撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

體積增材制造技術(shù)，已成為一種能夠靈活生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的前沿技術(shù)，在工程學(xué)、光子學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有技術(shù)仍面臨分辨率與成型效率之間的平衡難題，制約了高分辨率三維（3D）結(jié)構(gòu)的高效靈活制造。

2026 年 2 月 11 日，清華大學(xué)戴瓊海院士、吳嘉敏副教授、方璐教授作為共同通訊作者（王旭康、馬遠(yuǎn)矚、牛一涵為共同第一作者），在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了題為：Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields 的研究論文。

該研究提出了一種名為“數(shù)字非相干全息光場(chǎng)合成”（digital incoherent synthesis of holographic light fields，簡(jiǎn)稱為DISH）的創(chuàng)新方法，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)潛望鏡實(shí)現(xiàn)連續(xù)多角度投影，無(wú)需旋轉(zhuǎn)樣品即可生成高分辨率 3D 光場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)在 0.6 秒內(nèi)完成毫米級(jí)物體的高分辨率原位 3D 打印，通過(guò)與流體通道集成，還實(shí)現(xiàn)了在低粘度材料中連續(xù)、批量地生產(chǎn)復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)。

DISH 技術(shù)成功打破了體積增材制造領(lǐng)域的關(guān)鍵瓶頸，為實(shí)現(xiàn)高效、高精度、可批量化的 3D 打印開(kāi)辟了新道路，在需要快速定制復(fù)雜構(gòu)件的領(lǐng)域（例如生物醫(yī)學(xué)、微納光學(xué)、微型機(jī)器人等）具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

精準(zhǔn)高效地制造復(fù)雜三維（3D）結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)力學(xué)、光子學(xué)、制藥學(xué)、組織工程和藥物篩選等多個(gè)領(lǐng)域日益重要。傳統(tǒng)方法如模塑成型和相分離雖適合大規(guī)模生產(chǎn)，但在修改結(jié)構(gòu)時(shí)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)。立體光刻、數(shù)字光處理與雙光子聚合等3D 打印技術(shù)能高精度靈活制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，但其生產(chǎn)效率遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模制造需求。

目前行業(yè)正著力提升制造速率并減弱分層效應(yīng)。連續(xù)液界面生產(chǎn)技術(shù)通過(guò)氧抑制機(jī)制避免連續(xù)打印層的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并采用連續(xù)卷材實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但其工藝本質(zhì)仍是逐層打印。交叉光刻體積打印（Xolography）作為立體增材制造技術(shù)，通過(guò)使光片在靜止樹脂中移動(dòng)實(shí)現(xiàn)成型。盡管最新通過(guò)流體控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)改進(jìn)，但雙色光引發(fā)劑需要一定復(fù)位時(shí)間，這限制了其體積構(gòu)建速率。

針對(duì)上述問(wèn)題，以計(jì)算軸向光刻（computed axial lithography，CAL）為代表的體積 3D 打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過(guò)多角度光場(chǎng)投射生成受控三維光分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)打印體積的同步成型。由于投影角度數(shù)量不足會(huì)因頻域缺失錐效應(yīng)（類似計(jì)算機(jī)斷層掃描）嚴(yán)重降低空間分辨率，現(xiàn)有 CAL 技術(shù)需通過(guò)樣本 360° 旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高精度斷層重建。但樣本旋轉(zhuǎn)要求使得原位打印難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需限制轉(zhuǎn)速以避免機(jī)械振動(dòng)影響打印精度和系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)。

在此情況下，毫米級(jí)物體通常需要數(shù)十秒打印時(shí)間，必須采用高粘度打印墨水防止樣本沉降，這限制了通過(guò)流體控制進(jìn)一步提升打印效率的可能性。此外，當(dāng)嘗試采用高數(shù)值孔徑（NA）物鏡提升打印分辨率時(shí)，原本可忽略的光衍射效應(yīng)會(huì)凸顯為大景深范圍內(nèi)維持高精度調(diào)制的主要挑戰(zhàn)。因此，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)物體高速、高通量、高分辨率的連續(xù)制造仍是系統(tǒng)性難題。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種名為“數(shù)字非相干全息光場(chǎng)合成”（digital incoherent synthesis of holographic light fields，簡(jiǎn)稱為DISH）的創(chuàng)新方法，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)潛望鏡實(shí)現(xiàn)連續(xù)多角度投影，無(wú)需旋轉(zhuǎn)樣品即可生成高分辨率 3D 光場(chǎng)分布。

DISH 的原理及示例

DISH 技術(shù)通過(guò)多角度全息圖的迭代優(yōu)化，在 1 厘米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 19 微米的打印精度（遠(yuǎn)超物鏡景深限制），并能在 0.6 秒內(nèi)完成毫米級(jí)物體的高分辨率原位 3D 打印。

研究團(tuán)隊(duì)采用多種粘度的丙烯酸酯材料，驗(yàn)證了 DISH 技術(shù)的廣泛兼容性。通過(guò)將 DISH 系統(tǒng)與流體通道集成，成功在低粘度材料中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 3D 結(jié)構(gòu)的批量生產(chǎn)，展現(xiàn)了該技術(shù)在多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)光固化技術(shù)的局限性，為高效制備高精度 3D 結(jié)構(gòu)提供了全新解決方案。

論文鏈接：

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