3D打印7次登上《Nature》，2025年科研突破

南極熊導讀：2025年即將結束，過去的一年，3D打印成為科研熱點，并出現了大量成果突破，特別是來自中國大學和研究所，發布了大量相關高質量論文，同時培養了大批3D打印人才。

2025年，《Nature》期刊發表了多項與3D打印密切相關的重要研究。這些工作覆蓋材料科學、量子技術、生物制造和生態學等多個領域，展示了3D打印在解決復雜科學問題中的廣泛適用性。從可降解高性能材料到智能感知打印系統，從仿生結構設計到量子硬件制造，3D打印正越來越多地被用作探索自然機制和開發前沿技術的核心工具。

1. 可降解熱固材料：單一單體實現綠色循環

2025年1月，南極熊獲悉，康奈爾大學在《Nature》發表研究，提出一種基于單一生物基單體的新型合成策略，成功制備出性能可調且可完全回收的熱固性材料。傳統熱固塑料一旦固化便無法重塑或降解，而該材料通過光催化與金屬催化的協同控制，可在室溫下精準“編程”出從柔軟到堅硬的不同力學性能。

研究團隊以2,3-二氫呋喃（DHF）為唯一單體，通過調節光照時間與催化劑濃度，實現了材料性能的連續調控。更重要的是，所得材料可在熱、酸或氧化條件下選擇性解聚，高效回收原始單體并重新用于合成，形成閉環循環。

△基于DHF的可降解熱固材料合成

這項成果雖未直接使用3D打印工藝，但其開發的可降解高性能樹脂體系，為未來可持續光固化3D打印提供了關鍵材料基礎，有望應用于汽車、航空航天等對強度與環保兼具需求的制造場景。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08386-w

2. 多模態手性變形元件：一推實現扭、縮、變高

2025年4月，南極熊獲悉，普林斯頓大學在《Nature》報道了一種由3D打印制造的模塊化手性超材料，可在單一驅動下同步實現扭轉、面內收縮和高度壓縮。傳統智能材料通常只能響應一種刺激產生單一形變，而該設計通過精巧的折紙幾何結構，使多種變形模式在單自由度下解耦并協同發生。

研究團隊利用高精度3D打印技術，精確構建微米級鉸鏈與連接單元，成功實現0°–90°扭轉、25%橫向收縮及超過50%縱向壓縮。模塊化組裝策略還允許按需定制局部手性與承載能力，為結構功能一體化提供新路徑。

△由鉸接鑲嵌結構與手性折紙啟發的晶格單元組成的多模態超材料

此技術為軟體機器人、自適應航天結構、動態熱管理系統及信息加密器件開辟了新可能，充分展現了3D打印在制造復雜功能性超材料中的不可替代優勢。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08851-0

3. 視覺驅動的無模型控制：用RGB圖像直接操控機械手

2025年6月，南極熊獲悉，《Nature》發表一項突破性機器人控制研究。由麻省理工學院（MIT）與新加坡科技設計大學等機構合作開發了一種純視覺驅動的框架，僅通過普通RGB攝像頭拍攝的視頻，即可實時生成高精度控制指令，驅動多種機器人完成復雜任務。

系統無需物理模型、關節編碼器、力反饋或精確相機標定，卻能在存在外部擾動、遮擋或動態負載（如附加350克配重）的情況下，實現毫米級操作精度——例如讓機械手繪出“MIT”字母，或操控軟體手從玻璃杯中抓取工具并推動蘋果。

△基于視覺的多類機器人閉環控制

值得注意的是，此方法在多個3D打印機器人平臺上成功驗證：包括開源的Poppy 3D打印機械臂、3D打印的軟–剛混合氣動手，以及基于剪切輔助超材料（HSA）的3D打印軟體執行器。這些低成本、非標準化的設備通常缺乏精確動力學模型，正適合該無模型控制方法。研究證明，結合數據驅動視覺控制，3D打印機器人也能實現高可靠、高精度的操作能力，為柔性制造和普及型機器人開辟了新路徑。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09170-0

4. 3D打印擬態昆蟲：量化自然界的“模仿”精度

2025年7月，南極熊獲悉，諾丁漢大學在《Nature》發表一項跨學科研究，首次利用3D打印技術系統探究昆蟲擬態的進化機制。研究團隊制作了一系列從低相似度到高保真度的擬態蝴蝶模型，在野外測試鳥類、螳螂、跳蛛等捕食者的攻擊行為，從而量化“模仿多像才算有效”。

實驗發現，鳥類對顏色和體型偏差極為敏感，稍有不符即會識破；而無脊椎捕食者如蜘蛛則容忍度更高。這一差異解釋了為何在鳥類主導區域，擬態演化得極其精細，而在其他生態位則相對寬松。

△用于生成人工擬態刺激物的方法概述

3D打印在此充當了生態學的“可控實驗平臺”，使抽象的自然選擇壓力變得可測量、可重復。這項工作標志著增材制造正成為生命科學探索復雜行為與進化規律的新工具。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09216-3

5. 3D打印離子阱：為大規模量子計算機鋪路

2025年9月，南極熊獲悉，來自加州大學伯克利分校、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室等頂尖機構組成的聯合研究團隊，利用雙光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）的高分辨率3D打印技術，成功制造出性能卓越且可規模化生產的微型三維（3D）離子阱陣列首次將雙光子聚合（2PP）3D打印技術應用于高性能離子阱制造。傳統離子阱面臨“性能”與“可擴展性”的兩難：3D手工阱性能優異但難以集成，2D芯片阱易量產卻性能受限。該研究通過在基底上3D打印微米級聚合物支架并鍍金屬，成功構建出兼具深勢阱、高頻率與芯片兼容性的微型3D離子阱。

實驗以??Ca?離子為量子比特，測得徑向阱頻率高達24 MHz，陷阱深度達1.3 eV——比同類表面阱強一個數量級以上。更關鍵的是，僅用標準多普勒冷卻即可將離子冷卻至接近量子基態（平均聲子數 n≈0.5），并在此基礎上實現97.8%保真度的雙量子比特糾纏門，且所需射頻電壓降低近十倍，顯著減少功耗與加熱噪聲。

△3D打印工藝及3D打印離子阱（3D-100-Au-V）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

這項工作驗證了3D打印在量子硬件制造中的可行性，提供了一條通向可擴展、高性能量子處理器的新路徑。未來，此技術有望與集成光子學、低溫電子學結合，加速實用化量子計算機的研發進程。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1

6. 智能感知打印：GRACE系統讓3D打印機“看懂”再打印

2025年9月，南極熊獲悉，荷蘭烏得勒支大學在《Nature》發表研究，推出名為GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）的新型3D打印方法。該技術將光片顯微成像、計算機視覺與體積打印深度融合，使打印機能夠“看見”目標對象（如細胞、微球或已有結構），并自動生成適配其形狀與位置的打印路徑，實現真正意義上的上下文感知制造。

GRACE系統通過光片掃描快速獲取打印區域的3D點云數據，結合多參數建模算法，在幾分鐘內生成血管狀通道、封裝結構或對齊支架等復雜幾何。實驗中，它成功圍繞胰島細胞構建優化微通道，使前胰島素分泌提升1.6倍；還能自動對齊股骨與軟骨模型，構建功能性骨軟骨復合組織，并在4周內維持細胞活性與基質合成。

△GRACE 打印

這項工作標志著3D打印從“被動執行設計”邁向“主動感知-響應”的智能新階段。未來，GRACE有望廣泛應用于個性化組織工程、軟體機器人制造及多材料集成系統，為再生醫學和先進制造提供數據驅動的新范式。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09436-7

7.超大規模金屬透鏡陣列實現并行飛秒激光3D打印

2025年12月，《Nature》報道了一項由斯坦福大學等機構完成的突破性制造技術。研究團隊開發出包含數十萬顆高數值孔徑（NA）的超大面積金屬透鏡陣列，并將其集成到雙光子光刻（TPL）系統中，成功實現厘米級尺度、亞微米分辨率的并行3D打印。

傳統TPL依賴單點掃描，速度極慢；而新系統通過空間光調制器調控入射激光強度分布，再經金屬透鏡陣列同時聚焦成數萬個獨立焦點，將打印通量提升近五個數量級，可在數分鐘內制造出包含數億體素的復雜三維微結構，如仿生晶格、微流控網絡和功能光子器件。

△基于超透鏡的雙光子光刻

這項工作直接推動了高速、高分辨、大尺度3D打印的實用化。所采用的金屬透鏡本身也通過電子束光刻與干法刻蝕工藝在硅基底上制造，雖非傳統“增材”方式，但其作為核心光學元件賦能下一代并行3D打印系統，為未來基于光場調控的超快增材制造提供了關鍵硬件基礎。研究團隊已打印出3厘米尺度的3D架構，特征尺寸低于200納米，展示了該技術在微納光子學、組織工程支架和超材料批量制造中的巨大潛力。

南極熊總結

2025年《Nature》上的3D打印相關研究體現出鮮明的跨學科特征。科學家們構建可循環熱固材料、利用3D打印操控量子離子、模擬昆蟲擬態、生成適配細胞的血管網絡，讓打印機具備環境感知能力，甚至實現亞微米分辨率的并行3D打印。這些成果拓展了3D打印的應用邊界，也反映出它已深度融入基礎科研，不再僅用于制造樣品，而是服務于科學發現本身。

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