南極熊導(dǎo)讀：2025年即將結(jié)束，過去的一年，3D打印成為科研熱點，并出現(xiàn)了大量成果突破，特別是來自中國大學(xué)和研究所，發(fā)布了大量相關(guān)高質(zhì)量論文，同時培養(yǎng)了大批3D打印人才。

2025年，《Nature》期刊發(fā)表了多項與3D打印密切相關(guān)的重要研究。這些工作覆蓋材料科學(xué)、量子技術(shù)、生物制造和生態(tài)學(xué)等多個領(lǐng)域，展示了3D打印在解決復(fù)雜科學(xué)問題中的廣泛適用性。從可降解高性能材料到智能感知打印系統(tǒng)，從仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計到量子硬件制造，3D打印正越來越多地被用作探索自然機制和開發(fā)前沿技術(shù)的核心工具。

1. 可降解熱固材料：單一單體實現(xiàn)綠色循環(huán)

2025年1月，南極熊獲悉，康奈爾大學(xué)在《Nature》發(fā)表研究，提出一種基于單一生物基單體的新型合成策略，成功制備出性能可調(diào)且可完全回收的熱固性材料。傳統(tǒng)熱固塑料一旦固化便無法重塑或降解，而該材料通過光催化與金屬催化的協(xié)同控制，可在室溫下精準“編程”出從柔軟到堅硬的不同力學(xué)性能。

研究團隊以2,3-二氫呋喃（DHF）為唯一單體，通過調(diào)節(jié)光照時間與催化劑濃度，實現(xiàn)了材料性能的連續(xù)調(diào)控。更重要的是，所得材料可在熱、酸或氧化條件下選擇性解聚，高效回收原始單體并重新用于合成，形成閉環(huán)循環(huán)。

△基于DHF的可降解熱固材料合成

這項成果雖未直接使用3D打印工藝，但其開發(fā)的可降解高性能樹脂體系，為未來可持續(xù)光固化3D打印提供了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)，有望應(yīng)用于汽車、航空航天等對強度與環(huán)保兼具需求的制造場景。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08386-w

2. 多模態(tài)手性變形元件：一推實現(xiàn)扭、縮、變高

2025年4月，南極熊獲悉，普林斯頓大學(xué)在《Nature》報道了一種由3D打印制造的模塊化手性超材料，可在單一驅(qū)動下同步實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、面內(nèi)收縮和高度壓縮。傳統(tǒng)智能材料通常只能響應(yīng)一種刺激產(chǎn)生單一形變，而該設(shè)計通過精巧的折紙幾何結(jié)構(gòu)，使多種變形模式在單自由度下解耦并協(xié)同發(fā)生。

研究團隊利用高精度3D打印技術(shù)，精確構(gòu)建微米級鉸鏈與連接單元，成功實現(xiàn)0°–90°扭轉(zhuǎn)、25%橫向收縮及超過50%縱向壓縮。模塊化組裝策略還允許按需定制局部手性與承載能力，為結(jié)構(gòu)功能一體化提供新路徑。

△由鉸接鑲嵌結(jié)構(gòu)與手性折紙啟發(fā)的晶格單元組成的多模態(tài)超材料

此技術(shù)為軟體機器人、自適應(yīng)航天結(jié)構(gòu)、動態(tài)熱管理系統(tǒng)及信息加密器件開辟了新可能，充分展現(xiàn)了3D打印在制造復(fù)雜功能性超材料中的不可替代優(yōu)勢。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08851-0

3. 視覺驅(qū)動的無模型控制：用RGB圖像直接操控機械手

2025年6月，南極熊獲悉，《Nature》發(fā)表一項突破性機器人控制研究。由麻省理工學(xué)院（MIT）與新加坡科技設(shè)計大學(xué)等機構(gòu)合作開發(fā)了一種純視覺驅(qū)動的框架，僅通過普通RGB攝像頭拍攝的視頻，即可實時生成高精度控制指令，驅(qū)動多種機器人完成復(fù)雜任務(wù)。

系統(tǒng)無需物理模型、關(guān)節(jié)編碼器、力反饋或精確相機標定，卻能在存在外部擾動、遮擋或動態(tài)負載（如附加350克配重）的情況下，實現(xiàn)毫米級操作精度——例如讓機械手繪出“MIT”字母，或操控軟體手從玻璃杯中抓取工具并推動蘋果。

△基于視覺的多類機器人閉環(huán)控制

值得注意的是，此方法在多個3D打印機器人平臺上成功驗證：包括開源的Poppy 3D打印機械臂、3D打印的軟–剛混合氣動手，以及基于剪切輔助超材料（HSA）的3D打印軟體執(zhí)行器。這些低成本、非標準化的設(shè)備通常缺乏精確動力學(xué)模型，正適合該無模型控制方法。研究證明，結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動視覺控制，3D打印機器人也能實現(xiàn)高可靠、高精度的操作能力，為柔性制造和普及型機器人開辟了新路徑。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09170-0

4. 3D打印擬態(tài)昆蟲：量化自然界的“模仿”精度

2025年7月，南極熊獲悉，諾丁漢大學(xué)在《Nature》發(fā)表一項跨學(xué)科研究，首次利用3D打印技術(shù)系統(tǒng)探究昆蟲擬態(tài)的進化機制。研究團隊制作了一系列從低相似度到高保真度的擬態(tài)蝴蝶模型，在野外測試鳥類、螳螂、跳蛛等捕食者的攻擊行為，從而量化“模仿多像才算有效”。

實驗發(fā)現(xiàn)，鳥類對顏色和體型偏差極為敏感，稍有不符即會識破；而無脊椎捕食者如蜘蛛則容忍度更高。這一差異解釋了為何在鳥類主導(dǎo)區(qū)域，擬態(tài)演化得極其精細，而在其他生態(tài)位則相對寬松。

△用于生成人工擬態(tài)刺激物的方法概述

3D打印在此充當(dāng)了生態(tài)學(xué)的“可控實驗平臺”，使抽象的自然選擇壓力變得可測量、可重復(fù)。這項工作標志著增材制造正成為生命科學(xué)探索復(fù)雜行為與進化規(guī)律的新工具。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09216-3

5. 3D打印離子阱：為大規(guī)模量子計算機鋪路

2025年9月，南極熊獲悉，來自加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等頂尖機構(gòu)組成的聯(lián)合研究團隊，利用雙光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）的高分辨率3D打印技術(shù)，成功制造出性能卓越且可規(guī)?；a(chǎn)的微型三維（3D）離子阱陣列首次將雙光子聚合（2PP）3D打印技術(shù)應(yīng)用于高性能離子阱制造。傳統(tǒng)離子阱面臨“性能”與“可擴展性”的兩難：3D手工阱性能優(yōu)異但難以集成，2D芯片阱易量產(chǎn)卻性能受限。該研究通過在基底上3D打印微米級聚合物支架并鍍金屬，成功構(gòu)建出兼具深勢阱、高頻率與芯片兼容性的微型3D離子阱。

實驗以??Ca?離子為量子比特，測得徑向阱頻率高達24 MHz，陷阱深度達1.3 eV——比同類表面阱強一個數(shù)量級以上。更關(guān)鍵的是，僅用標準多普勒冷卻即可將離子冷卻至接近量子基態(tài)（平均聲子數(shù) n≈0.5），并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)97.8%保真度的雙量子比特糾纏門，且所需射頻電壓降低近十倍，顯著減少功耗與加熱噪聲。

△3D打印工藝及3D打印離子阱（3D-100-Au-V）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

這項工作驗證了3D打印在量子硬件制造中的可行性，提供了一條通向可擴展、高性能量子處理器的新路徑。未來，此技術(shù)有望與集成光子學(xué)、低溫電子學(xué)結(jié)合，加速實用化量子計算機的研發(fā)進程。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1

6. 智能感知打?。篏RACE系統(tǒng)讓3D打印機“看懂”再打印

2025年9月，南極熊獲悉，荷蘭烏得勒支大學(xué)在《Nature》發(fā)表研究，推出名為GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）的新型3D打印方法。該技術(shù)將光片顯微成像、計算機視覺與體積打印深度融合，使打印機能夠“看見”目標對象（如細胞、微球或已有結(jié)構(gòu)），并自動生成適配其形狀與位置的打印路徑，實現(xiàn)真正意義上的上下文感知制造。

GRACE系統(tǒng)通過光片掃描快速獲取打印區(qū)域的3D點云數(shù)據(jù)，結(jié)合多參數(shù)建模算法，在幾分鐘內(nèi)生成血管狀通道、封裝結(jié)構(gòu)或?qū)R支架等復(fù)雜幾何。實驗中，它成功圍繞胰島細胞構(gòu)建優(yōu)化微通道，使前胰島素分泌提升1.6倍；還能自動對齊股骨與軟骨模型，構(gòu)建功能性骨軟骨復(fù)合組織，并在4周內(nèi)維持細胞活性與基質(zhì)合成。

△GRACE 打印

這項工作標志著3D打印從“被動執(zhí)行設(shè)計”邁向“主動感知-響應(yīng)”的智能新階段。未來，GRACE有望廣泛應(yīng)用于個性化組織工程、軟體機器人制造及多材料集成系統(tǒng)，為再生醫(yī)學(xué)和先進制造提供數(shù)據(jù)驅(qū)動的新范式。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09436-7

7.超大規(guī)模金屬透鏡陣列實現(xiàn)并行飛秒激光3D打印

2025年12月，《Nature》報道了一項由斯坦福大學(xué)等機構(gòu)完成的突破性制造技術(shù)。研究團隊開發(fā)出包含數(shù)十萬顆高數(shù)值孔徑（NA）的超大面積金屬透鏡陣列，并將其集成到雙光子光刻（TPL）系統(tǒng)中，成功實現(xiàn)厘米級尺度、亞微米分辨率的并行3D打印。

傳統(tǒng)TPL依賴單點掃描，速度極慢；而新系統(tǒng)通過空間光調(diào)制器調(diào)控入射激光強度分布，再經(jīng)金屬透鏡陣列同時聚焦成數(shù)萬個獨立焦點，將打印通量提升近五個數(shù)量級，可在數(shù)分鐘內(nèi)制造出包含數(shù)億體素的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)，如仿生晶格、微流控網(wǎng)絡(luò)和功能光子器件。

△基于超透鏡的雙光子光刻

這項工作直接推動了高速、高分辨、大尺度3D打印的實用化。所采用的金屬透鏡本身也通過電子束光刻與干法刻蝕工藝在硅基底上制造，雖非傳統(tǒng)“增材”方式，但其作為核心光學(xué)元件賦能下一代并行3D打印系統(tǒng)，為未來基于光場調(diào)控的超快增材制造提供了關(guān)鍵硬件基礎(chǔ)。研究團隊已打印出3厘米尺度的3D架構(gòu)，特征尺寸低于200納米，展示了該技術(shù)在微納光子學(xué)、組織工程支架和超材料批量制造中的巨大潛力。

南極熊總結(jié)

2025年《Nature》上的3D打印相關(guān)研究體現(xiàn)出鮮明的跨學(xué)科特征。科學(xué)家們構(gòu)建可循環(huán)熱固材料、利用3D打印操控量子離子、模擬昆蟲擬態(tài)、生成適配細胞的血管網(wǎng)絡(luò)，讓打印機具備環(huán)境感知能力，甚至實現(xiàn)亞微米分辨率的并行3D打印。這些成果拓展了3D打印的應(yīng)用邊界，也反映出它已深度融入基礎(chǔ)科研，不再僅用于制造樣品，而是服務(wù)于科學(xué)發(fā)現(xiàn)本身。

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