3D打印概念（niàn）成为主流已（yǐ）近40年（nián），倡导（dǎo）者称赞这项（xiàng）技术是“制（zhì）造（zào）业的未来（lái）”（future of manufacturing）。现在，3D打印的打印速（sù）度和规模得到极大提高，生（shēng）物医学应（yīng）用范围也（yě）逐步扩大。近年来，这些（xiē）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（zuì）常见的（de）3D打印种（zhǒng）类，即增材（cái）制造，使用光线将液态塑料树脂（zhī）逐层固化为固体。这个过程通常比较慢，制造（zào）手持设（shè）备（bèi）常常需要大半个下（xià）午（wǔ）。此外（wài），各层（céng）之间的接口往往比（bǐ）较脆弱，成品结构易碎。因此，3D打印并没有取代传统的制造过程，而是和一些（xiē）非常特殊的用途联（lián）系（xì）起来。美国伊利诺伊州（zhōu）埃文斯顿西北大（dà）学（xué）工程学教授Chad Mirkin表示：“在很（hěn）大程度上（shàng），3D打印主（zhǔ）要局（jú）限于原型设计，因为它速（sù）度慢、产量低、产（chǎn）品结构不稳定。”

大（dà）约5年（nián）前，美国北卡罗来纳（nà）大学的工程师发明了一种新型的3D打（dǎ）印技术，即“连续液体界面生产”（CLIP），与同（tóng）类技术相比，这种技术的生产速度提高了100倍。这项（xiàng）技（jì）术获得（dé）极（jí）大（dà）的进步（bù）。位于美国加利福尼亚州雷德（dé）伍德市的一家（jiā）名为Carbon公司获取了（le）该项技术，该公司采用了一（yī）种半渗（shèn）透窗，可以将氧（yǎng）气注入液体树脂，从（cóng）而形成一（yī）种能防止固（gù）化的薄的“死区”（dead zone）。在该区（qū）域上方，光线将树脂固化成固体（tǐ）。机械（xiè）臂缓（huǎn）慢地将（jiāng）不断增长的固体从（cóng）树脂中拉出，使其他材（cái）料得以固化和黏附，这种技术无需一系列层合界面，因此产（chǎn）品更加坚固。

尽（jìn）管CLIP的速度提高（gāo）备受关注——Carbon公司（sī）已与福（fú）特汽车（chē）公司（sī）、阿迪达斯体（tǐ）育用品公司和里德尔体育公（gōng）司达成协议，分别为它们（men）生产（chǎn）汽车零件、运动鞋底和橄（gǎn）榄球（qiú）头盔——但其固（gù）化过（guò）程会释放出大量热量，这可能（néng）导致打印的零件翘曲和破裂。为（wéi）了散热，打印的（de）成（chéng）品（pǐn）尺寸实际上（shàng）被限制为25 cm×25 cm×41 cm。Mirkin说：“Carbon公（gōng）司（sī）证实了3D打印可（kě）被用于制造业，而且他们（men）在许多（duō）行（háng）业做得都非常好，但是他（tā）们还没有找到快速打印大型（xíng）物体的（de）方（fāng）法。”

在（zài）2019年年末，Mirkin的团队宣称（chēng）其（qí）开发了一项名为“高（gāo）面积快速（sù）打印”（HARP）的新技术（shù），该（gāi）技术使液（yè）体冷却剂在一（yī）桶液态树脂下面循环。冷（lěng）却剂是一种（zhǒng）氟化油，在打印时会直接从正在打印的物体上吸走热量，从而使它们在短短几个小时内就可以达（dá）到成年（nián）人的（de）尺寸（图1）。Mirkin将使用多台投影仪发（fā）出的光（guāng）进行打印（yìn）的方法称为“平铺（pù）”（tiling）工艺，其打印尺寸（cùn）可以达到约1 m×1 m×4 m。将（jiāng）来，其他投影（yǐng）仪可使HARP 能够制（zhì）造更大的物品。“从理（lǐ）论上讲，平（píng）铺工艺消除了尺寸限制（zhì），”Mirkin说（shuō）。

图（tú）1. 一种名（míng）为（wéi）HARP的新型3D打印技术，该技术使一层液（yè）态冷却剂在一大桶液态树脂下面（miàn）循环，从（cóng）而消除（chú）物体打印时随着（zhe）体积不断扩大而产（chǎn）生的热量，使它们在短短几个小时内（nèi）就可（kě）以达（dá）到成（chéng）年（nián）人的尺（chǐ）寸（cùn）。这款HARP打印机（jī）高（gāo）约（yuē）4 m，带有0.76 m×0.76 m的打（dǎ）印床，可以打印一个大型的连续结构或许多不同的（de）小型（xíng）结构（gòu）。来源：美国伊利诺伊州埃（āi）文斯顿西北大学（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（zhōu）斯科基市），该公司预（yù）计在2021年年底前开始销（xiāo）售打印机（jī）。Mirkin希望HARP能（néng）改变3D打印（yìn）的（de）商业模式（shì）。“几乎所（suǒ）有的3D打印公司都必须从（cóng）他们（men）的（de）硬件（jiàn）上获（huò）得可观的收入，因为他们根本没有使用（yòng）足够（gòu）的（de）树脂来使此项（xiàng）技术（shù）具有良好的（de）商业（yè）模式。”他表示，“借助HARP，该公司（sī）不需要仅（jǐn）依靠销售硬件来获得收入，因为他们还可以通过销售生产大量零（líng）件所（suǒ）需的树脂来（lái）赚钱。这样（yàng），由（yóu）于初始硬件成本几乎变得无关（guān）紧（jǐn）要，所以HARP降低了进入门槛。”

在另一个快速发（fā）展的领域，3D打印技术正显示出其在处理微（wēi）小物体方面（miàn）的潜在价值。将传统3D打（dǎ）印机（jī）中使用（yòng）的“墨水”（塑料（liào）、聚（jù）合（hé）物（wù）和金属合（hé）金）换成嵌入生物介质中的活细胞（bāo），这（zhè）项技术将成为生（shēng）物医学应用的一个有趣工具，未（wèi）来有可能（néng）被用于制造替代组织。3D生物（wù）打印已被用于（yú）制造简单的组织，如（rú）皮肤、软骨和部（bù）分（fèn）心肌。随（suí）着技术的进步，3D生物打（dǎ）印可能会被用于制（zhì）造更复杂的（de）器官，如视网（wǎng）膜、肾脏和（hé）肺。主要的挑战包（bāo）括组成器官（guān）的各种各样的细（xì）胞类型（xíng），以及（jí）需要提高足够的（de）分辨率来（lái）打印输送氧气和清除废物（wù）的微小血管。

“我不知道我们能否（fǒu）达成这个（gè）目标——有各种不同的细胞类（lèi）型和维持（chí）它们存活所需（xū）的血（xuè）管系统，器官实在是太复杂了。”美国明尼苏达（dá）州（zhōu）明（míng）尼苏达大学（xué）机械工（gōng）程学教授Michael McAlpine说（shuō），“我们一直以来的错误（wù）在于试图完（wán）全复制生物（wù）学（xué）。也（yě）许通过聚合物和（hé）电子技术，你可以制造（zào）出一个（gè）能像肝脏一样工（gōng）作的设备，但实（shí）际（jì）上该（gāi）设备比大自然创造出来的要好得多（duō）。”

然而（ér），3D生物打（dǎ）印已得到了（le）更直接的应用，其中包括药物发现和消费品测试。在McAlpine的许（xǔ）多项目中，有一个可（kě）用于脊髓再（zài）生的3D打印（yìn）设备（bèi）和嵌入有可监测（cè）患（huàn）者生理和生化标志物（wù）的传感器的电子纹身。

虽然3D生物打印主要集中（zhōng）在很小的领域，但是美国（guó）得克萨斯州的创新者正（zhèng）在使用超大规模的3D打印来建（jiàn）造房屋（图2）。位于得克萨斯（sī）州奥斯汀市的建筑技术（shù）公司Icon开发了（le）一台名为Vulcan II的3D打印（yìn）机，该打印机可（kě）以在大约24 h内打印37 m²的两居室（shì）房屋的墙壁。Vulcan II是专门为偏（piān）远农村（cūn）的房屋建造而设计的，由（yóu）于有限的（de）资源、无法预（yù）测的（de）天气以及（jí）不稳定的电源，使用传统的建筑方式几乎是不可能完成（chéng）房屋建造的（de）。这台高（gāo） 3.5 m、重（chóng）1725 kg的机器连续（xù）堆积了一层高2.5 cm、宽 5 cm的被称为“lavacrete”的可（kě）延展型混凝土基线材料，并将其硬（yìng）化成墙（图3）。

图2. Icon公司（sī）（位于美国得克萨斯州奥斯汀（tīng）市（shì））的Vulcan II 3D打（dǎ）印机堆积了一（yī）层（céng）大（dà）约2.5 cm×5 cm的名（míng）为“lavacrete”的（de）混凝土基（jī）线材（cái）料，建造了（le）如图所示的37 m2 房屋的墙（qiáng）壁，花（huā）费（fèi）了（le）约24 h。来源：Icon公司（新（xīn）闻稿（gǎo））。

图3. Icon公司的Vulcan II 3D打（dǎ）印（yìn）机位于三个结构的最末端，该打（dǎ）印机在美国（guó）得克萨斯州奥斯汀市的一个地基上创建了三座37 m² 房屋的墙（qiáng）壁，这些房屋的平面图各不相（xiàng）同。来源：Icon公司。

Icon公司目前正在51英亩土地（dì）上为美国（guó）奥（ào）斯（sī）汀东北部地区的无（wú）家可归者打（dǎ）印数（shù）十套房（fáng）屋（wū），并为墨西哥（gē）塔巴斯（sī）科小镇约50个家庭提供房屋（wū）。虽（suī）然Vulcan II减少了建造房屋（wū）的（de）工（gōng）作（zuò）量，但建造过程并非（fēi）一步到位，工人仍（réng）然需要（yào）打下地基并安（ān）装屋顶。3D打印房屋除（chú）了（le）能节省时间（jiān）外，与其他低成（chéng）本（běn）住（zhù）房相比，它还能够打印平滑（huá）曲线和倾斜墙（qiáng）壁以（yǐ）实现其更自由的（de）设计。

在另一项大规（guī）模应用中，总部位于美国加利福尼亚州（zhōu）洛杉矶市的Relativity Space公（gōng）司（sī）开发了一种名（míng）为“Stargate”的3D打（dǎ）印（yìn）机（jī）（图（tú）4），用于建造几乎不以地（dì）面为基础的物体，即30 m高的（de）火箭飞船（chuán）。Relativity Space公司计（jì）划用3D打印技术打（dǎ）印第一枚（méi）火箭（jiàn）的整个（gè）生产线，即 Terran-1，但不包括电子设备、电缆和少量活（huó）动（dòng）部（bù）件。相比之（zhī）下（xià），SpaceX、Blue Origin和其他公司也使（shǐ）用3D 打印技术，但仅（jǐn）用于生（shēng）产部（bù）分零件。Relativity Space 公司与许（xǔ）多卫星运营商签订了（le）发射有效载荷（hé）的（de）合同（tóng），并同（tóng）意他们使用美国（guó）国（guó）家航（háng）空航天局位（wèi）于密西（xī）西比州（zhōu）汉考克县的John C.斯坦尼斯航（háng）天（tiān）中心的两个测试设施。该（gāi）公司还获（huò）得了从美国佛罗里达州卡纳（nà）维拉尔角（jiǎo）空（kōng）军基地的“Launch Complex-16”发射“Terran1”火箭的权利，其（qí）中（zhōng）第一枚火箭有望（wàng）在2021年（nián）发射。

图4. Relativity Space公司（sī）（总（zǒng）部位于美（měi）国加利福尼亚州洛杉矶市）的 Stargate 3D打印机使用定向能量沉积制（zhì）造（zào）巨大的（de）金属物体（tǐ），如（rú）火箭的燃料箱和发动机（jī）。打（dǎ）印机高9 m，且（qiě）具有3个庞大的机械臂。一（yī）只机械臂使用强大的激光（guāng）来（lái）熔化金属（shǔ）丝，金属丝会逐层沉积（jī）以形成火（huǒ）箭的零件。另外两只机械臂用于固定（dìng）工具以完成打印（yìn）的部件（jiàn）。来源：Relativity Space公司，维基共享资源（CC BY-SA4.0）。

尽管火箭通常由数千个单独的零件组成，但（dàn）Relativity Space公（gōng）司设（shè）计的零件却合并了一些部件，这些部（bù）件通常是被分开制造然后组装的。所以，他们的（de）火箭零件数量（liàng）将是同（tóng）类火箭的零件（jiàn）数量的1/100。更少的零（líng）件意味（wèi）着更少的接口和（hé）更少的出错机会。此外，尽管大多数制造商必须（xū）重新（xīn）配置其设备以制（zhì）造额外的（de）硬件，但（dàn）Relativity Space公司只需要在打印机软件中运行（háng）一个新程序即可创建下一个零件（jiàn）。而（ér）且与传（chuán）统（tǒng）的火箭制造相比，该公司的3D打印机进行设计更改也更容易且成（chéng）本更低。

“一般，航天（tiān）工业（yè）要规避风险，相较于（yú）创新，更希望有更多的信心实现成功发射。”安全（quán）世界基金会私（sī）营部门项目主任Ian Christensen说，该基（jī）金会总（zǒng）部位于美国科罗拉多州布鲁（lǔ）姆菲尔德市，其致力于促进和平可持续的外层空间的利用。“像3D打印火箭（jiàn）这样完全新颖的东西（xī），市（shì）场将（jiāng）如何反应，这是一个（gè）悬而未决的问题。”

仅仅因为（wéi）现实中3D打印已经开始满足人们对它的期望，但（dàn）人（rén）们仍有更多雄心勃勃的目标（biāo）。Relativity Space公司不（bú）仅（jǐn）不满足于通过制造火箭将卫星送入（rù）轨道，还（hái）着眼于将（jiāng）打印机运送到火星，以（yǐ）便在火星上打（dǎ）印火箭，从（cóng）而将土壤样本（běn）送回（huí）地球。“这种采样返回的概念在理论上是有趣（qù）的，但几乎（hū）可（kě）以肯定（dìng），它需要与政府的太空探索和行星科学（xué）项（xiàng）目（mù）相（xiàng）结合，而这些项目进展缓慢。”Christensen说，“像在技术方面的挑（tiāo）战一样，这一概念在政策及体制方面也面临着挑（tiāo）战。”