麻省理工学院开发双波长桶式光聚合方法，可实现复杂的设计并减少浪费

2025年6月9日，南极熊获悉，来自麻省理工学院的研究人员开发了一种新型光固化 3D 打印方法，所使用的光敏树脂能够根据所照射的光线类型形成耐用的结构和可溶解的支撑物。紫外线 (UV) 可使树脂硬化成坚固的永久形状，而可见光则可产生可溶解于特定溶剂的较弱支撑物。这种新方法无需切割或锉削等手动后处理，从而加快了生产速度并最大限度地减少了浪费。

参与项目的麻省理工学院研究生尼古拉斯·迪亚科说道：“现在，你只需一次打印就能打印出包含多个部件、功能性组件，这些组件包含可移动或互锁的部件，而且基本上可以清洗掉支撑。你不用把这些材料扔掉，而是可以在现场回收，从而减少浪费。这才是最终的目的。”

△可溶解的支持物。图片来自麻省理工学院。

相关研究以题为“Dual-Wavelength VatPhotopolymerization With Dissolvable, Recyclable Support Structures”的论文发表在《先进材料技术》杂志上，由 Diaco 与 Carl Thrasher、Max Hughes、Kevin Zhou、Michael Durso、Saechow Yap、Robert Macfarlane 教授和 A. John Hart 教授合作完成。项目得到了香港感知与交互智能中心 (InnoHK)、美国国家科学基金会、美国海军研究办公室和美国陆军研究办公室的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202500650

工作原理：双固化树脂创新

传统的桶装光聚合 (VPP) 工艺始于一个包含物体和小型支撑结构的 3D 数字模型。模型被切成薄片，并送入 VPP 3D 打印机，在那里逐层构建。打印完成后，平台将部件从树脂槽中取出，冲洗掉多余的树脂，并手动移除并丢弃临时支撑。迪亚科说道：“大多数情况下，这些支撑最终会产生大量废弃物。”

为了应对这一挑战，麻省理工学院的研究团队开发了一种双固化树脂，由两种对光有明显反应的单体组成。紫外线照射会诱导形成坚固的永久性结构，而可见光则会引发较弱的可溶性支撑物的生成，这些支撑物可在各种食品安全液体（包括婴儿油）中降解。值得注意的是，这些支撑物还可以溶解在原始树脂的主要液体成分中，从而促进材料的持续回收利用。

△使用新树脂制成的 3D 打印微型齿轮的转动方式与其他材料制成的典型齿轮一样。来自麻省理工学院

最初，这种方法在应用过程中面临挑战：在采用比实验室台式设备强度更低的LED的3D打印机上，紫外固化树脂无法在溶液中保持稳定。较弱的光线只能部分键合单体链，导致结构连接过于松散，无法保持完整。研究人员通过引入第三种“桥接”单体克服了这一限制，这种单体在紫外光下帮助两种原始单体键合，从而形成更坚固的框架。这项改进使他们能够通过在单次打印过程中交替使用紫外光和可见光，同时打印出耐用的3D结构和可溶解的支撑物。研究团队使用这种方法成功打印了一系列设计，包括互锁齿轮、格子框架以及包裹在可溶解蛋状外壳中的微型恐龙。

迪亚科说：“所有这些结构，打印时都需要内外支撑网格。移除这些支撑通常需要小心地手动移除。这表明，我们可以快速且可持续地打印包含大量活动部件的多部件组件，以及助听器和牙科植入物等精细的个性化产品。”

△使用新型树脂打印复杂结构，包括功能性齿轮系、复杂晶格和牙种植体。图片来自麻省理工学院。

约翰·哈特教授强调，这项技术为更可持续地扩展聚合物3D打印开辟了新的可能性。哈特说道：“我们将继续研究工艺的极限，并希望开发出更多具有这种波长选择性和耐用产品所需机械性能的树脂。结合自动化部件处理和溶解树脂的闭环再利用，这是一条通往资源高效、经济高效的大规模聚合物3D打印的激动人心的途径。”

麻省理工学院推动机器人和生物工程领域 3D 打印技术发展

今年3月，麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）与浙江大学和清华大学合作，推出了“ Xstrings ”技术，这是一种3D打印缆绳驱动机构的新方法，能够实现类似人类的运动——弯曲、盘绕、拧紧和压缩。传统上，嵌入缆绳需要手工操作，但Xstrings采用多材料FDM打印技术，只需一步即可将缆绳直接集成到结构中。配套的数字工具使用户无需手动组装即可设计和打印复杂且可运动的组件。

此外，麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法，可以培育出能够在多个方向收缩的人造肌肉组织，从而比以往更接近地模拟天然肌肉的运动。这项技术发表在《生物材料科学》杂志上，引入了一种微地形冲压方法，可以精确控制肌肉纤维的形成和排列。该研究成果有望应用于生物混合机器人、再生医学和肌肉疾病研究，并有助于弥合工程组织与生物组织之间的差距。