想軟就軟，想硬就硬，3D打印同種材料軟硬可調，2026年首篇3D打印《Science》論文

導讀：剛剛過去的一個月內，3D打印領域在國際頂尖期刊《Nature》雜志發表兩篇論文，在另一個頂尖期刊《Science》雜志上也發了一篇。

2026年1月31日，南極熊獲悉，Sandia National Laboratories 聯合多所高校在頂級期刊《Science》 上發表了一項突破性研究，推出名為 CRAFT 的新型3D打印技術。 科學家們巧妙地利用光照強度的變化，在微觀層面精準操控熱塑性塑料的分子排列， 成功打破了傳統制造中材料“非軟即硬”的單一屬性限制，為未來軟體機器人、智能護具及高性能減震材料的制造開辟了前所未有的路徑。

研究背景

聚乙烯等半結晶熱塑性塑料占據了全球約30%的塑料市場。這類材料有一個核心特性：結晶度決定材料性質。高結晶度讓材料堅硬強韌（如高密度聚乙烯 HDPE），低結晶度讓材料柔軟易延展（如低密度聚乙烯 LDPE）。

當下的制造策略，無論是傳統的注塑成型，還是新興的3D打印，往往只能制造出屬性單一的物體。一旦材料選定，打印出來的成品要么整體是硬的，要么整體是軟的。想要在一個連續的物體內部，像畫素描一樣精準控制哪里硬、哪里軟，一直是個巨大的挑戰。

CRAFT技術：光影魔術手

為了解決這一難題，來自 Sandia National Laboratories 和 The University of Texas at Austin 的研究團隊開發出一種全新的光基制造方法，命名為 CRAFT （Lithographic Crystallinity Regulation in Additive Fabrication of Thermoplastics，熱塑性塑料增材制造中的光刻結晶度調節）。

這項技術的意義在于，它徹底改變了對3D打印材料屬性的控制方式。 研究人員不再需要更換不同的墨水或通過復雜的物理拼接來獲得不同的機械性能。 他們 只需要調節打印時的光照強度，就能在微觀層面“指揮”分子的排列方式 。

△通過光照強度控制聚環辛烯 (pCOE) 的立體化學和結晶度百分比：(A) 示意圖：展示了利用光引發開環易位聚合 (photoROMP) 系統，偶然發現光照可以控制 pCOE 的結晶度 和立體化學結構。(B) 代表性光流變行為：COE 樹脂在經歷最初 30 秒的黑暗期后，暴露于 8 到 128 mW cm?2 范圍的連續光照下。圖中出現的兩個模量平臺期分別歸因于材料的初始固化和隨后的結晶過程。(C) 差示掃描量熱 (DSC) 曲線：展示了在不同光照強度下固化的 pCOE 樣品的熱學性質。所有光照均使用中心波長為 365 nm 的 LED 進行。

光照強弱決定分子命運

研究團隊使用一種名為 photoROMP（光引發開環易位聚合）的化學反應體系，并選用順式環辛烯（COE）作為單體。其中的科學原理非常巧妙： 光照劑量直接控制聚合物的立體化學結構。

? 低強度光照 ：化學反應較慢，分子鏈有足夠的時間和自由度整齊排列，形成高結晶度的區域，材料表現出類似 HDPE 的剛性和強度。

? 高強度光照 ：反應迅速，分子鏈來不及整齊堆疊就被“凍結”在混亂狀態，形成低結晶度甚至無定形的區域，材料則表現出類似 LDPE 的柔軟和延展性。

這一發現表明，利用現有的灰度光刻3D打印機（DLP）， 通過投射不同灰度的圖案，就能在體素（3D像素）級別上精準調控材料的光學和機械性能 。

△光編碼立體控制的機理：(A) 簡化機理示意圖：闡述了光照強度如何控制最終聚合物的立體化學結構。(B) 轉化率與反式含量演變：COE 反應混合物在連續暴露于高強度 (168 mW cm?2) 或低強度 (11 mW cm?2) 光照 2 小時期間，其轉化率和反式聚環辛烯含量隨時間的變化。(C) 脈沖光照實驗：COE 反應混合物在暴露于 10 秒的高強度或低強度光脈沖后，轉化率和反式含量的演變過程。(D) 分子量演變 (SEC 曲線)：展示了在使用 10 或 100 mW cm?2 光照 20 秒后，即刻、3 小時和 72 小時的分子量和分散度的變化。

從硬殼海龜到變色龍結構

研究人員打印了一系列復雜的演示樣品，證明了該技術：

△結晶度的灰度圖案化

?研究人員制造了一只微型海龜，海龜的背殼部分堅硬（高結晶度），而身體和四肢部分則柔軟有彈性（低結晶度），整個結構是使用同一種樹脂原料一次性打印完成的。實驗數據顯示，通過改變光照強度，材料的楊氏模量可以發生跨越式的變化。

?團隊印出了具有“結構色”效果的蒙娜麗莎像，利用結晶度不同導致的光學透明度差異來呈現圖像。

?團隊展示了名為“Bouligand”（旋轉堆疊的層狀結構）的仿生結構（模擬皮皮蝦的強韌外殼），通過交替打印硬層和軟層，顯著提升了材料的能量耗散能力和抗沖擊性能。

△利用光刻 CRAFT 技術進行多材料 3D 打印

未來展望：智能材料的新篇章

這項名為 CRAFT 的 3D 打印技術，通過光照強度精準調控單一材料的結晶度，實現了從硬質塑料到軟彈橡膠的無縫轉換，并成功制造出具有復雜力學性能的仿生結構（如海龜殼、皮皮蝦結構）。此技術突破了傳統多材料打印的界面結合難題，未來有望在軟體機器人、個性化醫療護具及高性能減震材料領域實現廣泛應用，為單材多性制造開辟了新路徑。