一、夢想實現，MIT與德州大學聯手實現便攜式3D打印夢想

　　6月6日，MIT news發布了重要通知，MIT和德克薩斯大學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，朝著實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毫米級的光子芯片組成，該芯片可以向樹脂井中發射可重構光束，當光線照射到樹脂井中時，樹脂井會固化成固體形狀。

　　原型芯片沒有活動部件，而是依靠一組微小的光學天線來引導一束光。光束投射到一種液體樹脂中，當暴露在光束的可見光波長下，這種樹脂被設計成可以快速固化。

　　通過結合硅光子學和光化學，跨學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。

　　從長遠來看，他們設想了一個系統，在樹脂井的底部放置一個光子芯片，發出可見光的3D全息圖，一步就能快速固化整個物體。

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

　　“這個系統完全重新思考了3D打印機是什么。它不再是一個坐在實驗室長凳上創造物體的大盒子，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打印領域的變化，這是令人興奮的，”資深作者、電子研究實驗室成員、電子工程和計算機科學(EECS)羅伯特·j·希爾曼職業發展教授耶琳娜·諾塔諾斯說。

　　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奧斯汀分校畢業的亞歷克斯·薩福德(Alex Safford);以及德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程系助理教授扎克·佩奇。這項研究今天發表在《自然光科學與應用》雜志上。

　　二、一切始于想象，3D芯片打印模型孕育而生

　　作為硅光子學方面的專家，諾諾羅斯集團之前開發了集成的光學相控陣系統，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來引導光束。通過加速或延遲天線陣列兩側的光信號，它們可以將發射的光束向某個方向移動。

　　這樣的系統是激光雷達傳感器的關鍵，激光雷達傳感器通過發射紅外光束來映射周圍的環境，這些光束會被附近的物體反射。最近，該小組專注于為增強現實應用發射和引導可見光的系統。

　　他們想知道這種設備是否可以用于基于芯片的3D打印機。

　　大約在他們開始頭腦風暴的同時，德克薩斯大學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打印機推向現實的缺失部分。

　　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，我們在標準光化學和硅光子學之間相遇，通過使用可見光固化樹脂和可見光發射芯片來創建這種基于芯片的3D打印機。你將兩種技術融合成一個全新的想法。”

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

　　當由芯片外激光器供電時，天線會向光固化樹脂中發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，載玻片上有一個淺凹痕，用來容納樹脂。研究人員使用電信號來非機械地引導光束，使樹脂在光束照射的地方凝固。

　　二、MIT有效協作，成功實現3D成像奇跡

　　但是有效地調制可見光波長的光，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計緊湊的調制器，并將其集成到芯片上。該材料獨特的光學特性使調制器非常高效，長度僅為20微米左右。

　　芯片上的單個波導可以接收芯片外激光器發出的光。沿著波導運行的是微小的開關，這些開關會將一點點光發送到每個天線上。

　　研究人員利用電場主動調整調制器，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到天線的光的振幅和相位。

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

　　德克薩斯大學奧斯汀分校的佩奇小組與MIT的諾諾羅斯小組密切合作，仔細調整化學組合和濃度，以確定一種能提供長保質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。

　　在這個原型的基礎上，他們想要朝著開發一個系統的方向發展，就像他們最初構想的那樣（一個芯片），在樹脂井中發射可見光的全息圖，只需一步就能實現體積3D打印。

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

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

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