“反向设计光场”让3D打印进入亚秒级时代 | 前沿动态

原文发表于 《科技导报》2026年第4期科技新闻-前沿动态

“反向设计光场”让3D打印进入亚秒级时代

系统设计流程（图片来源：Nature）

3D打印技术的性能突破关乎生物医学、微纳科技、先进制造等前沿领域发展。清华大学戴琼海团队通过一种创新的光学操控方案，0.6 s即可完成毫米尺寸复杂物体的高分辨率三维打印，刷新了3D打印速度的纪录。2026年2月12日，相关研究成果发表于Nature。

3D打印应用广泛，但一直存在“速度和精度”的烦恼。传统逐点、逐层三维打印技术虽能保障精度，但打印效率较低，毫米级物体往往需要数十分钟甚至数小时才能完成加工。此外，层间界面还可能影响结构强度与光学均匀性。

近年来兴起的“体积打印”（volumetric printing）尝试绕开逐层限制。其思路是：通过多角度光场投射，在光敏材料内部累积能量，当能量阈值达到时，目标结构在整个体积中同时固化。理论上，这种方式可以在极短时间内完成复杂结构制造。然而，体积打印面临一个关键难题——如何精确设计光场？

在传统光学成像中，物体经过光学系统后形成图像，这是一个“正向传播”过程；而在三维打印中，问题被反转——研究者已知目标三维结构，需要反推出一组光场分布，使材料在特定体素区域固化。

为解决这一问题，研究团队构建了高精度的光传播模型，并引入自适应光学校准、像差矫正算法与全息算法，对光场进行多维调制与编码设计，使光能在空间中精确叠加。简单来说，他们不是“照亮一个形状”，而是设计一束会在材料内部自行拼接成目标结构的光。该方法将同参数条件的景深从传统的50 μm拓展至1 cm。经实验验证，系统的光学分辨率在1 cm范围内始终保持11 μm，打印产物最细独立特征可达12 μm。团队提出用高速旋转的“潜望镜”把投影方向绕着静止容器扫过，从而在几百毫秒内完成多视角照明的剂量累积，曝光时间可达0.6 s，并报道最高体积打印速率 333 mm³/s（约 1.25×108体素/s）。

这项技术的另一优势是其对打印容器的要求极为简便，仅需容器具备一个光学平面，打印中容器保持静止即可，无需进行高精度相对运动。这极大拓展了打印场景，特别是可直接在普通流体管道内放置打印材料，实现流体环境中的批量、连续打印。

研究团队介绍，作为多学科交叉研究成果，该技术将在生物学领域用生物相容性材料打印模拟血管的螺旋管、分叉管，甚至在培养皿、生物组织上“原位打印”，为组织工程、高通量药物筛选打开新通道；在工程制造领域，它有望融入流水线，批量生产光子计算器件、手机相机模组等微型组件，打印带有尖锐角度、复杂曲面的零件等。它还有望在容器内堆叠不同功能的材料，实现“多材料打印”，从而拓展到柔性电子、微型机器人、高分辨率组织模型等场景。

（综合：清华大学官网、新华网、《光明日报》）

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