3D打印概念成为主流已近40年，倡导（dǎo）者称赞（zàn）这（zhè）项技（jì）术是“制造业的未来”（future of manufacturing）。现在，3D打印（yìn）的打印（yìn）速度和（hé）规模（mó）得到极大提高，生物医（yī）学应用（yòng）范（fàn）围也（yě）逐（zhú）步扩（kuò）大。近年来（lái），这些进步均证明了3D打印技术正越来越靠近人们对它的预设。

当今最常（cháng）见的3D打印种类，即增材制（zhì）造，使用（yòng）光线将液态塑料树脂逐层固化为固体（tǐ）。这个过程通常比较慢，制造手持（chí）设备常常（cháng）需要（yào）大半个下午（wǔ）。此外（wài），各（gè）层（céng）之间（jiān）的接口往往比较（jiào）脆（cuì）弱，成品结（jié）构易（yì）碎（suì）。因此，3D打印并没有取代传（chuán）统的制造过程，而是和一些非常特（tè）殊的（de）用途联系（xì）起（qǐ）来。美国伊利诺（nuò）伊州埃文斯顿西北大学工程学教授Chad Mirkin表示：“在很大程（chéng）度上，3D打印主要局限于原型设计，因（yīn）为它速度慢、产量低、产品结构不稳定。”

大约5年前，美国北卡（kǎ）罗来纳大学的工（gōng）程师发明了（le）一种新型的（de）3D打印（yìn）技术，即“连续液体界面生产”（CLIP），与同类技术相比，这种技（jì）术的生产速度提高了100倍。这项技术获得极大的（de）进步。位于美国加（jiā）利福尼亚州（zhōu）雷德（dé）伍德市（shì）的一家（jiā）名为Carbon公司获取（qǔ）了该项（xiàng）技术，该公司采用了一种半渗透窗，可以将氧气注入液体树脂，从而形（xíng）成（chéng）一种能防止固化的薄的“死区（qū）”（dead zone）。在该区域上方，光线将树脂固化成固体。机械臂缓慢地将不断增（zēng）长的（de）固体从树脂中拉出，使其他材料（liào）得以（yǐ）固化和黏附，这种（zhǒng）技术无需一（yī）系列层合界面（miàn），因此产品更加坚固。

尽管（guǎn）CLIP的速度（dù）提高备受关注——Carbon公司已（yǐ）与福特汽车公（gōng）司、阿迪达（dá）斯体育用品（pǐn）公司和里德尔体育（yù）公（gōng）司（sī）达成协议（yì），分别为它们生（shēng）产汽（qì）车零件、运（yùn）动鞋底和橄（gǎn）榄球（qiú）头盔——但其固（gù）化过（guò）程会释放（fàng）出（chū）大量热量，这（zhè）可能（néng）导致打印的零件翘曲和（hé）破裂。为了散热，打印的成（chéng）品尺寸实（shí）际（jì）上被限制为25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说（shuō）：“Carbon公司证（zhèng）实了（le）3D打印可被用于制造（zào）业（yè），而且（qiě）他们在许（xǔ）多（duō）行业做得都非常好，但是他们还没有找到快速打印大型物体的方法。”

在2019年年末，Mirkin的团队宣称其开发了一项名为“高面积快（kuài）速打印”（HARP）的（de）新（xīn）技（jì）术（shù），该（gāi）技术使液（yè）体冷（lěng）却剂（jì）在一桶液态树脂下（xià）面循环。冷却剂是一种氟化油，在（zài）打印时会直（zhí）接从正在（zài）打（dǎ）印的（de）物体（tǐ）上吸走热量，从而使它们在短短几个小时内就可以达到成（chéng）年人的尺（chǐ）寸（cùn）（图1）。Mirkin将使（shǐ）用多台（tái）投影仪发出的（de）光进行打印的方法称为“平铺”（tiling）工艺，其打印尺寸可以达（dá）到约1 m×1 m×4 m。将来（lái），其他投影（yǐng）仪可使HARP 能够制造更大的物品。“从理论上（shàng）讲，平铺工艺（yì）消除（chú）了尺寸限制，”Mirkin说。

图1. 一种名为HARP的新（xīn）型（xíng）3D打印技术，该技术使一层（céng）液态（tài）冷（lěng）却剂在一大桶液态树脂下面循（xún）环，从而消除物体打（dǎ）印时随着体积不断（duàn）扩大而产生（shēng）的（de）热量，使它们（men）在短短几个小时内就（jiù）可以达到成年人的尺寸。这款HARP打印机（jī）高约4 m，带有0.76 m×0.76 m的打（dǎ）印床，可以打印一（yī）个大型的连续结（jié）构（gòu）或许多不同（tóng）的小型结构。来源：美国（guó）伊利诺伊州埃文斯顿西北大（dà）学（xué）（新闻稿）。

为了使HARP商业（yè）化，Mirkin和同事成立了Azul 3 D公司（位于美国伊利诺伊（yī）州斯科（kē）基市），该（gāi）公司预计在2021年年底（dǐ）前开始销（xiāo）售打印机。Mirkin希望HARP能改变3D打印的商业（yè）模（mó）式。“几乎所（suǒ）有的3D打（dǎ）印公（gōng）司都必须（xū）从他们的硬（yìng）件上获得可观的收入，因为他们根本没有使用足够的（de）树脂来使此项（xiàng）技术具有良好的商业模式（shì）。”他表示，“借（jiè）助HARP，该公司（sī）不需（xū）要仅依靠销售硬件来获得收入，因（yīn）为他（tā）们还可（kě）以通过（guò）销售生（shēng）产（chǎn）大量（liàng）零件所（suǒ）需（xū）的（de）树（shù）脂（zhī）来赚（zuàn）钱。这样，由于初始（shǐ）硬件成本几乎变得无关紧要（yào），所（suǒ）以（yǐ）HARP降低了进入门槛（kǎn）。”

在另一个快速发展的领域，3D打印技术正显示出其在处理微小物体方（fāng）面的（de）潜在价值。将传统（tǒng）3D打印机中（zhōng）使（shǐ）用（yòng）的“墨水”（塑料、聚合物和（hé）金（jīn）属合（hé）金（jīn））换成（chéng）嵌入（rù）生物介质中的活细（xì）胞，这项技术将（jiāng）成为（wéi）生物医（yī）学应用（yòng）的一个有趣工具，未来（lái）有可能被用（yòng）于制造替（tì）代组织。3D生物（wù）打印已被用于制造简单的组织，如皮肤（fū）、软骨（gǔ）和（hé）部分心（xīn）肌。随着（zhe）技术的进步，3D生物打印可能（néng）会被用于（yú）制（zhì）造更复杂的器官（guān），如视网膜、肾脏（zāng）和肺。主要的挑（tiāo）战包括组成器官的各（gè）种各样的细胞（bāo）类（lèi）型，以及需要提高（gāo）足够的分（fèn）辨（biàn）率（lǜ）来打印输送（sòng）氧气（qì）和清除废物的微小血管。

“我不知道我（wǒ）们能否达成（chéng）这个（gè）目标——有各种不同的细胞（bāo）类型和维（wéi）持它们存活所需的血管（guǎn）系统，器官实在是太复杂了。”美国明尼苏达（dá）州明尼苏达大学机械工程学教授Michael McAlpine说（shuō），“我们一（yī）直以来的（de）错误在于试图完全复制生物学。也许（xǔ）通（tōng）过聚合物和电子（zǐ）技术，你可（kě）以制（zhì）造出一个能（néng）像肝脏一样工作的设备，但实际上该设备比大自然创造出（chū）来（lái）的（de）要好得多。”

然（rán）而，3D生物打印（yìn）已得到了更直（zhí）接的应用，其（qí）中包括药物发现和消费品测试（shì）。在McAlpine的许（xǔ）多项目中，有一个可用于脊（jǐ）髓再（zài）生的3D打印（yìn）设（shè）备和嵌入（rù）有（yǒu）可监测患者生理和生化标志（zhì）物的传（chuán）感（gǎn）器的电（diàn）子纹身（shēn）。

虽然（rán）3D生物打印（yìn）主要集中在很小的领域，但是美国（guó）得克萨（sà）斯州的（de）创新者（zhě）正在使用（yòng）超大规模（mó）的3D打印来建造房（fáng）屋（图2）。位于得克萨斯州奥斯汀市的建筑技术公司Icon开（kāi）发了一台名为Vulcan II的3D打印机，该（gāi）打印（yìn）机可以在大约24 h内打印37 m²的两居（jū）室房屋的墙壁。Vulcan II是专门（mén）为偏远农村的房（fáng）屋建造（zào）而设计（jì）的，由（yóu）于有限的资（zī）源、无法预测（cè）的天（tiān）气以（yǐ）及（jí）不稳定的电源（yuán），使用传统的建筑方式几乎是不（bú）可能完成（chéng）房屋建造（zào）的。这台高 3.5 m、重1725 kg的机器连续堆积了（le）一层高2.5 cm、宽 5 cm的被称为“lavacrete”的可延展型（xíng）混凝土基线材（cái）料（liào），并将其（qí）硬化成墙（图3）。

图2. Icon公（gōng）司（位于美国得克萨（sà）斯州奥斯汀市）的Vulcan II 3D打印（yìn）机堆积了一（yī）层大约2.5 cm×5 cm的名（míng）为“lavacrete”的混凝土基线材料，建造了（le）如图所示的37 m2 房屋的墙壁，花费了约24 h。来（lái）源：Icon公司（新闻稿）。

图3. Icon公司的Vulcan II 3D打印机位（wèi）于三个结构（gòu）的最末端，该打印机在美国得（dé）克萨斯州奥斯汀市的一个地（dì）基上创（chuàng）建了三座37 m² 房屋（wū）的墙壁，这些（xiē）房屋的平面图（tú）各不相同。来源：Icon公司。

Icon公司目前正在51英亩（mǔ）土地（dì）上为美国奥斯汀（tīng）东北部地（dì）区的无家可归者打印数十套（tào）房屋，并为墨（mò）西哥（gē）塔巴（bā）斯科小镇（zhèn）约50个（gè）家庭提供（gòng）房（fáng）屋。虽然（rán）Vulcan II减少了建造（zào）房屋的工作量，但建造过程并非一步（bù）到（dào）位，工（gōng）人仍然需要打下地基并安装屋（wū）顶。3D打（dǎ）印房屋除（chú）了能节省时（shí）间（jiān）外，与其他（tā）低成（chéng）本住房相比，它还能够打印平滑曲（qǔ）线和（hé）倾斜墙壁以（yǐ）实（shí）现其更自由的设计。

在（zài）另一项大（dà）规模（mó）应（yīng）用中，总部位于美国加（jiā）利福尼亚州洛杉矶市的Relativity Space公司（sī）开发了一种名为“Stargate”的3D打印机（图4），用于建造几乎不以地面（miàn）为基础的物（wù）体，即30 m高的火箭飞船。Relativity Space公（gōng）司计划用3D打印技术打印第一枚（méi）火箭的整个生产（chǎn）线，即（jí） Terran-1，但不包括电子设备、电缆（lǎn）和少量活动部（bù）件。相（xiàng）比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公（gōng）司也使用3D 打印技术，但仅用于生产部分零件（jiàn）。Relativity Space 公（gōng）司与许多卫星运营商签订了（le）发射有效（xiào）载荷的合同，并同意（yì）他们使用美（měi）国国（guó）家航空（kōng）航天局位于密（mì）西西（xī）比州汉考克（kè）县的John C.斯坦尼斯航天中心的两（liǎng）个测（cè）试设施。该公（gōng）司还获得了从美国佛罗里达州（zhōu）卡纳维拉尔角（jiǎo）空（kōng）军基地（dì）的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火箭的权利（lì），其中（zhōng）第一枚火（huǒ）箭有望在2021年发射（shè）。

图4. Relativity Space公司（总部位于美国加利福尼亚州洛杉（shān）矶（jī）市）的 Stargate 3D打（dǎ）印机（jī）使用定向（xiàng）能量沉积制造巨大的金属物体（tǐ），如火箭的燃料箱和（hé）发动机（jī）。打印机高9 m，且（qiě）具（jù）有3个庞（páng）大（dà）的机械臂。一只机械臂使用强大的激光来熔（róng）化金（jīn）属丝，金属丝会逐（zhú）层（céng）沉（chén）积以形成火箭的零件。另外两只机械臂用于固定（dìng）工具（jù）以完成打印的部件。来源：Relativity Space公司，维基（jī）共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但Relativity Space公司（sī）设计的零件却合并了一些部件，这些部件通常是被（bèi）分开（kāi）制造然（rán）后组装的。所以，他们的火箭零件数量将是同类火箭（jiàn）的零件数量的1/100。更（gèng）少的零件意味着更少的接口和更少的出错机会。此外，尽管大（dà）多数制造商必须重新配置其设备以制造额外的硬件（jiàn），但Relativity Space公司只需要（yào）在打印机软件（jiàn）中运行一个新程序即可创建下一（yī）个零件。而且与（yǔ）传统的火箭（jiàn）制造相比，该公司的3D打印机进行设（shè）计更改（gǎi）也更（gèng）容易且成本更低。

“一般（bān），航天工业要规避风（fēng）险，相较（jiào）于创新，更希望有更多（duō）的（de）信心（xīn）实现（xiàn）成功发射（shè）。”安全（quán）世（shì）界基（jī）金会私营（yíng）部门（mén）项目主任Ian Christensen说，该基金会总部位于美国科罗拉多（duō）州布鲁姆（mǔ）菲尔德市，其致力（lì）于促进和平可持续的（de）外层空间（jiān）的利用。“像3D打（dǎ）印火箭（jiàn）这（zhè）样完全（quán）新颖的东西，市场（chǎng）将如（rú）何反应（yīng），这是一个悬（xuán）而未（wèi）决的问题。”

仅仅因为（wéi）现实（shí）中（zhōng）3D打印已经开（kāi）始满足人们对它的期望（wàng），但人们仍（réng）有更多雄心勃勃的目标（biāo）。Relativity Space公司不仅不满足于通过制造火箭将（jiāng）卫星送入轨（guǐ）道，还着眼于将打印机运（yùn）送到（dào）火（huǒ）星，以便在火（huǒ）星上打印火箭，从而将土壤样本送回地球。“这种采（cǎi）样返回（huí）的（de）概念在理（lǐ）论上是有趣的，但几（jǐ）乎可以肯（kěn）定，它需要与政府的太空探（tàn）索和行星科学（xué）项目相结合，而这些项目进（jìn）展（zhǎn）缓慢。”Christensen说，“像在技术方（fāng）面的挑战一样，这一（yī）概念在政策及体制方面（miàn）也面临（lín）着（zhe）挑战。”