科学家创造了可以放在手掌上的硬币大小的3D打印机

想象一下，一台可以握在手中的便携式3D打印机。这样一款设备能够让用户随时随地快速创建定制的低成本物品，例如用于修复自行车车轮的紧固件或用于重要医疗手术的部件。麻省理工学院（MIT）和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员展示了第一台基于芯片的3D打印机，朝着这一目标迈出了重要的一步。

创新原理与技术

这款概念验证设备由一个毫米级光子芯片组成，该芯片将可重构光束发射到树脂孔中。当光线照射到树脂孔中时，树脂会固化成固体形状。与传统的3D打印机不同，这个原型芯片没有移动部件，而是依靠微型光学天线阵列来控制光束。光束向上投射到液态树脂中，这种树脂在暴露于光束的可见光波长下会迅速固化。

通过结合硅光子学和光化学，这个跨学科研究团队成功研发出一种芯片，可以引导光束3D打印任意二维图案，包括字母“MIT”。只需几秒钟，形状就可以完全成型。

实用前景

从长远来看，研究人员设想的系统是将光子芯片放置在树脂井的底部，并发射可见光的3D全息图，只需一步即可快速固化整个物体。这种便携式3D打印机有很多应用，例如允许临床医生创建定制的医疗设备组件，或者让工程师在工作现场制作快速原型。

麻省理工学院电气工程和计算机科学系的Robert J. Shillman职业发展教授Jelena Notaros说道：“该系统完全重新定义了3D打印机。它不再是一个放在实验室工作台上的大盒子，而是一个可以手持和携带的设备。想想由此可能产生的新应用以及3D打印领域将如何改变，真是令人兴奋。”

团队与合作

这项研究由多位科学家合作完成，包括麻省理工学院的EECS研究生Sabrina Corsetti、Milica Notaros博士、EECS研究生Tal Sneh、德克萨斯大学奥斯汀分校应届毕业生Alex Safford，以及德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系助理教授Zak Page。研究结果发表在《自然光科学与应用》杂志上。

Notaros团队是硅光子学专家，他们之前开发了集成光学相控阵系统，通过一系列微型天线控制光束。这种技术被用于激光雷达传感器，绘制周围环境的地图。最近，该团队专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统，并想知道这种设备是否可以用于基于芯片的3D打印机。

技术挑战与解决方案

在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的Page Group展示了一种可使用可见光波长快速固化的专用树脂。这是推动基于芯片的3D打印机成为现实的关键部分。

光固化树脂很难在红外波长下完全固化，而过去集成光学相控阵系统在激光雷达中就是在红外波长下工作的。通过结合可见光固化树脂和可见光发射芯片，研究团队在标准光化学和硅光子学之间找到了平衡，打造出基于芯片的3D打印机。

展望未来

这个原型由一个光子芯片组成，芯片上包含一组厚度为160纳米的光学天线。整个芯片可装在一枚25美分硬币上。当由芯片外激光器供电时，天线会将一束可操纵的可见光发射到光固化树脂槽中。研究人员使用电信号非机械地操纵光束，使树脂在光束照射到的地方固化。

最终，研究团队利用他们的原型在几秒钟内3D打印出任意二维形状。基于这个原型，他们希望开发一个在树脂井中发射可见光全息图的芯片，只需一个步骤即可实现体积3D打印。这一目标仍需进一步的技术突破，但研究人员已经为最终系统的设计打下了坚实的基础。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

未来的挑战与机遇

为了实现全息图3D打印，研究团队需要开发全新的硅光子芯片设计。当前的原型展示了利用光子芯片和光固化树脂的潜力，但距离实现全息图打印还有一定距离。Jelena Notaros教授表示，团队已经在论文中详细阐述了未来系统的可能形态，并对实现这一最终演示充满信心。这种突破性技术不仅有望彻底改变3D打印机的形态和功能，还将开创无数新的应用领域。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

这项研究发表在《光科学与应用》上。