一、夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)，MIT與德州大學(xué)聯(lián)手實(shí)現(xiàn)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(tái)基于芯片的便攜式3D打印機(jī)，朝著實(shí)現(xiàn)微小打印機(jī)邁出了重要的一步。他們的概念驗(yàn)證裝置由一個(gè)毫米級(jí)的光子芯片組成，該芯片可以向樹脂井中發(fā)射可重構(gòu)光束，當(dāng)光線照射到樹脂井中時(shí)，樹脂井會(huì)固化成固體形狀。

　　原型芯片沒有活動(dòng)部件，而是依靠一組微小的光學(xué)天線來引導(dǎo)一束光。光束投射到一種液體樹脂中，當(dāng)暴露在光束的可見光波長下，這種樹脂被設(shè)計(jì)成可以快速固化。

　　通過結(jié)合硅光子學(xué)和光化學(xué)，跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)能夠展示一種芯片，可以引導(dǎo)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(nèi)完全成形。

　　從長遠(yuǎn)來看，他們?cè)O(shè)想了一個(gè)系統(tǒng)，在樹脂井的底部放置一個(gè)光子芯片，發(fā)出可見光的3D全息圖，一步就能快速固化整個(gè)物體。

　　這種類型的便攜式3D打印機(jī)可以有許多應(yīng)用，例如使臨床醫(yī)生能夠創(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(chǎng)快速制作原型。

　　“這個(gè)系統(tǒng)完全重新思考了3D打印機(jī)是什么。它不再是一個(gè)坐在實(shí)驗(yàn)室長凳上創(chuàng)造物體的大盒子，而是一種手持和便攜式的東西?？紤]到可能出現(xiàn)的新應(yīng)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(yàn)室成員、電子工程和計(jì)算機(jī)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。

　　據(jù)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?；瘜W(xué)工程系助理教授扎克·佩奇。這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《自然光科學(xué)與應(yīng)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)方面的專家，諾諾羅斯集團(tuán)之前開發(fā)了集成的光學(xué)相控陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用半導(dǎo)體制造工藝在芯片上制造的一系列微尺度天線來引導(dǎo)光束。通過加速或延遲天線陣列兩側(cè)的光信號(hào)，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(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)射紅外光束來映射周圍的環(huán)境，這些光束會(huì)被附近的物體反射。最近，該小組專注于為增強(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)。

　　大約在他們開始頭腦風(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光波長快速固化的特殊樹脂。這是將基于芯片的3D打印機(jī)推向現(xiàn)實(shí)的缺失部分。

　　專家Corsetti說:“光固化樹脂很難在紅外波段固化，而過去集成光學(xué)相控陣系統(tǒng)在激光雷達(dá)中使用的正是紅外波段。”“在這里，我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)光化學(xué)和硅光子學(xué)之間相遇，通過使用可見光固化樹脂和可見光發(fā)射芯片來創(chuàng)建這種基于芯片的3D打印機(jī)。你將兩種技術(shù)融合成一個(gè)全新的想法?！?/p>

　　他們的原型由一個(gè)包含160納米厚光學(xué)天線陣列的單個(gè)光子芯片組成。(一張紙大約有10萬納米厚。)整個(gè)芯片可以裝在一個(gè)25美分硬幣上。

　　當(dāng)由芯片外激光器供電時(shí)，天線會(huì)向光固化樹脂中發(fā)射一束可操縱的可見光。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，用來容納樹脂。研究人員使用電信號(hào)來非機(jī)械地引導(dǎo)光束，使樹脂在光束照射的地方凝固。

　　二、MIT有效協(xié)作，成功實(shí)現(xiàn)3D成像奇跡

　　但是有效地調(diào)制可見光波長的光，包括改變其振幅和相位，是特別棘手的。一種常見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設(shè)計(jì)緊湊的調(diào)制器，并將其集成到芯片上。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(gè)波導(dǎo)可以接收芯片外激光器發(fā)出的光。沿著波導(dǎo)運(yùn)行的是微小的開關(guān)，這些開關(guān)會(huì)將一點(diǎn)點(diǎn)光發(fā)送到每個(gè)天線上。

　　研究人員利用電場(chǎng)主動(dòng)調(diào)整調(diào)制器，使液晶分子在特定方向上重新定向。通過這種方式，他們可以精確地控制傳輸?shù)教炀€的光的振幅和相位。

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

　　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(xì)調(diào)整化學(xué)組合和濃度，以確定一種能提供長保質(zhì)期和快速固化的配方。

　　最后，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。

　　在這個(gè)原型的基礎(chǔ)上，他們想要朝著開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)的方向發(fā)展，就像他們最初構(gòu)想的那樣（一個(gè)芯片），在樹脂井中發(fā)射可見光的全息圖，只需一步就能實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)。我們已經(jīng)在這篇論文中列出了很多最終系統(tǒng)的外觀?，F(xiàn)在，我們很高興能繼續(xù)朝著這個(gè)終極演示努力，”耶琳娜·諾塔諾斯說。

　　這項(xiàng)工作部分由美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國國防高級(jí)研究計(jì)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(zèng)獎(jiǎng)學(xué)金和麻省理工學(xué)院弗雷德里克和芭芭拉·克羅寧獎(jiǎng)學(xué)金資助。

　　以上是關(guān)于MIT與德州大學(xué)研究出首臺(tái)便攜式3D打印機(jī)的全部新聞，如果您對(duì)美國留學(xué)感興趣，歡迎您在線咨詢上海托普仕留學(xué)老師，托普仕留學(xué)專注世界名校申請(qǐng)，助力國內(nèi)學(xué)子順利獲得名校入讀機(jī)會(huì)。