המכשיר הזעיר יכול לאפשר למשתמש ליצור במהירות חפצים מותאמים אישית ובעלות נמוכה תוך כדי תנועה, כמו אטב לתיקון גלגל אופניים מתנודד או רכיב עבור פעולה רפואית קריטית. קרדיט: Sampson Wilcox, RLE
קטן יותר ממטבע, מכשיר אופטי זעיר זה יכול לאפשר אב טיפוס מהיר תוך כדי תנועה.
חוקרים מ MIT ואוניברסיטת טקסס פיתחו אב טיפוס למדפסת תלת מימד כף יד מבוססת שבבים באמצעות שבב פוטוני הפולט קרני אור כדי לרפא שרף לתוך עצמים מוצקים. טכנולוגיה חדשנית זו עשויה לחולל מהפכה בייצור של אובייקטים מותאמים בעלות נמוכה תוך כדי תנועה ויש לה יישומים פוטנציאליים בתחומי הרפואה וההנדסה.
טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית ניידת
תארו לעצמכם מדפסת תלת מימד ניידת שתוכל להחזיק בכף היד. המכשיר הזעיר יכול לאפשר למשתמש ליצור במהירות חפצים מותאמים אישית ובעלות נמוכה תוך כדי תנועה, כמו אטב לתיקון גלגל אופניים מתנודד או רכיב עבור פעולה רפואית קריטית.
חוקרים מ-MIT ומאוניברסיטת טקסס באוסטין עשו צעד גדול לקראת הפיכת הרעיון הזה למציאות על ידי הדגמת מדפסת התלת-ממד הראשונה מבוססת שבבים. מכשיר ההוכחה של הקונספט שלהם מורכב משבב פוטוני בודד בקנה מידה מילימטר הפולט קרני אור הניתנות להגדרה מחדש לתוך באר של שרף שמתרפא לצורה מוצקה כאשר האור פוגע בו.
לשבב אב הטיפוס אין חלקים נעים, במקום זאת מסתמך על מערך של אנטנות אופטיות זעירות כדי לנווט אלומת אור. הקרן זורחת למעלה לתוך שרף נוזלי שתוכנן להתרפא במהירות כאשר היא נחשפת לאור הנראה לאור הגל של הקרן.
חידושים בהדפסת תלת מימד מבוססת שבבים
על ידי שילוב של פוטוניקת סיליקון ופוטוכימיה, צוות המחקר הבינתחומי הצליח להדגים שבב שיכול לנווט אלומות אור להדפסת תלת מימד של דפוסים דו-מימדיים שרירותיים, כולל האותיות MIT. צורות יכולות להיווצר במלואן תוך שניות.
בטווח הארוך, הם מדמיינים מערכת שבה שבב פוטוני יושב בתחתית באר של שרף ופולט הולוגרמה תלת מימדית של אור נראה, המרפא במהירות עצם שלם בצעד אחד.
סוג זה של מדפסת תלת מימד ניידת יכול לכלול יישומים רבים, כמו לאפשר לרופאים ליצור רכיבי מכשור רפואי מותאמים אישית או לאפשר למהנדסים ליצור אבות טיפוס מהירים באתר עבודה.
חשיבה מחודשת על הדפסת תלת מימד מסורתית
"המערכת הזו חושבת מחדש לחלוטין מהי מדפסת תלת מימד. זה כבר לא קופסה גדולה שיושבת על ספסל במעבדה ויוצרת חפצים, אלא משהו שהוא כף יד ונייד. זה מרגש לחשוב על היישומים החדשים שיכולים לצאת מזה וכיצד תחום ההדפסה התלת מימדית יכול להשתנות", אומרת הסופרת הבכירה Jelena Notaros, פרופסור לפיתוח קריירה של רוברט ג'יי שילמן בהנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS). וחבר במעבדת המחקר לאלקטרוניקה.
מצטרפות לנוטארוס על המאמר סברינה קורסטי, סופרת ראשית וסטודנטית לתואר שני ב-EECS; Milica Notaros PhD '23; טל סנה, סטודנטית לתואר שני ב-EECS; אלכס סאפורד, בוגר טרי של אוניברסיטת טקסס באוסטין; וזאק פייג', עוזר פרופסור במחלקה להנדסה כימית ב-UT Austin. המחקר פורסם לאחרונה ב מדע אור הטבע ויישומים.
הדפסה עם שבב
מומחים בפוטוניקת סיליקון, קבוצת Notaros פיתחה בעבר מערכות משולבות של מערך אופטי-פאזתי המכוונות את אלומות האור באמצעות סדרה של אנטנות בקנה מידה מיקרו שיוצרו על שבב תוך שימוש בתהליכי ייצור מוליכים למחצה. על ידי האצת או עיכוב האות האופטי משני צידי מערך האנטנות, הם יכולים להזיז את אלומת האור הנפלט לכיוון מסוים.
מערכות כאלה הן המפתח לחיישני לידאר, הממפים את סביבתם על ידי פליטת קרני אור אינפרא אדום שמקפיצות מעצמים סמוכים. לאחרונה, הקבוצה התמקדה במערכות הפולטות ומנווטות אור נראה ליישומי מציאות רבודה.
הם תהו האם ניתן להשתמש במכשיר כזה עבור מדפסת תלת מימד מבוססת שבבים.
בערך באותו זמן שהם התחילו בסיעור מוחות, קבוצת הדף ב-UT Austin הדגימה שרפים מיוחדים שניתן לרפא במהירות באמצעות אורכי גל של אור נראה בפעם הראשונה. זה היה החלק החסר שדחף את מדפסת התלת מימד מבוססת השבבים למציאות.
"עם שרפים הניתנים לריפוי צילום, קשה מאוד לגרום להם להתרפא לאורך כל הדרך באורכי גל אינפרא אדום, וזה המקום שבו פעלו בעבר מערכות משולבות של מערך אופטי-פאזי עבור לידר", אומר קורסטי. "כאן, אנו נפגשים באמצע בין פוטוכימיה סטנדרטית ופוטוניקת סיליקון על ידי שימוש בשרפים הניתנים לריפוי אור גלוי ובשבבים פולטי אור גלוי ליצירת מדפסת תלת מימד זו מבוססת שבבים. יש לך את המיזוג הזה של שתי טכנולוגיות לרעיון חדש לגמרי."
אב הטיפוס שלהם מורכב משבב פוטוני אחד המכיל מערך של אנטנות אופטיות בעובי 160 ננומטר. (עובי גיליון נייר הוא בערך 100,000 ננומטר.) השבב כולו מתאים לרבע אמריקאי.
כאשר מופעלות על ידי לייזר מחוץ לשבב, האנטנות פולטות אלומת אור גלויה ניתנת לכיוון לתוך באר של שרף שניתן לריפוי. השבב יושב מתחת לשקופית שקופה, כמו אלה המשמשים במיקרוסקופים, המכילה חריטה רדודה שמחזיקה את השרף. החוקרים משתמשים באותות חשמליים כדי לכוון את קרן האור באופן לא מכני, מה שגורם לשרף להתמצק בכל מקום שבו הקרן פוגעת בו.
אתגרים ופתרונות בהדפסת תלת מימד פוטונית
אבל אפנון יעיל של אור באורך גל גלוי, הכרוך בשינוי המשרעת והפאזה שלו, הוא מסובך במיוחד. שיטה נפוצה אחת דורשת חימום השבב, אבל זה לא יעיל ולוקח כמות גדולה של מקום פיזי.
במקום זאת, החוקרים השתמשו בגביש נוזלי כדי ליצור מאפננים קומפקטיים שהם שילבו בשבב. התכונות האופטיות הייחודיות של החומר מאפשרות למאפננים להיות יעילים במיוחד ואורך כ-20 מיקרון בלבד.
מוליך גל בודד על השבב מחזיק את האור מהלייזר מחוץ לשבב. לאורך מוליך הגל פועלים ברזים זעירים שמפזרים מעט אור לכל אחת מהאנטנות.
החוקרים מכוונים באופן פעיל את המאפננים באמצעות שדה חשמלי, המכוון מחדש את מולקולות הגביש הנוזלי לכיוון מסוים. בדרך זו, הם יכולים לשלוט במדויק על משרעת ושלב האור המנותב לאנטנות.
אבל גיבוש והיגוי הקורה הם רק חצי מהקרב. התממשקות עם שרף חדשני שניתן לריפוי היה אתגר שונה לחלוטין.
קבוצת הדף ב-UT Austin עבדה בשיתוף פעולה הדוק עם קבוצת Notaros ב-MIT, והתאימה בקפידה את השילובים והריכוזים הכימיים לאפס בנוסחה שסיפקה חיי מדף ארוכים וריפוי מהיר.
בסופו של דבר, הקבוצה השתמשה באב-טיפוס שלה כדי להדפיס בתלת-ממד צורות דו-מימדיות שרירותיות בתוך שניות.
בהתבסס על אב הטיפוס הזה, הם רוצים להתקדם לפיתוח מערכת כמו זו שהמשיגו במקור – שבב שפולט הולוגרמה של אור נראה בבאר שרף כדי לאפשר הדפסה תלת מימדית נפחית בשלב אחד בלבד.
"כדי להיות מסוגל לעשות זאת, אנו זקוקים לעיצוב שבב סיליקון-פוטוני חדש לחלוטין. כבר פירטנו הרבה מהמערכת הסופית הזו במאמר זה. ועכשיו, אנחנו נרגשים להמשיך לעבוד לקראת ההפגנה האולטימטיבית הזו", אומרת ילנה נוטארוס.
עבודה זו מומנה, בחלקה, על ידי הקרן הלאומית למדע של ארה"ב, הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של ארה"ב, קרן רוברט א. וולץ', מלגת MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship ומילגת MIT Frederick and Barbara Cronin.
