麻省理工學院開發(fā)雙波長桶式光聚合方法，可實現(xiàn)復雜的設計并減少浪費

2025年6月9日，南極熊獲悉，來自麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種新型光固化 3D 打印方法，所使用的光敏樹脂能夠根據(jù)所照射的光線類型形成耐用的結構和可溶解的支撐物。紫外線 (UV) 可使樹脂硬化成堅固的永久形狀，而可見光則可產(chǎn)生可溶解于特定溶劑的較弱支撐物。這種新方法無需切割或銼削等手動后處理，從而加快了生產(chǎn)速度并最大限度地減少了浪費。

參與項目的麻省理工學院研究生尼古拉斯·迪亞科說道：“現(xiàn)在，你只需一次打印就能打印出包含多個部件、功能性組件，這些組件包含可移動或互鎖的部件，而且基本上可以清洗掉支撐。你不用把這些材料扔掉，而是可以在現(xiàn)場回收，從而減少浪費。這才是最終的目的。”

△可溶解的支持物。圖片來自麻省理工學院。

相關研究以題為“Dual-Wavelength VatPhotopolymerization With Dissolvable, Recyclable Support Structures”的論文發(fā)表在《先進材料技術》雜志上，由 Diaco 與 Carl Thrasher、Max Hughes、Kevin Zhou、Michael Durso、Saechow Yap、Robert Macfarlane 教授和 A. John Hart 教授合作完成。項目得到了香港感知與交互智能中心 (InnoHK)、美國國家科學基金會、美國海軍研究辦公室和美國陸軍研究辦公室的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202500650

工作原理：雙固化樹脂創(chuàng)新

傳統(tǒng)的桶裝光聚合 (VPP) 工藝始于一個包含物體和小型支撐結構的 3D 數(shù)字模型。模型被切成薄片，并送入 VPP 3D 打印機，在那里逐層構建。打印完成后，平臺將部件從樹脂槽中取出，沖洗掉多余的樹脂，并手動移除并丟棄臨時支撐。迪亞科說道：“大多數(shù)情況下，這些支撐最終會產(chǎn)生大量廢棄物�！�

為了應對這一挑戰(zhàn)，麻省理工學院的研究團隊開發(fā)了一種雙固化樹脂，由兩種對光有明顯反應的單體組成。紫外線照射會誘導形成堅固的永久性結構，而可見光則會引發(fā)較弱的可溶性支撐物的生成，這些支撐物可在各種食品安全液體（包括嬰兒油）中降解。值得注意的是，這些支撐物還可以溶解在原始樹脂的主要液體成分中，從而促進材料的持續(xù)回收利用。

△使用新樹脂制成的 3D 打印微型齒輪的轉動方式與其他材料制成的典型齒輪一樣。來自麻省理工學院

最初，這種方法在應用過程中面臨挑戰(zhàn)：在采用比實驗室臺式設備強度更低的LED的3D打印機上，紫外固化樹脂無法在溶液中保持穩(wěn)定。較弱的光線只能部分鍵合單體鏈，導致結構連接過于松散，無法保持完整。研究人員通過引入第三種“橋接”單體克服了這一限制，這種單體在紫外光下幫助兩種原始單體鍵合，從而形成更堅固的框架。這項改進使他們能夠通過在單次打印過程中交替使用紫外光和可見光，同時打印出耐用的3D結構和可溶解的支撐物。研究團隊使用這種方法成功打印了一系列設計，包括互鎖齒輪、格子框架以及包裹在可溶解蛋狀外殼中的微型恐龍。

迪亞科說：“所有這些結構，打印時都需要內(nèi)外支撐網(wǎng)格。移除這些支撐通常需要小心地手動移除。這表明，我們可以快速且可持續(xù)地打印包含大量活動部件的多部件組件，以及助聽器和牙科植入物等精細的個性化產(chǎn)品�！�

△使用新型樹脂打印復雜結構，包括功能性齒輪系、復雜晶格和牙種植體。圖片來自麻省理工學院。

約翰·哈特教授強調(diào)，這項技術為更可持續(xù)地擴展聚合物3D打印開辟了新的可能性。哈特說道：“我們將繼續(xù)研究工藝的極限，并希望開發(fā)出更多具有這種波長選擇性和耐用產(chǎn)品所需機械性能的樹脂。結合自動化部件處理和溶解樹脂的閉環(huán)再利用，這是一條通往資源高效、經(jīng)濟高效的大規(guī)模聚合物3D打印的激動人心的途徑�！�

麻省理工學院推動機器人和生物工程領域 3D 打印技術發(fā)展

今年3月，麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室（CSAIL）與浙江大學和清華大學合作，推出了“ Xstrings ”技術，這是一種3D打印纜繩驅動機構的新方法，能夠實現(xiàn)類似人類的運動——彎曲、盤繞、擰緊和壓縮。傳統(tǒng)上，嵌入纜繩需要手工操作，但Xstrings采用多材料FDM打印技術，只需一步即可將纜繩直接集成到結構中。配套的數(shù)字工具使用戶無需手動組裝即可設計和打印復雜且可運動的組件。

此外，麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種新方法，可以培育出能夠在多個方向收縮的人造肌肉組織，從而比以往更接近地模擬天然肌肉的運動。這項技術發(fā)表在《生物材料科學》雜志上，引入了一種微地形沖壓方法，可以精確控制肌肉纖維的形成和排列。該研究成果有望應用于生物混合機器人、再生醫(yī)學和肌肉疾病研究，并有助于彌合工程組織與生物組織之間的差距。