首台芯片级3D打印机

近日，麻省理工学院（MIT）与得克萨斯大学奥斯汀分校联合开发出了全球首款芯片级3D打印机原型。相关成果已发表于《自然》子刊，团队下一步将开发可单步全息固化的光子芯片系统。

据悉，原型芯片搭载 160 纳米厚光学天线（普通纸张约 10 万纳米厚），整体尺寸甚至小于 25 美分硬币，可通过毫米级光子芯片发射可重构光束，使树脂在可见光波长照射下快速固化成型。

研究人员透露，他们融合了硅光子学和光化学领域的技术，首次提出了基于芯片的3D打印机方案。他们强调，该系统仅包含一枚毫米级的单一光子芯片，无任何移动部件。该芯片向一个简单、静止的树脂槽发射可重构的可见光全息图，从而实现了非机械式的3D打印。

该团队通过实验，展示了一个受立体光刻启发的、基于芯片的3D打印机的概念验证版本。他们使用了可见光束转向集成光学相控阵和可见光固化树脂，首次展示了使用芯片系统进行3D打印。

值得一提的是，实验中的树脂经过特殊优化设计，可在特定可见光波长下迅速固化。研究人员成功打印出包括“M-I-T”字母在内的任意二维图案，全程仅需几秒时间。设备工作时，外部激光驱动天线向树脂槽发射可控可见光束。研究人员采用液晶材料制成紧凑型调制器（长约20微米），通过电场精确调控光束振幅与相位，实现非机械式光束转向。

研究人员宣称，他们的方法为实现下一代高度紧凑、便携且低成本的3D打印机解决方案迈出了第一步。仅用一枚光子芯片就能在手掌中秒级创建3D物体，这将变革现代制造业，正如3D打印已经彻底改变了创新者在现代社会几乎所有领域的创造方式。

目前的3D打印机依赖庞大且复杂的机械系统来实现材料的逐层叠加。这限制了打印速度、分辨率、便携性、外形尺寸和材料的复杂性。但麻省理工团队的最新创新解决了这些局限。

他们还创造了一种微型“牵引光束”（tractor beam），利用芯片发出的光束捕获和操控生物粒子。这可以帮助生物学家研究DNA或探究疾病机制，而不会污染组织样本。

这个微型装置使用高度聚焦的光束来捕获和操控细胞。这项创新为集成光学镊子（optical tweezers）引入了一种新模式，极大地扩展了其效用及与现有应用（尤其是生物实验）的兼容性。

研究人员预计，这项工作中引入的基于芯片的3D打印技术，有潜力为下一代3D打印机提供高度紧凑、便携且低成本的解决方案。根据团队的方法，这种解决方案将为生成3D物体提供更易获取且更快速的机制，影响包括军事、医疗、工程和消费领域在内的广泛应用领域。

迄今为止，已有多种3D打印方法实现了商业化，包括挤出（extrusion）、粉末床熔融（powder-bed fusion）、喷墨（jetting）和光诱导聚合（light-induced polymerization）等技术。在消费级层面，熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM），一种基于挤出的方法是最广泛使用的3D打印类型。