想象一下，有一台可以握在手掌中的便携式 3D 打印机。这款微型设备可以让用户随时随地快速创建定制的低成本物品，例如用于修复摇晃的自行车车轮的紧固件或用于重要医疗手术的部件。
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一步。他们的概念验证设备由一个毫米级光子芯片组成，该芯片将可重构光束发射到树脂孔中，当光线照射到树脂孔中时，树脂孔会固化成固体形状。
原型芯片没有移动部件，而是依靠微型光学天线阵列来控制光束。光束向上投射到液态树脂中，这种树脂在暴露于光束波长的可见光下时会迅速固化。
通过结合硅光子学和光化学，这个跨学科研究团队成功研发出一种芯片，可以引导光束 3D 打印任意二维图案，包括字母 MIT。只需几秒钟，形状就可以完全成型。
从长远来看，他们设想的系统是将光子芯片放置在树脂井的底部，并发射可见光的 3D 全息图，只需一步即可快速固化整个物体。
这种便携式 3D 打印机有很多应用，例如允许临床医生创建定制的医疗设备组件或允许工程师在工作现场制作快速原型。
“该系统完全重新定义了 3D 打印机。它不再是一个放在实验室工作台上用来制造物品的大盒子，而是一个可以手持和携带的东西。想想由此可能产生的新应用以及 3D 打印领域将如何改变，真是令人兴奋，”资深作者 Jelena Notaros 说道，她是电气工程和计算机科学 (EECS) 的 Robert J. Shillman 职业发展教授，也是电子研究实验室的成员。
与 Notaros 一起参与撰写该论文的还有论文第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 届）、EECS 研究生 Tal Sneh、德克萨斯大学奥斯汀分校应届毕业生 Alex Safford 以及德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系助理教授 Zak Page。该研究于今日（6 月 6 日）在《光：科学与应用》上发表。
使用芯片打印
Notaros 团队是硅光子学专家，他们之前开发了集成光学相控阵系统，该系统使用一系列采用半导体制造工艺在芯片上制造的微型天线来控制光束。通过加速或延迟天线阵列两侧的光信号，他们可以将发射光束移向某个方向。
此类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，这些光束从附近的物体上反射回来，从而绘制周围环境的地图。最近，该团队专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统。
他们想知道这种设备是否可以用于基于芯片的 3D 打印机。
就在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可见光波长快速固化的专用树脂。这是推动基于芯片的 3D 打印机成为现实的缺失部分。
“对于光固化树脂，很难让它们在红外波长下完全固化，而过去集成光学相控阵系统就是在红外波长下为激光雷达工作的，”科尔塞蒂说。“在这里，我们通过使用可见光固化树脂和可见光发射芯片，在标准光化学和硅光子学之间找到平衡，创造出了这种基于芯片的 3D 打印机。你将这两种技术融合成一个全新的想法。”
他们的原型由一个光子芯片组成，芯片内有 160 纳米厚的光学天线阵列。（一张纸的厚度约为 100,000 纳米。）整个芯片可装在一枚 25 美分硬币上。
当由芯片外激光器供电时，天线会将一束可操纵的可见光发射到光固化树脂槽中。芯片位于透明载玻片下方，类似于显微镜中使用的载玻片，载玻片上有一个浅凹口，用于容纳树脂。研究人员使用电信号非机械地操纵光束，使树脂在光束照射到的地方固化。
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