院士領銜，清華大學，最新Nature，中文署名：3D打印新突破！

體積增材制造已成為一種靈活生產復雜結構的有前景的技術，在工程、光子學和生物學等領域具有廣泛應用1,2。然而，目前的方法仍然面臨分辨率與體積構建速率之間的權衡，限制了高分辨率三維結構的高效靈活生產。

鑒于此，清華大學戴瓊海教授、吳嘉敏教授與方璐教授提出了一種名為全息光場數字非相干合成（DISH）的方法，該方法通過高速旋轉的潛望鏡進行連續多角度投影來生成高分辨率三維光分布，無需樣品旋轉。在DISH中，針對不同角度的全息圖進行迭代優化，可在1厘米范圍內保持19微米的打印分辨率，該分辨率遠超物鏡的景深，能夠在僅0.6秒內實現毫米級物體的高分辨率原位三維打印。他們使用不同粘度的丙烯酸酯材料來展示DISH的普遍兼容性。通過將DISH與流體通道相結合，他們在低粘度材料中實現了復雜且多樣化的三維結構的大規模生產，展示了其在不同領域廣泛應用的前景。相關研究成果以題為“Sub-second volumetric 3D printing by synthesis of holographic light fields”發表在最新一期《nature》上。

【DISH原理】

為規避CAL中高速樣品旋轉的不穩定性，DISH創新設計一套旋轉潛望鏡（圖1a、1b），置于物鏡前方改變圖案化光束方向，以高達10轉/秒的速度實現光場高速多角度投影。DMD以17,000 Hz速率生成高分辨率光調制圖案，并與潛望鏡旋轉角度精準同步，實現3D光強度分布的非相干合成（圖1c）。所有光束均通過容器單一平坦表面投射，簡化打印容器要求，為原位打印乃至活體生物打印提供可能。實驗表明，DISH可在0.6秒內于低粘度聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水溶液中完成毫米級物體3D打印（圖1c），超高速打印有效規避傳統CAL因打印時間長達數十秒所需的高粘度墨水（6000–10000 cP）限制。為進一步提升分辨率，DISH采用長工作距離、0.055 NA物鏡進行光投影。針對高NA帶來的淺景深問題（0.055 NA、405 nm波長下約0.4 mm），DISH使用相干激光源并通過全息計算優化光場，無需機械移動焦平面即可實現遠超物鏡原生景深20倍以上（高達1 cm）的高分辨率3D光調制（圖1d）。

圖 1. DISH 的原理與示意圖

【全息光場優化】

DISH開發一套“由粗到細”迭代算法，基于相干光波光學模型對DMD上的二元投影圖案進行全息優化（圖2a）。優化問題旨在最小化目標區域內外累積劑量的誤差，其中累積劑量由多角度投影光強非相干疊加及光固化材料響應共同決定。算法首先通過梯度下降法為N個離散角度求解高分辨率粗強度分布，隨后將每個角度鄰近的G幅二元投影圖案編為一組，通過全息迭代算法逐組優化，在無需機械移焦情況下擬合目標高分辨率強度分布。與傳統CAL中基于射線近似的罰函數最小化（PM）方法相比，DISH全息優化方法在0.055 NA物鏡下實現1 cm深度范圍內高分辨率3D結構精確光場合成（圖2b、2c）。相較于經典全局Gerchberg-Saxton全息算法，該方法在Jaccard指數和符號距離函數上均展現更高強度分布精度（圖2d）。研究分析了投影總數與二值化參數G對打印精度的影響：更多投影可提升保真度，總投影數超過1,000時趨于收斂；較小G雖以更少投影達到收斂，但會損失整體灰度信息導致保真度下降（圖2e）。實驗選取G=10，總投影數1,800（對應180個粗3D劑量），DMD可在0.06秒內完成1,000幅圖案投影，確保高速打印。

圖 2. 投影圖案粗細全息優化算法的示意與評估

【DISH實驗校準】

光束在空氣與材料界面發生折射，導致圖案邊緣模糊（圖3a），研究團隊在波光學傳播模型中精確納入折射過程以減小誤差。針對DISH非同軸、多視角光學系統特點，旋轉潛望鏡過程中任何角度投影的不匹配都會造成積分強度模糊。受掃描光場成像中數字自適應光學技術啟發，團隊開發一套基于自適應光學的快速校準方法：利用正交雙相機在熒光材料中捕捉光強作為波前傳感器，檢測各角度投影的偏差量，并反饋至DMD，對各角度投影圖案進行像素級橫向位移補償（圖3b、3d）。通過旋轉潛望鏡逐角度捕獲光束圖像，建立DMD像素、平臺角度與3D位置之間的精確映射；同時，通過投影特定條紋圖案標定DMD原生焦平面的傳播距離等波光學參數（圖3c）。整套校準過程僅需數分鐘，對固定系統僅需一次性標定，無需硬件改動。實驗表明，經全息優化與自適應光學系統校準后，DISH可在熒光溶液中生成高質量3D投影強度。即使軸向偏離打印中心4.8 mm（遠超0.4 mm景深），經全息優化的圖案仍能保持高分辨率特征，而傳統背向投影法則因離焦效應顯著退化（圖3e、3f）。

圖 3. DISH 的實驗校準

【DISH高分辨率3D打印】

為系統評估DISH實驗打印分辨率，研究團隊首先在1 cm深度范圍內打印高分辨率浮雕條紋結構。結果顯示，經全息優化算法優化的圖案，最小線寬可達11.0±1.2 μm，且在整個1 cm深度范圍內分辨率高度均勻（圖4a、4b、4d–4g）。相比之下，傳統幾何光學背向投影算法優化的圖案邊緣粗糙，最小線寬僅54.0±2.9 μm（圖4c）。魚骨結構正特征尺寸為11.9±2.1 μm（圖4h、4i），五角星模型設計角度36°，實測角度36.0±1.6°（圖4j），三棱錐邊緣銳利（圖4k），海螺模型各方向線條寬度穩定在19.3±3.4 μm（圖4l–4o）。以上數據充分證明DISH在厘米級尺度內實現了高分辨率、高保真度3D打印。

圖 4. 對 DISH 打印分辨率的實驗特性描述

為展示其連續化柔性生產能力，研究團隊將DISH與流體通道、泵及濾網集成，構建高速流水線式3D打印平臺（圖5a）。單樣品曝光時間僅0.6秒，可連續制造立方框架、四面體框架、花朵、魷魚、脊髓切片、分叉管等多樣化結構（圖5b、5c），突破傳統固定模具批量生產只能制造單一構型的局限。在工業與工程應用方面，DISH成功打印狄奧多里克雕像、魷魚雕像、Benchy模型等具有復雜曲面與懸垂結構的精密件（圖5d–5g）；在生物醫學領域，打印仿生血管螺旋中空管，并通過注入不同顏色墨水驗證空腔結構（圖5h）。DISH單側投影的特性使其能夠在固定表面上實現高速活體原位生物打印，同時同步體積打印可輕松制造擠出式或逐層打印難以實現的無支撐鏈條結構。此外，DISH展現出廣泛材料兼容性：除PEGDA外，高硬度二季戊四醇六丙烯酸酯（DPHA）、雙酚A甘油酸酯二丙烯酸酯（BPAGDA），生物基水凝膠明膠甲基丙烯酰酯（GelMA）、絲素蛋白甲基丙烯酰酯（SilMA），以及彈性聚氨酯二甲基丙烯酸酯（UDMA）等多種常用光固化材料均成功實現打印（圖5i–5k），彰顯該方法在靈活性與高效性上的普適優勢。

圖 5. 使用流控通道的 DISH 連續 3D 打印多種結構

【總結】

DISH通過軟硬件協同創新，實現0.6秒內連續化生產毫米級尺寸、高分辨率（19 μm特征尺寸、1 cm深度均勻）復雜三維物體。系統數分鐘內完成校準，無需硬件改動。在200 mm3樣品體積下，最低曝光0.6秒，實現333 mm3/s體積打印速率，以及（11 μm）2 × 22 μm體素尺寸下1.25×10?體素/秒的體素打印速率，較其他毫米級3D打印方法在速度與分辨率上均實現顯著突破。未來，采用更高功率激光源，DMD與旋轉潛望鏡可提升至10轉/秒以上，成倍加速構建速率；流體系統批量處理速度可通過優化流道進一步提升。當前算法處理1,350×1,350×1,852體素模型需約24小時，引入深度學習與GPU加速將大幅縮短計算周期。DISH技術為突破傳統體積打印在分辨率、速度與材料適應性之間的權衡提供全新范式，在高通量器官生物打印、個性化藥物篩選、微型智能器件及集成光子學制造等領域具有廣闊應用前景。