一、夢(mèng)想實(shí)現，MIT與德州大學(xué)聯(lián)手實(shí)現便攜式3D打印夢(mèng)想

　　6月6日，MIT news發(fā)布了重要通知，MIT和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員展示了第一臺基于芯片的便攜式3D打印機，朝著(zhù)實(shí)現微小打印機邁出了重要的一步。他們的概念驗證裝置由一個(gè)毫米級的光子芯片組成，該芯片可以向樹(shù)脂井中發(fā)射可重構光束，當光線(xiàn)照射到樹(shù)脂井中時(shí)，樹(shù)脂井會(huì )固化成固體形狀。

　　原型芯片沒(méi)有活動(dòng)部件，而是依靠一組微小的光學(xué)天線(xiàn)來(lái)引導一束光。光束投射到一種液體樹(shù)脂中，當暴露在光束的可見(jiàn)光波長(cháng)下，這種樹(shù)脂被設計成可以快速固化。

　　通過(guò)結合硅光子學(xué)和光化學(xué)，跨學(xué)科研究團隊能夠展示一種芯片，可以引導光束3D打印任意二維圖案，包括字母M-I-T。形狀可以在幾秒鐘內完全成形。

　　從長(cháng)遠來(lái)看，他們設想了一個(gè)系統，在樹(shù)脂井的底部放置一個(gè)光子芯片，發(fā)出可見(jiàn)光的3D全息圖，一步就能快速固化整個(gè)物體。

　　這種類(lèi)型的便攜式3D打印機可以有許多應用，例如使臨床醫生能夠創(chuàng )建定制的醫療設備組件或允許工程師在工作現場(chǎng)快速制作原型。

　　“這個(gè)系統完全重新思考了3D打印機是什么。它不再是一個(gè)坐在實(shí)驗室長(cháng)凳上創(chuàng )造物體的大盒子，而是一種手持和便攜式的東西。考慮到可能出現的新應用以及3D打印領(lǐng)域的變化，這是令人興奮的，”資深作者、電子研究實(shí)驗室成員、電子工程和計算機科學(xué)(EECS)羅伯特·j·希爾曼職業(yè)發(fā)展教授耶琳娜·諾塔諾斯說(shuō)。

　　據悉，論文的主要作者、EECS研究生薩布麗娜·科塞蒂(Sabrina Corsetti)也加入了諾塔諾斯的行列;Milica Notaros博士23屆;Tal Sneh, EECS研究生;最近從德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校畢業(yè)的亞歷克斯·薩福德(Alex Safford);以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校化學(xué)工程系助理教授扎克·佩奇。這項研究今天發(fā)表在《自然光科學(xué)與應用》雜志上。

　　二、一切始于想象，3D芯片打印模型孕育而生

　　作為硅光子學(xué)方面的專(zhuān)家，諾諾羅斯集團之前開(kāi)發(fā)了集成的光學(xué)相控陣系統，該系統使用半導體制造工藝在芯片上制造的一系列微尺度天線(xiàn)來(lái)引導光束。通過(guò)加速或延遲天線(xiàn)陣列兩側的光信號，它們可以將發(fā)射的光束向某個(gè)方向移動(dòng)。

　　這樣的系統是激光雷達傳感器的關(guān)鍵，激光雷達傳感器通過(guò)發(fā)射紅外光束來(lái)映射周?chē)沫h(huán)境，這些光束會(huì )被附近的物體反射。最近，該小組專(zhuān)注于為增強現實(shí)應用發(fā)射和引導可見(jiàn)光的系統。

　　他們想知道這種設備是否可以用于基于芯片的3D打印機。

　　大約在他們開(kāi)始頭腦風(fēng)暴的同時(shí)，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的佩奇小組首次展示了可以使用可見(jiàn)光波長(cháng)快速固化的特殊樹(shù)脂。這是將基于芯片的3D打印機推向現實(shí)的缺失部分。

　　專(zhuān)家Corsetti說(shuō):“光固化樹(shù)脂很難在紅外波段固化，而過(guò)去集成光學(xué)相控陣系統在激光雷達中使用的正是紅外波段。”“在這里，我們在標準光化學(xué)和硅光子學(xué)之間相遇，通過(guò)使用可見(jiàn)光固化樹(shù)脂和可見(jiàn)光發(fā)射芯片來(lái)創(chuàng )建這種基于芯片的3D打印機。你將兩種技術(shù)融合成一個(gè)全新的想法。”

　　他們的原型由一個(gè)包含160納米厚光學(xué)天線(xiàn)陣列的單個(gè)光子芯片組成。(一張紙大約有10萬(wàn)納米厚。)整個(gè)芯片可以裝在一個(gè)25美分硬幣上。

　　當由芯片外激光器供電時(shí)，天線(xiàn)會(huì )向光固化樹(shù)脂中發(fā)射一束可操縱的可見(jiàn)光。芯片位于透明的載玻片下面，就像顯微鏡中使用的那樣，載玻片上有一個(gè)淺凹痕，用來(lái)容納樹(shù)脂。研究人員使用電信號來(lái)非機械地引導光束，使樹(shù)脂在光束照射的地方凝固。

　　二、MIT有效協(xié)作，成功實(shí)現3D成像奇跡

　　但是有效地調制可見(jiàn)光波長(cháng)的光，包括改變其振幅和相位，是特別棘手的。一種常見(jiàn)的方法需要加熱芯片，但這種方法效率低下，而且需要大量的物理空間。

　　相反，研究人員使用液晶來(lái)設計緊湊的調制器，并將其集成到芯片上。該材料獨特的光學(xué)特性使調制器非常高效，長(cháng)度僅為20微米左右。

　　芯片上的單個(gè)波導可以接收芯片外激光器發(fā)出的光。沿著(zhù)波導運行的是微小的開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)會(huì )將一點(diǎn)點(diǎn)光發(fā)送到每個(gè)天線(xiàn)上。

　　研究人員利用電場(chǎng)主動(dòng)調整調制器，使液晶分子在特定方向上重新定向。通過(guò)這種方式，他們可以精確地控制傳輸到天線(xiàn)的光的振幅和相位。

　　但形成和控制光束只是戰斗的一半。與一種新型光固化樹(shù)脂的接合是一個(gè)完全不同的挑戰。

　　德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的佩奇小組與MIT的諾諾羅斯小組密切合作，仔細調整化學(xué)組合和濃度，以確定一種能提供長(cháng)保質(zhì)期和快速固化的配方。

　　最后，該團隊利用他們的原型在幾秒鐘內3D打印出任意二維形狀。

　　在這個(gè)原型的基礎上，他們想要朝著(zhù)開(kāi)發(fā)一個(gè)系統的方向發(fā)展，就像他們最初構想的那樣（一個(gè)芯片），在樹(shù)脂井中發(fā)射可見(jiàn)光的全息圖，只需一步就能實(shí)現體積3D打印。

　　“為了做到這一點(diǎn)，我們需要一種全新的硅光子學(xué)芯片設計。我們已經(jīng)在這篇論文中列出了很多最終系統的外觀(guān)。現在，我們很高興能繼續朝著(zhù)這個(gè)終極演示努力，”耶琳娜·諾塔諾斯說(shuō)。

　　這項工作部分由美國國家科學(xué)基金會(huì )、美國國防高級研究計劃局、羅伯特·韋爾奇基金會(huì )、麻省理工學(xué)院羅爾夫·g·洛徹捐贈獎學(xué)金和麻省理工學(xué)院弗雷德里克和芭芭拉·克羅寧獎學(xué)金資助。

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