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二零一八年十二月十七日

中大工程学院研发数码全息纳米3D打印机
高速印制精密构造成品 跻身全球百大创新发明



香港中文大学(中大)工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授及其团队研发的「数码全息纳米3D打印机」(Nano-Builder),获得有「创科界奥斯卡」之称的全球R&D100年奖嘉许,被选为2018年度全球一百大创新发明之一。Nano-Builder能以秒速印制结构复杂、细如发丝的精细组件,尤其适合高端纳米科技、先进材料、微支架及药物传输技术的研发需要。

3D打印技术,曾被誉为第三次工业革命的领跑者,可应用至航天、医疗、科研,以至娱乐消费等各个范畴。通过实现更快捷简易的原型制作和制造流程,3D打印为各个行业开辟了新的可能性。然而,其在速度、解像度和灵活性方面仍存在著许多限制。Nano-Builder采用了革命性的数字全息雷射扫描及光束整形技术,能够以高速(22.7 kHz)多焦点扫描,打破传统3D打印机单焦点低精度的局限,并同时达到纳米级别的打印精度。新技术可以在三维的空间中随机扫描,不必由底部开始逐层扫描至顶部,超越了空间的制肘。

多个扫描焦点可以在相同速度下,移动至打印空间中的任何一点,即使没有结构及材料的支撑,仍可打印出复杂的悬垂结构,精密细致的微型成品。跟现有技术比较,过程毋须浪费额外的物料作支撑;而总打印时间与结构的固体体积成正比,跟复杂程度完全无关,大幅提升了打印的速度及精确度。陈世祈教授表示,快速而精细的Nano-Builder最有利于开发各类微小尺度的科研器件(如光子晶体、微纳流体器件、仿真生物组织及支架、药物传输工具等)用以协助研究人员制作复杂、精巧的组件,从而革新了纳米科技、先进材料及医疗工具的相关技术。

另一大特点是其便捷的系统模组化设计及延伸性,Nano-Builder的成像模组可快速的替换,提供先进的双光子显微成像功能,应用于生物及医学影像等范畴。在光遗传学研究应用中,Nano-Builder能同时准确刺激生物大脑中多个神经元,而不伤害神经元周围的结构,可用于长时间研究大脑神经回路及特定功能,如小鼠或斑马鱼的嗅觉、视觉或认知功能,将3D随机扫瞄的优点延伸至医学或基础生物研究工具。

是项崭新的打印技术历时四年孕育,研究团队于早年获得创新科技署的「大学科技初创企业资助计划」支持,奠定稳健的基础。随后,由陈世祈教授及团队创立的「多尺度精密仪器实验室」(Multiscale Precision Instrumentation Laboratory)进驻中大「前期创业育成中心」(Pre-incubation Centre,Pi Centre),期间得到Pi Centre提供全面的资源及支援,包括创业顾问指导进程、培训及工作坊、联系本地资深投资者及业界导师等,大幅提升了科研商品化的成功机会。 

R&D 100年奖

在刚过去的11月,于美国佛罗里达州奥兰多公布的2018年度R&D 100年奖,Nano-Builder被选为全球一百大创新发明之一,肯定其国际认可的地位。具有56年历史的R&D 100,是国际享负盛名的创新奖项,旨在表彰全球的研发先锋及其科技革命理念。历年来,R&D 100的获奖单位包括财富500强公司、麻省理工学院(MIT)、美国太空总署(NASA)旗下的研究机构,以及美国能源部国家实验室等;当中的创新发明包括宝丽来彩色即时成像胶片(1963)、喷墨打印机(1967)、彩色复印机(1968)、锂电池(1971)、ATM自动柜员机(1973)、LCD液晶显示器(1980)、个人超级电脑(1987)、HDTV高清电视(1998),以及人工视网膜(2009)等。

3D打印技术比较

特质  现有双光子3D打印技术 数码全息纳米3D打印机
精确 3D 打印 有 
固化机制 双光子吸收 双光子吸收
粗糙制造空间 100 × 100 × 3 mm3 120 × 120 × 60 mm3
精细制造空间 300 × 300 × 300 µm3 206 × 103 × 524 µm3
多焦点打印 没有
打印次序

一层接一层

可编程任意多点或单点写入
印刷点控制 压电式定位器(Pizeo-positioner)及
振镜扫描器(galvo scanner)

DMD扫描器和机动载物台

最短横向步长 必须连续扫描 120 nm
最短纵向步长 必须连续扫描 270 nm
体积像素(横向/纵向) 0.4 / 1.0 µm 0.4 / 1.0 µm
打印速度

100 µm/秒(PZT模式)
10 mm/秒(Galvo模式)

500 µm/秒(单点写入)
25 mm/秒(50焦点写入)

焦点控制及波长校正 没有
附加激光输出端口 没有

*mm=毫米、µm=微米、nm=纳米


中大工程学院研发的「数码全息纳米3D打印机」获颁R&D100年奖——2018年度全球一百大创新发明之一。
中大工程学院研发的「数码全息纳米3D打印机」获颁R&D100年奖——2018年度全球一百大创新发明之一。

中大工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授。
中大工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授。

3D打印的桁架结构
3D打印的桁架结构

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