8 到 128 mW cm⁻² 范围的连续光照下。图中出现的两个模量平台期分别归因于材料的初始固化和随后的结晶过程。(C) 差示扫描量热 (DSC) 曲线：展示了在不同光照强度下固化的 pCOE 样品的热学性质。所有光照均使用中心波长为 365 nm 的 LED 进行。

光照强弱决定分子命运

研究团队使用一种名为 photoROMP（光引发开环易位聚合）的化学反应体系，并选用顺式环辛烯（COE）作为单体。其中的科学原理非常巧妙： 光照剂量直接控制聚合物的立体化学结构。

• 低强度光照 ：化学反应较慢，分子链有足够的时间和自由度整齐排列，形成高结晶度的区域，材料表现出类似 HDPE 的刚性和强度。

• 高强度光照 ：反应迅速，分子链来不及整齐堆叠就被“冻结”在混乱状态，形成低结晶度甚至无定形的区域，材料则表现出类似 LDPE 的柔软和延展性。

这一发现表明，利用现有的灰度光刻3D打印机（DLP）， 通过投射不同灰度的图案，就能在体素（3D像素）级别上精准调控材料的光学和机械性能 。

△光编码立体控制的机理：(A) 简化机理示意图：阐述了光照强度如何控制最终聚合物的立体化学结构。(B) 转化率与反式含量演变：COE 反应混合物在连续暴露于高强度 (168 mW cm⁻²) 或低强度 (11 mW cm⁻²) 光照 2 小时期间，其转化率和反式聚环辛烯含量随时间的变化。(C) 脉冲光照实验：COE 反应混合物在暴露于 10 秒的高强度或低强度光脉冲后，转化率和反式含量的演变过程。(D) 分子量演变 (SEC 曲线)：展示了在使用 10 或 100 mW cm⁻² 光照 20 秒后，即刻、3 小时和 72 小时的分子量和分散度的变化。

从硬壳海龟到变色龙结构

研究人员打印了一系列复杂的演示样品，证明了该技术：

△结晶度的灰度图案化

•研究人员制造了一只微型海龟，海龟的背壳部分坚硬（高结晶度），而身体和四肢部分则柔软有弹性（低结晶度），整个结构是使用同一种树脂原料一次性打印完成的。实验数据显示，通过改变光照强度，材料的杨氏模量可以发生跨越式的变化。

•团队印出了具有“结构色”效果的蒙娜丽莎像，利用结晶度不同导致的光学透明度差异来呈现图像。

•团队展示了名为“Bouligand”（旋转堆叠的层状结构）的仿生结构（模拟皮皮虾的强韧外壳），通过交替打印硬层和软层，显著提升了材料的能量耗散能力和抗冲击性能。

△利用光刻 CRAFT 技术进行多材料 3D 打印

未来展望：智能材料的新篇章

这项名为 CRAFT 的 3D 打印技术，通过光照强度精准调控单一材料的结晶度，实现了从硬质塑料到软弹橡胶的无缝转换，并成功制造出具有复杂力学性能的仿生结构（如海龟壳、皮皮虾结构）。此技术突破了传统多材料打印的界面结合难题，未来有望在软体机器人、个性化医疗护具及高性能减震材料领域实现广泛应用，为单材多性制造开辟了新路径。