2026年9月21日，斯坦福大学机械工程教授娜塔莉·拉尔森开发的一种亚体素级3D打印技术（相关研究成果于2023年发表在《自然》杂志上）正在被广泛应用于多个领域：从实验室培育的肉类到结构性车辆电池，再到国防所需的超材料，所有这些都建立在一种允许在单个打印丝中挤出和控制多种材料的方法之上。
△利用旋转式多材料3D打印技术，结合亚体素控制，3D打印出一个层级分明的“螺旋螺旋”结构。来源：LoriSanders, Lewis Lab, Harvard SEAS, publication: N.M. Larson et al., Rotationalmultimaterial printing of filaments with subvoxel control. Nature 613,682–688 [2023]
拉尔森是斯坦福大学工程学院的助理教授，她领导着一个专注于多材料 3D 打印的研究实验室。她最近获得了美国海军研究办公室颁发的青年研究员计划奖，用于开发与国防相关的天线和超材料技术。
将材料控制细化到亚体素级别
Larson 研究的核心创新在于 “亚体素控制”，即能够在单个打印体素内呈现多种材料，而不是每个打印单元只能使用一种材料。
拉尔森将3D打印概括地描述为“根据3D模型数据逐层或逐体素地构建物体”，这与雕刻等减材制造方法截然不同。她实验室定制的旋转式多材料打印平台超越了这种基本的逐层构建方法，能够同时挤出多种材料，形成具有精细内部结构的丝状物，这种结构类似于象鼻和章鱼触手等生物体的结构。
这种精准性对于拉尔森最不寻常的应用至关重要：3D打印人造肉。拉尔森表示，传统肉类生产需要大量的土地、水和饲料资源，并造成全球14.5%的温室气体排放。她的实验室正与斯坦福大学的同事莎拉·海尔肖恩、海伦·布劳和艾伦·库尔合作，并在斯坦福可持续发展加速器的支持下，利用动物细胞培育出厚实的、类似牛排的人造肉。
亚体素技术使 Larson 的团队能够同时挤出肌肉和脂肪生物墨水以及可溶解的牺牲墨水，从而在细胞培养过程中留下开放通道以输送营养物质，解决了 Larson 所描述的培育肉生产中持续存在的可扩展性和消费者吸引力问题。
从软体机器人到结构电池
这种基本的打印方法也被应用于机器人领域。拉尔森的实验室打印用于制造软体机器人的材料。软体机器人由柔软、有弹性的材料而非刚性的金属或塑料制成，它们可以与精密的系统进行交互而不会造成损坏，因此在医疗保健环境中处理人体组织或采摘浆果等软性水果时非常有用。拉尔森表示，她的团队正在努力通过制造内置传感器和执行器的软性材料，来复制人类指尖的灵巧性。这些传感器和执行器被直接构建到复杂的可编程几何结构中。
拉尔森的实验室也在与副教授亚当·博伊斯合作，将多材料打印技术应用于结构电池复合材料，项目由斯坦福大学普雷科特能源研究所和可持续交通中心资助。其目标是用单一打印材料取代传统的结构材料，例如轻型车辆和飞机中使用的碳纤维复合材料。这种单一打印材料能够同时存储可充电能量并承受机械载荷，最终有望将车辆的电池和结构壁合二为一。
除了她自己实验室的项目之外，拉尔森还指出，3D打印技术在需要高度定制化、小批量零件的领域已经确立了其地位。她举例说，助听器、牙齿矫正器和假牙等领域，这项技术已经成为标准生产方法，与传统方法相比，它能够实现更快的制造速度和更好的患者贴合度。她还认为，在这些应用场景中，3D打印具有可持续性优势：它无需模具，可以按需生产零件而不是堆放在仓库中，并且可以支持分布式现场制造，从而减少与运输相关的能源消耗和浪费。
下一步：自动化和国防资助的超材料
拉尔森获得的美国海军研究办公室奖项将用于进一步开发用于螺旋结构超材料和天线的多材料打印技术，这些材料和天线旨在应用于国防领域。这项技术建立在拉尔森实验室已在亚体素研究中展现出的几何精度之上。与此同时，拉尔森正与斯坦福大学教授埃里克·达尔维合作，由博士生伊莉丝·杨领导，共同研发新的4D成像和计算机视觉技术，用于追踪三维空间和时间，旨在研究并最终实现多材料打印过程的自动化。拉尔森表示，这项自动化工作的目标是减少因冗长的校准过程和打印失败而造成的浪费，同时加速进一步的创新。
展望未来，拉尔森表示，她所在的实验室更远大的目标是推进制造工艺，从而制造出新型多功能材料，最终实现生物材料，并最终打印出能够将当前制造方法各自独立实现的功能结合起来的部件。
△NatalieLarson正在搭建她首创的定制旋转式多材料3D打印平台，能够实现挤出丝材的亚体素级控制。图片来自斯坦福大学。
在一次多材料打印中构建功能部件
Larson 的亚体素平台建立在多材料打印的体素级方法之上，这种方法是研究人员近十年来一直在开发的，旨在一次性生产出成品、功能性物体，而不是由单独打印的部件组装而成。
除了拉尔森的亚体素研究之外，其他实验室也进行了类似的尝试。哈佛大学的研究人员开发了多材料多喷头3D打印（MM3D）技术，使用单个喷嘴，内部设有多个通道，可以每秒切换多达八种不同的材料，速度高达50次，从而可以将软硬材料组合在一个部件中，以调节其柔韧性或抗压性。
最近，麻省理工学院的研究人员建立了一个多材料挤出平台，可以在现场通过一个制造步骤制造出功能齐全的电动机，旨在减少电机生产和更换通常所依赖的集中式供应链。
这些努力的重点在于将材料组合在一个打印对象中，而 Larson 的作品则将同样的理念推向了更高的分辨率，控制单个体素内的材料放置，而不是像以前那样逐个喷嘴地切换材料。
来源：南极熊
0 留言