全球首臺基于芯片的可攜式3D打印機(jī)問世，尺寸僅有硬幣大??！

2024年6月7日，南極熊獲悉，來自麻省理工學(xué)院和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員推出了首臺基于芯片的 3D 打印機(jī)，設(shè)備大小相當(dāng)于毫米級光子芯片，使用可重構(gòu)光束將樹脂固化成固體形狀。這種小型便攜式打印設(shè)備可以輕松握在手掌中，能夠讓用戶隨時(shí)隨地快速制造出個性化的實(shí)用物品，例如用于修復(fù)搖晃的自行車車輪的緊固件或用于重要醫(yī)療手術(shù)的部件。

相關(guān)研究以題為“Paper: “Silicon-photonics-enabledchip-based 3D printer/基于硅光子學(xué)的芯片式3D打印機(jī)””的論文被發(fā)表在《light: science & applications》期刊上。論文由Jelena Notaros主要完成，他是電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué) (EECS) 的 Robert J. Shillman 職業(yè)發(fā)展教授，也是電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員。與Notaros 一起參與該論文的還有論文的第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 屆）、EECS 研究生 TalSneh、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校應(yīng)屆畢業(yè)生 Alex Safford 以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校化學(xué)工程系助理教授 Zak Page聯(lián)合撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01478-2

本研究中的概念驗(yàn)證設(shè)備由一個毫米級光子芯片組成，該芯片將可重構(gòu)光束發(fā)射到樹脂孔中，當(dāng)光線照射到樹脂孔中時(shí)，樹脂孔會固化成固體形狀。

△基于芯片的 3D 打印機(jī)概念

原型芯片沒有移動部件，而是依靠微型光學(xué)天線陣列來控制光束。光束向上投射到液態(tài)樹脂中，這種樹脂在暴露于光束波長的可見光下時(shí)會迅速固化。

通過結(jié)合硅光子學(xué)和光化學(xué)，這個跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種芯片，可以引導(dǎo)光束 3D 打印任意二維圖案，包括字母 MIT。只需幾秒鐘，形狀就可以完全成型。

從長遠(yuǎn)來看，他們設(shè)想的系統(tǒng)是將光子芯片放置在樹脂井的底部，并發(fā)射可見光的 3D 全息圖，只需一步即可快速固化整個物體。

這種便攜式 3D 打印機(jī)有很多應(yīng)用，例如允許臨床醫(yī)生創(chuàng)建定制的醫(yī)療設(shè)備組件或允許工程師在工作現(xiàn)場制作快速原型。

論文作者 Jelena Notaros 說道：“該系統(tǒng)完全重新定義了 3D 打印機(jī)。它不再是一個放在實(shí)驗(yàn)室工作臺上用來制造物品的大盒子，而是一個可以手持和攜帶的東西。想想由此可能產(chǎn)生的新應(yīng)用以及 3D 打印領(lǐng)域?qū)⑷绾胃淖?，真是令人興奮?！?

使用芯片進(jìn)行打印

Notaros 團(tuán)隊(duì)是硅光子學(xué)專家，他們之前開發(fā)了集成光學(xué)相控陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一系列采用半導(dǎo)體制造工藝在芯片上制造的微型天線來控制光束。通過加速或延遲天線陣列兩側(cè)的光信號，他們可以將發(fā)射光束移向某個方向。

△3D打印機(jī)集成光學(xué)相控陣架構(gòu)

△基于芯片的 3D 打印機(jī)設(shè)置、輻射模式和體素特征。

此類系統(tǒng)是激光雷達(dá)傳感器的關(guān)鍵，激光雷達(dá)傳感器通過發(fā)射紅外光束，這些光束從附近的物體上反射回來，從而繪制周圍環(huán)境的地圖。最近，該團(tuán)隊(duì)專注于為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用發(fā)射和引導(dǎo)可見光的系統(tǒng)。

他們想知道這種設(shè)備是否可以用于基于芯片的 3D 打印機(jī)。就在他們開始集思廣益的同時(shí)，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可見光波長快速固化的專用樹脂，這是推動基于芯片的3D 打印機(jī)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品所急缺的部分。

Corsetti 說道：“光固化樹脂很難在紅外波長下完全固化，而過去集成光學(xué)相控陣系統(tǒng)在激光雷達(dá)中就是在紅外波長下工作的。在這里，我們通過使用可見光固化樹脂和可見光發(fā)射芯片，在標(biāo)準(zhǔn)光化學(xué)和硅光子學(xué)之間找到平衡，打造出這款基于芯片的 3D 打印機(jī)。這是將兩種技術(shù)融合成一個全新想法?！?/div>

他們的設(shè)備原型由一個光子芯片組成，芯片上包含一組厚度為 160 納米的光學(xué)天線。（一張紙的厚度約為 100,000 納米。）整個芯片可裝在一枚 25 美分硬幣上。

當(dāng)由芯片外激光器供電時(shí)，天線會將一束可操縱的可見光發(fā)射到光固化樹脂槽中。芯片位于透明載玻片下方，類似于顯微鏡中使用的載玻片，載玻片上有一個淺凹口，用于容納樹脂。研究人員使用電信號非機(jī)械地操縱光束，使樹脂在光束照射到的地方固化。

協(xié)作方式

通常來講，有效調(diào)制可見光波長的光（包括改變其振幅和相位）尤其困難。一種常用方法需要加熱芯片，但這種方法效率低下，而且占用大量物理空間。

相反，研究人員使用液晶制作集成到芯片上的緊湊型調(diào)制器。該材料獨(dú)特的光學(xué)特性使調(diào)制器非常高效，長度僅為 20 微米左右。芯片上的單個波導(dǎo)可容納來自片外激光器的光。波導(dǎo)上布滿了微小的分接頭，它們將少量光分接至每個天線。

研究人員利用電場主動調(diào)節(jié)調(diào)制器，將液晶分子重新定向到特定方向。這樣，他們就能精確控制傳送到天線的光的振幅和相位。但形成和控制光束只是成功的一半。與新型光固化樹脂連接則是一個完全不同的挑戰(zhàn)。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Page 團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院的 Notaros 團(tuán)隊(duì)密切合作，精心調(diào)整化學(xué)組合和濃度，最終找到一種能夠延長保質(zhì)期并快速固化的配方。最終，該團(tuán)隊(duì)利用他們的原型在幾秒鐘內(nèi) 3D 打印出任意二維形狀。

△基于芯片的3D打印機(jī)非機(jī)械光束控制、線打印和任意2D圖案打印。

基于這個原型，他們希望開發(fā)一個像他們最初概念化的系統(tǒng)——一個在樹脂井中發(fā)射可見光全息圖的芯片，只需一個步驟即可實(shí)現(xiàn)體積 3D 打印。

Jelena Notaros 說道：“為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要一個全新的硅光子芯片設(shè)計(jì)。我們已經(jīng)在這篇論文中詳細(xì)闡述了最終系統(tǒng)將是什么樣子。現(xiàn)在，我們很高興能繼續(xù)努力實(shí)現(xiàn)這一最終演示。”

這項(xiàng)工作部分由美國國家科學(xué)基金會、美國國防高級研究計(jì)劃局、羅伯特·A·韋爾奇基金會、麻省理工學(xué)院羅爾夫·G·洛赫捐贈獎學(xué)金以及麻省理工學(xué)院弗雷德里克和芭芭拉·克羅寧獎學(xué)金資助。