比硬币还小：研究人员展示了第一台基于芯片的3D打印机

  想象一下你可以拿在手心的便携式3D打印机。这种微小的设备能使用户在旅途中快速创建定制的低成本物品，比如修复摇摇晃晃的自行车轮的紧固件或用于关键医疗手术的部件。

  麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员展示了第一台基于芯片的3D打印机，朝着实现这一想法迈出了重要的一步。他们的概念验证装置由一个毫米级的光子芯片组成，该芯片可以向树脂井中发射可重构光束，当光线照射到树脂井中时，树脂井会固化成固体形状。

  原型芯片没有活动部件，而是依靠一组微小的光学天线来引导一束光。光束投射到一种液体树脂中，当暴露在光束的可见光波长下，这种树脂被设计成能够迅速固化。

  通过结合硅光子学和光化学，跨学科研究团队能够展示一种芯片，可以引导光束3D打印任意二维图案，包括字母M-I-T。形状可以在几秒钟内完全成形。

  从长远来看，他们设想了一个系统，在树脂井的底部放置一个光子芯片，发出可见光的3D全息图，一步就能快速固化整个物体。

  这种类型的便携式3D打印机可以有许多应用，例如使临床医生能够创建定制的医疗设施组件，或允许工程师在工作现场快速制作原型。

  “这个系统完全重新思考了3D打印机是什么。它不再是一个坐在实验室长凳上创造物体的大盒子，而是一种手持和便携式的东西。考虑到也许会出现的新应用以及3D打印领域的变化，这是令人兴奋的，”资深作者、电子研究实验室成员、电子工程和计算机科学（EECS）罗伯特·j·希尔曼职业发展教授耶琳娜·诺塔诺斯说。

  与诺塔诺斯一起发表论文的还有首席作者、EECS研究生萨布丽娜·科塞蒂。这项研究发表在今天的《自然光科学与应用》杂志上。

  作为硅光子学方面的专家，诺塔诺斯的团队之前开发了集成的光学相控阵系统，该系统使用半导体制造工艺在芯片上制造的一系列微尺度天线来引导光束。通过加速或延迟天线阵列两侧的光信号，它们能将发射的光束向某个方向移动。

  这样的系统是激光雷达传感器的关键，激光雷达传感器通过发射红外光束来映射周围的环境，这些光束会被附近的物体反射。最近，该小组专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统。

  大约在他们开始头脑风暴的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的佩奇小组首次展示了能够正常的使用可见光波长快速固化的特殊树脂。这是将基于芯片的3D打印机推向现实的缺失部分。

  科塞蒂说：“光固化树脂很难在红外波段固化，而过去集成光学相控阵系统在激光雷达中使用的正是红外波段。在这里，我们在标准光化学和硅光子学之间相遇，利用可见光固化树脂和可见光发射芯片来创建这种基于芯片的3D打印机。你将两种技术融合成一个全新的想法。”

  他们的原型由一个包含160纳米厚光学天线阵列的单个光子芯片组成。（一张纸大约有10万纳米厚。）整个芯片可以装在一个25美分硬币上。

  当由芯片外激光器供电时，天线会向光固化树脂中发射一束可操纵的可见光。芯片位于透明的载玻片下面，就像显微镜中使用的那样，载玻片上有一个浅凹痕，用来容纳树脂。研究人员使用电信号来非机械地引导光束，使树脂在光束照射的地方凝固。

  但是有效地调制可见光波长的光，包括改变其振幅和相位，是特别棘手的。一种常见的方法需要加热芯片，但这种方法效率低下，而且需要大量的物理空间。

  相反，研究人员使用液晶来设计紧凑的调制器，并将其集成到芯片上。该材料独特的光学特性使调制器非常高效，长度仅为20微米左右。

  芯片上的单个波导可以接收芯片外激光器发出的光。沿着波导运行的是微小的开关，这些开关会将一点点光发送到每个天线上。

  研究人员利用电场主动调整调制器，使液晶分子在特定方向上重新定向。通过这一种方式，他们可以精确地控制传输到天线的光的振幅和相位。

  但形成和控制光束只是战斗的一半。与一种新型光固化树脂的接合，是一个完全不同的挑战。

  德克萨斯大学奥斯汀分校的佩奇小组与麻省理工学院的诺塔诺斯小组密切合作，仔细调整化学组合和浓度，以确定一种能提供长保质期和快速固化的配方。

  在这个原型的基础上，他们想要朝着开发一个系统的方向发展，就像他们最初构想的那样 —— 一个芯片，在树脂井中发射可见光的全息图，只需一步就能实现体积3D打印。

  “为了做到这一点，我们应该一种全新的硅光子学芯片设计。我们已在这篇论文中列出了很多最终系统的外观。现在，我们很高兴能继续朝着这个终极演示努力，”耶琳娜·诺塔诺斯说。

  这项工作部分由美国国家科学基金会、美国国防高级研究计划局、罗伯特·韦尔奇基金会、麻省理工学院罗尔夫·g·洛彻捐赠奖学金和麻省理工学院弗雷德里克和芭芭拉·克罗宁奖学金资助。