清華新聞網(wǎng)2月12日電 三維打印技術(shù)作為科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的重要工具，其高效率、高精度的性能突破關(guān)系到生物醫(yī)學(xué)、微納科技等多個(gè)前沿領(lǐng)域的發(fā)展?，F(xiàn)有的三維打印技術(shù)存在較為突出的“速度和精度”的矛盾：傳統(tǒng)逐點(diǎn)、逐層打印技術(shù)雖能保障精度，但打印效率較低，毫米級(jí)物體往往需要數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)才能完成加工，難以適配實(shí)際科研與生產(chǎn)的需求；現(xiàn)有的體積打印技術(shù)，如計(jì)算軸向光刻（CAL），采用一體成型的打印方式提升了速度，卻受限于容器需旋轉(zhuǎn)和景深不足等因素，樣本在景深外的打印精度顯著下降，且只能使用高粘度材料防止樣品下沉，適用范圍受到較大限制。
清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期深耕于計(jì)算光學(xué)領(lǐng)域，十余年來(lái)在顯微成像、天文成像、光計(jì)算等多個(gè)方向取得了突出成果與廣泛應(yīng)用。研究中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)計(jì)算光學(xué)不僅可用于“捕捉光場(chǎng)信息”（如成像觀(guān)測(cè)），還能反向應(yīng)用于“利用光場(chǎng)構(gòu)建物體”（如三維打印）?；谶@一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)將計(jì)算光學(xué)技術(shù)拓展到增材制造領(lǐng)域，通過(guò)成像光路的逆過(guò)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從信息獲取到實(shí)體制造的技術(shù)跨越。研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)五年攻關(guān)，逐步攻克了多視角光場(chǎng)的高速調(diào)控、拓展景深的全息圖案優(yōu)化算法設(shè)計(jì)、基于數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)的高精度光路矯正等一系列難題，最終研發(fā)出了“數(shù)字非相干合成全息光場(chǎng)（DISH）”三維打印技術(shù)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
DISH 技術(shù)的核心創(chuàng)新，是將計(jì)算光學(xué)領(lǐng)域“記錄高維成像過(guò)程，計(jì)算重構(gòu)三維場(chǎng)景”的思路反轉(zhuǎn)，變成“調(diào)控高維光場(chǎng)，直接創(chuàng)造三維實(shí)體”，改變了傳統(tǒng)三維打印的底層邏輯。傳統(tǒng)三維打印不管是逐點(diǎn)還是逐層的構(gòu)建方式，都離不開(kāi)容器、打印材料與探頭之間的精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種打印模式不僅降低了傳統(tǒng)方法的打印效率，還對(duì)其容器結(jié)構(gòu)、材料粘度等進(jìn)行了相對(duì)嚴(yán)格的限制。而DISH 技術(shù)受光場(chǎng)顯微成像逆過(guò)程的啟發(fā)，確保了打印期間容器和材料全程靜止，并將三維實(shí)體的成型問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為了高速精準(zhǔn)調(diào)控并投影三維全息光場(chǎng)的光學(xué)問(wèn)題。
借助創(chuàng)新的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，DISH系統(tǒng)突破了逐點(diǎn)或逐層掃描模式的速度瓶頸，可在極短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)投影出復(fù)雜的三維光強(qiáng)分布。實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)生成毫米尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的曝光時(shí)間僅需0.6秒，體積打印速率達(dá)333 mm3/s，相當(dāng)于每秒生成1.25×10?個(gè)體素。這創(chuàng)造了體積三維打印曝光時(shí)間的新紀(jì)錄，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)體積打印技術(shù)的30秒水平，更是傳統(tǒng)逐點(diǎn)、逐層打印技術(shù)幾分鐘到數(shù)小時(shí)的加工耗時(shí)所無(wú)法企及的。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印產(chǎn)物展示
在傳統(tǒng)體積三維打印技術(shù)中，重力所導(dǎo)致的樣本下沉將引起材料流動(dòng)，這會(huì)嚴(yán)重影響成型質(zhì)量，因此只能選用高粘度材料抑制流動(dòng)。而DISH技術(shù)憑借超短的曝光時(shí)間，將材料流動(dòng)的影響大幅削弱，使得該技術(shù)能夠兼容從與水粘度接近的稀溶液到近似固態(tài)的高粘度樹(shù)脂等多種材料。
DISH技術(shù)對(duì)打印容器的要求極為簡(jiǎn)便，只需容器具備一個(gè)光學(xué)平面即可，無(wú)需特殊形狀設(shè)計(jì)；且打印過(guò)程中容器保持靜止，無(wú)需像傳統(tǒng)方法那樣要求容器或載物臺(tái)與探頭之間進(jìn)行高精度相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這一特性讓打印場(chǎng)景得到極大拓展，尤其能夠直接在普通的流體管道內(nèi)放置打印材料，實(shí)現(xiàn)流體環(huán)境中的批量、連續(xù)打印。這種無(wú)需復(fù)雜工裝、直接適配管道等特殊場(chǎng)景的打印能力，是傳統(tǒng)依賴(lài)精準(zhǔn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)或?qū)Ｓ萌萜鞯拇蛴〖夹g(shù)無(wú)法完成的。
管道內(nèi)全自動(dòng)超快連續(xù)三維打印，每次均可打印不同的三維形狀
除此之外，傳統(tǒng)打印技術(shù)普遍存在“焦面附近精度高、離焦區(qū)域精度衰減”的問(wèn)題，核心原因是缺乏有效的景深拓展手段。而DISH技術(shù)通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)校準(zhǔn)、像差矯正算法與全息算法的深度融合，從根本上解決了這一難題：像素級(jí)校準(zhǔn)系統(tǒng)可精準(zhǔn)補(bǔ)償光場(chǎng)傳播中的像差與偏移，自主研發(fā)的像差校正和三維全息算法則將同參數(shù)條件的景深從傳統(tǒng)的50微米拓展至1厘米。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的光學(xué)分辨率在1厘米范圍內(nèi)始終保持11微米，打印產(chǎn)物最細(xì)獨(dú)立特征可達(dá)12微米。
這項(xiàng)技術(shù)能夠用生物相容性材料打印模擬血管的螺旋管、分叉管，甚至在培養(yǎng)皿、生物組織上“原位打印”，為組織工程、高通量藥物篩選打開(kāi)新通道。在工程制造領(lǐng)域，它有望融入流水線(xiàn)，批量生產(chǎn)光子計(jì)算器件、手機(jī)相機(jī)模組等微型組件，打印帶有尖銳角度、復(fù)雜曲面的零件等。在未來(lái)，它還有望在容器內(nèi)堆疊不同功能的材料，實(shí)現(xiàn)“多材料打印”，從而拓展到柔性電子、微型機(jī)器人、高分辨率組織模型等場(chǎng)景。作為多學(xué)科交叉研究成果，DISH技術(shù)整合了光學(xué)工程、控制理論、人工智能算法、材料科學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)提供了新的解決方案。
該成果于北京時(shí)間2026年2月12日以《基于全息光場(chǎng)合成的亞秒級(jí)體積三維打印》（Sub-second Volumetric 3D Printing by Synthesis of Holographic Light Fields）為題發(fā)表在《自然》（Nature）上。清華大學(xué)自動(dòng)化系成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的戴瓊海院士、吳嘉敏副教授和電子系方璐教授為共同通訊作者；自動(dòng)化系博士后王旭康、馬遠(yuǎn)矚，電子系博士生牛一涵為共同第一作者；清華大學(xué)熊博、張安科、張國(guó)勛、陳一帆，浙江大學(xué)魏威為共同參與者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部等項(xiàng)目的資助支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10114-5
供稿：自動(dòng)化系
編輯：邱收
審核：周襄楠
