清华颠覆3D打印！0.6秒成型毫米级精密结构，速度狂飙上亿体素

3D 打印从开始到完成需要多久？

以毫米级物体为例，逐点和逐层打印需要长达数分钟到数小时的时间进行加工，典型的体积 3D 打印也需要数十秒曝光时间。

现在一切发生了神奇的变化：科学家们发明了一种新技术，它让 3D 打印像照相闪光灯那样“咔嚓”一下，眨眼的功夫就完成了。并且，整个打印过程中材料和容器都是静止的，而不是像传统 3D 打印那样容器与探头之间需要相对运动。

动图 | 一秒以内完成的三维打印（来源：Nature）

那么，它是如何做到的？

这项研究来自清华大学戴琼海院士、吴嘉敏副教授和方璐教授团队，他们开发了一种全息光场数字合成的体积 3D 打印技术——数字非相干全息光场合成（DISH，digital incoherent synthesis of holographic light fields）。

值得关注的是，该研究是体积 3D 打印领域首次毫米（mm）结构尺度上，同时实现了亚秒级速度和十微米级分辨率。

以生成体积约 200 mm³ 的样品为例，据测算，DISH 技术的 3D 打印曝光时间仅 0.6 秒（s），体积打印速率为 333 mm³/s，相当于每秒生成上亿（1.25×10⁸）个体素（注：体素指的是三维空间中的体积像素）。并且，在 1 厘米范围内保持 11 微米的投影分辨率和 19 微米的打印分辨率。

这项技术为高速、个性化地 3D 打印微小精密的结构提供了一种全新方案，例如人造血管、微型光学镜片、定制化药物筛选模型等。审稿人认为该研究是体积增材制造领域的一项重要进展，并称其是“迄今为止报道的最快体积 3D 打印时间”。

相关论文以《基于全息光场合成的亚秒级体积三维打印》（Sub-second Volumetric 3D Printing by Synthesis of Holographic Light Fields）为题发表在 Nature[1]。清华大学成像与智能技术实验室的戴琼海院士、吴嘉敏副教授和电子系方璐教授担任共同通讯作者，博士后王旭康、博士后马远瞩和博士生牛一涵是共同一作。

图丨相关论文（来源：Nature）

从“看见”三维到“造出”三维：把成像流程彻底反过来

清华大学成像与智能技术实验室长期深耕于计算光学领域，十余年来在显微成像、天文成像、光计算等多个方向取得了突出成果与广泛应用。

显微成像光路的基本操作流程是：从生物样本拍到多角度投影图，再通过光场三维重建算法，最后得到计算机上的三维模型。而这项研究起源于研究人员的反向思维：如果将光路操作的常规流程反过来操作会怎样？

也就是说，先有三维模型，然后通过算法将其转化成多视角投影，最后在容器中投影出高维光场，创造三维实体。

“我们当时初步讨论出这个想法的时候非常激动，如果能通过材料或其他化学反应响应三维光分布，那就很有可能利用光场构建物体。”王旭康对 DeepTech 表示。

图丨王旭康（来源：王旭康）

“一闪即印”的关键：直接三维光场投影

3D 打印领域存在着一个天然的矛盾，如果精度高，速度通常相对较慢，例如双光子微纳加工；如果追求速度，打印出来的物品往往很粗糙，比如建筑类 3D 打印。

这是因为传统 3D 打印方法采用的是逐点或逐层方式，其依次投影出来的是一个点（零维）或一个面（二维），然后再配合机械移动完成三维打印。其打印时间一般取决于线扫描、层扫描速度和材料填充的速度，总加工时间往往在几分钟到几小时。

2019 年在 Science 发表的领域内首篇关于体积三维打印论文 [2] 中，光束从侧面射入一个旋转运动的圆柱形容器，实现了类似 CT 的投影模式（用垂直于旋转轴的多视角成像还原三维模型），将总曝光时间缩短到了 30 秒左右。

而清华的这项研究最大的创新在于，研究团队设计了高速旋转的潜望镜系统，直接在静止容器内投出高精度三维光场，不仅将总曝光时间缩短到了 1 秒以内，还避免了因容器运动引发的机械振动以及材料流动问题。

“我们提出了一种全新的、直接三维投影的方式，相当于跳过了所有材料相关的机械扫描步骤，整个容器是静止不动的。”马远瞩告诉 DeepTech。

图丨系统设计图（来源：Nature）

在精度优化方面，为打破“高分辨率难以大景深”的物理限制，研究团队基于在计算光学方面多年的技术积累，通过数字自适应光学方法，先把投影校准精度提高到 2 个投影像素，然后将光路中的像差建模并校正，最后用全息算法对景深进行拓展。这种拓展景深的全息光场技术，为快速打印上亿级体素奠定了重要基础。

研究人员搭建的高速旋转的潜望镜系统专为高速打印设计，能以 10 转/秒的速度，投射由数字微镜器件（DMD，Digital Micromirror Device）调制的高分辨率图案光束。

DMD 能以超过 17,000 赫兹的频率快速切换图案，在 0.06 秒内投影 1,000 帧，非常适合高速打印场景。但是，DMD 只能原生投射出二值图案（注：仅含亮和暗两种像素状态，无灰度渐变），对算法提出了更高的要求。

王旭康举例说道：“因为 DMD 只能投影二值图案，且系统不同时刻投影出的光束之间缺少相干性，我们不能将灰度图像直接用 DMD 投影出来。考虑到 DMD 这一硬件方面的不足，我们设计了一套优化算法能够拟合灰度的光强分布，通过解决二值全息问题实现了相对理想的投影效果。”

基于这些探索，该系统将景深拓展到 1 厘米，远超同条件下传统物镜景深 50 微米范围。并且，在整个 1 厘米范围内，光学分辨率稳定保持在平均 11 微米的水平，打印产物最细独立特征达 12 微米。

除此之外，传统的体积三维打印技术往往需要非常粘稠的材料，原因在于：一方面可抑制打印过程中的样本下沉，另一方面能够防止容器在旋转时因惯性发生的材料流动，从而避免样本变形和投影错位。

DISH 技术超短曝光时间带来的显著变化是，在曝光固化期间，只有光束在高速移动，而容器和材料无需移动，所以显著削弱了材料流动的影响。

因此，该系统可兼容多种粘度的材料，从与水粘度接近的稀溶液到接近固态的高粘度树脂等，再到包括多种生物水凝胶和弹性体在内的光固化材料，以适应流控系统或其他应用场景。

（来源：Nature）

马远瞩指出，“此前传统体积打印为解决地面重力带来的材料流动问题，科研人员甚至尝试在太空微重力环境下开展打印研究。我们技术的特异化优势之一在于，基于超短曝光时间的优势，让光固化化学反应先于材料重力流动完成。”

或创造微精密打印更多可能

同时满足了速度、精度和材料适应性这三个长期彼此制约的因素，就像解锁了体积 3D 打印的应用边界，这让更多应用成为了可能。

在现有技术中，工业开模具适合大批量制造，但其只能同批制造相同结构；双光子可以做得很精、很小，但速度方面具有局限性。与现有技术不同的是，这项技术为研究领域或工业测试中，快速、连续、定制化打印各种微小精密的结构提供了一种新方法。

（来源：Nature）

该技术可用生物相容性材料打印生物实验载体，例如模拟血管的螺旋管、分叉管，可以在培养皿、生物组织上原位打印；还有望在微型载体中精确编排多种药物及浓度梯度，一次性制备数千个浓度连续变化的细胞培养载体，从而实现快速、高通量的药物筛选。

在工程制造领域，该技术有望通过流水线方式批量生产光子计算器件、手机相机模组等微型组件、带有尖锐角度和复杂曲面的零件等。

王旭康指出，“我们的方案可以让待打印材料直接流到管道内，然后算出需要投影的图案，从而立即针对目标形状进行快速、批量地进行定制化打印结构。”

该技术通过流体管道加工，有望制造传统打印中难以实现的多层悬空嵌套等，并有可能进一步将应用场景拓展至柔性电子、微型机器人、高分辨率组织模型等领域。

图丨复杂结构打印产物展示（来源：Nature）

在后续的研究中，研究团队希望通过性能方面持续提升和方法优化，让该方法尽早在实际场景中应用。他们计划改进投影思路，通过投出多束光甚至不同颜色的光束，来实现对复杂材料的精准控制。此外，针对多材料打印或直接在已有结构上做修饰依赖实时三维监控技术，目前研究人员正在对实时监视系统持续优化中。

总体而言，亚秒级体积 3D 打印的意义并不仅体现在速度和分辨率。它意味着，3D 制造正在从依赖高精度机械扫描的过程，转向由光场直接定义结构的方式。

参考资料：

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

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

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