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二零一八年十二月十七日

中大工程學院研發數碼全息納米3D打印機
高速印製精密構造成品 躋身全球百大創新發明



香港中文大學(中大)工程學院機械與自動化工程學系陳世祈教授及其團隊研發的「數碼全息納米3D打印機」(Nano-Builder),獲得有「創科界奧斯卡」之稱的全球R&D100年獎嘉許,被選為2018年度全球一百大創新發明之一。Nano-Builder能以秒速印製結構複雜、細如髮絲的精細組件,尤其適合高端納米科技、先進材料、微支架及藥物傳輸技術的研發需要。

3D打印技術,曾被譽為第三次工業革命的領跑者,可應用至航天、醫療、科研,以至娛樂消費等各個範疇。通過實現更快捷簡易的原型製作和製造流程,3D打印為各個行業開闢了新的可能性。然而,其在速度、解像度和靈活性方面仍存在著許多限制。Nano-Builder採用了革命性的數字全息雷射掃描及光束整形技術,能夠以高速(22.7 kHz)多焦點掃描,打破傳統3D打印機單焦點低精度的局限,並同時達到納米級別的打印精度。新技術可以在三維的空間中隨機掃描,不必由底部開始逐層掃描至頂部,超越了空間的制肘。

多個掃描焦點可以在相同速度下,移動至打印空間中的任何一點,即使沒有結構及材料的支撐,仍可打印出複雜的懸垂結構,精密細緻的微型成品。跟現有技術比較,過程毋須浪費額外的物料作支撐;而總打印時間與結構的固體體積成正比,跟複雜程度完全無關,大幅提升了打印的速度及精確度。陳世祈教授表示,快速而精細的Nano-Builder最有利於開發各類微小尺度的科研器件(如光子晶體、微納流體器件、仿真生物組織及支架、藥物傳輸工具等)用以協助研究人員製作複雜、精巧的組件,從而革新了納米科技、先進材料及醫療工具的相關技術。

另一大特點是其便捷的系統模組化設計及延伸性,Nano-Builder的成像模組可快速的替換,提供先進的雙光子顯微成像功能,應用於生物及醫學影像等範疇。在光遺傳學研究應用中,Nano-Builder能同時準確刺激生物大腦中多個神經元,而不傷害神經元周圍的結構,可用於長時間研究大腦神經迴路及特定功能,如小鼠或斑馬魚的嗅覺、視覺或認知功能,將3D隨機掃瞄的優點延伸至醫學或基礎生物研究工具。

是項嶄新的打印技術歷時四年孕育,研究團隊於早年獲得創新科技署的「大學科技初創企業資助計劃」支持,奠定穩健的基礎。隨後,由陳世祈教授及團隊創立的「多尺度精密儀器實驗室」(Multiscale Precision Instrumentation Laboratory)進駐中大「前期創業育成中心」(Pre-incubation Centre,Pi Centre),期間得到Pi Centre提供全面的資源及支援,包括創業顧問指導進程、培訓及工作坊、聯繫本地資深投資者及業界導師等,大幅提升了科研商品化的成功機會。 

R&D 100年獎

在剛過去的11月,於美國佛羅里達州奧蘭多公布的2018年度R&D 100年獎,Nano-Builder被選為全球一百大創新發明之一,肯定其國際認可的地位。具有56年歷史的R&D 100,是國際享負盛名的創新獎項,旨在表彰全球的研發先鋒及其科技革命理念。歷年來,R&D 100的獲獎單位包括財富500強公司、麻省理工學院(MIT)、美國太空總署(NASA)旗下的研究機構,以及美國能源部國家實驗室等;當中的創新發明包括寶麗來彩色即時成像膠片(1963)、噴墨打印機(1967)、彩色複印機(1968)、鋰電池(1971)、ATM自動櫃員機(1973)、LCD液晶顯示器(1980)、個人超級電腦(1987)、HDTV高清電視(1998),以及人工視網膜(2009)等。

3D打印技術比較

特質  現有雙光子3D打印技術 數碼全息納米3D打印機
精確 3D 打印 有 
固化機制 雙光子吸收 雙光子吸收
粗糙製造空間 100 × 100 × 3 mm3 120 × 120 × 60 mm3
精細製造空間 300 × 300 × 300 µm3 206 × 103 × 524 µm3
多焦點打印 沒有
打印次序

一層接一層

可編程任意多點或單點寫入
印刷點控制 壓電式定位器(Pizeo-positioner)及
振鏡掃描器(galvo scanner)

DMD掃描器和機動載物台

最短橫向步長 必須連續掃描 120 nm
最短縱向步長 必須連續掃描 270 nm
體積像素(橫向/縱向) 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(單點寫入)
25 mm/秒(50焦點寫入)

焦點控制及波長校正 沒有
附加激光輸出端口 沒有

*mm=毫米、µm=微米、nm=納米


中大工程學院研發的「數碼全息納米3D打印機」獲頒R&D100年獎——2018年度全球一百大創新發明之一。
中大工程學院研發的「數碼全息納米3D打印機」獲頒R&D100年獎——2018年度全球一百大創新發明之一。

中大工程學院機械與自動化工程學系陳世祈教授。
中大工程學院機械與自動化工程學系陳世祈教授。

3D打印的桁架結構
3D打印的桁架結構

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