被Nature亮點報道！中國科學家實現3D打印顯微鏡，只要4美元，性能媲美商用，你確定不來一個嗎？

點擊次數：127 發布時間：2023-02-02 12:00:14

來源: 高分子科學前沿

顯微鏡的發明，讓我們得以清晰地認識世界，大到宇宙蒼穹，小到細胞微生物，這些無一不推動了科學的發展和人類社會的進步。

然而，傳統的加工制造方法使得顯微鏡的造價昂貴且不易組裝，這在一定程度上限制了顯微鏡廣泛地使用。

如今，且看3D打印“顯神威”，打破傳統顯微鏡制作成本壁壘。

左為通訊作者 Sun Cheng教授，右為**作者Hai Rihan。

近日，來自美國西北大學SunCheng教授團隊設計了一款僅有8mm寬的顯微鏡，由五個3D打印組件及四個現成的組件組成。該顯微鏡性能與商業產品相當，并且可以根據不同需求定制并快速被制造出來，大大降低了顯微鏡制作的成本及復雜性。該研究以“3D Printing a Low-cost Miniature Accommodating Optical Microscope”為題目發表在期刊Advance Materials上。

圖|（來源：Advance Materials）

Nature亮點報道

3D打印制作，快速！精確！物美價廉！

隨著科技的發展，人們對小型化成像平臺的興趣越來越大，然而，處理尺寸越小的光學和光學機械部件需要很高的制造精度和嚴格的系統裝配公差，以實現衍射J限性能。

而傳統的透鏡制作依賴于研磨及拋光工藝，消耗了大量的時間；注塑成型也需要精密加工的模具，這些方法都使得顯微鏡的制作成本高昂。并且在之后的組裝中，也需要專業的人員對各個零部件進行精確對準安裝，J耗費人力。

3D打?。?/span>AM）則成功地打破了這一壁壘，其可以通過電腦數字模型迅速地制造，從而改變了現有的光學制造工藝，降低了制造周期和成本并且提高了性能。此外，3D打印對復雜零件的可打印性使得顯微鏡零件計數減少（PCR），取代了現有的多組件部件。

并且，3D打印被動對準功能進一步簡化了系統組裝，因為所有組件都可以快速配合在一起，而不需要任何精確的機械進行主動對準。

在該論文研究中，研究人員使用投影微立體光刻（PμSL）技術制作顯微鏡鏡片，PμSL通過在一次曝光中固化整個鏡片平面來進行3D打印，在1.25×104 mm 3 /h的體積打印速度下，3毫米高的鏡片可在3分鐘內完成3D打印！

此外，PCR策略將顯微鏡系統部件數量減少到只有五個，其中包括3D打印組件（鏡頭、彈性鏡頭支架、前蓋和蛤殼（兩個半殼））和四個現成組件（紅外截止濾波器、環形磁鐵、線圈和CMOS傳感器）。并且該顯微鏡的透鏡可以與商用透鏡互換，提高了其兼容性。

其中，音圈電機（VCM）（由環形磁鐵、彈性鏡頭支架、線圈組成）具有接近零泊松比的3D打印兼容基礎，以Z小化聚焦期間的干擾，保持成像放大率的可定制性。所有的光學機械部件都在50分鐘內一次性完成3D打印。

該顯微鏡外形尺寸僅有8.10×8.10×29.85 mm 3，且制作成本僅為3.74美元！

圖|3D打印微型容納光學顯微鏡的系統設計和組裝流程圖。（來源：該論文）

3D打印微型容納光學顯微鏡（來源：該論文）

顯微鏡的具體設計及測試表征

研究人員對每個可互換的透鏡進行了實驗表征：AM30（內部3D打印非球面透鏡）、E30（15-271，Edmund Optics）和T30（APL0303，Thorlabs股份有限公司）

研究結果顯示，所有三個透鏡都有光滑的非球面，但在E30和T30上發現了額外的表面凹凸。隨后研究人員為證實其表面的光滑性，采用光學輪廓儀進行了測量。結果表明AM30具有Z佳的表面光滑度。

圖| 3D打印光學顯微鏡成像透鏡的設計與表征。（來源：該論文）

其次，研究人員對VCM。組件進行了設計制造及表征。VCM組件設計用于通過電磁驅動聚焦成像透鏡，它包含一個電磁線圈、一個環形磁鐵、一個柔性底座和成像鏡頭底座。這些部件經過精心設計，以簡化裝配過程。

其中彈性透鏡座由三個部件組成：透鏡座、環形磁鐵座和柔性底座。研究人員通過PCR設計，將彈性透鏡座集成到整體式彈性透鏡座中。

成像透鏡的軸向平移由來自線圈和磁體的電磁力與來自柔性基礎的彈性力之間的平衡確定。研究人員還用ANSYS中模擬壓縮試驗中使用的邊界條件。

柔性基礎的主要設計變量是支柱角度（θ），其變化范圍為-4.5°至+10°。研究人員通過優化θ以實現足夠的軸向變形（>1.0mm），同時減少徑向變形以Z小化VCM驅動期間的干擾。

在壓縮試驗期間，制造的柔性基礎表現出高度線性的行為，從而證實了數值模擬結果。

進一步地，研究人員模擬了N50釹環形磁體（R0545，SuperMagnetMan）所承受的磁力，ANSYS模擬表明，要達到1.17 mm的Z大軸向變形，需要52.96 mN的力（線圈/磁體在設計位移范圍內可輕易獲得的力），這驗證了該論文中提出的軸向平移機構的可行性。在循環收縮和延伸運動期間，透鏡支架中的模擬位移場主要沿光軸平移。