【人物】中大科研學者陳世祈團隊 研發尖端3D打印技術減98%成本

2020-01-30

如今3D打印機被廣泛應用,似乎已很成熟,然而仍有一門類的3D打印技術多年來無法突破,那是納米級數的3D打印,專門製作細小的醫療支架或其他超精細科研器物,製作成果要用電子顯微鏡才觀察到。然而這個技術所費不菲,每毫米要88美元。

香港中文大學機械與自動化工程學系副教授陳世祈和他的研究團隊,最近與美國團隊共同做出突破,將納米3D打印技術速度大幅提升,製作出「數碼全息納米3D打印機」,不但將打印速度加快,令打印成本大幅降低至每毫米1.5美元,減幅達98%,也將精細度大大提高,獲選為去年影響全球的100大發明。

陳世祈打開實驗室的門,一切看上去都不太起眼,只是矮桌上放着多個反光鏡和聚光鏡組成的儀器,看似雜亂,但其實是有序的安排,不可隨便移動,當中有部分是他團隊研發的「飛秒投影雙光子光刻3D打印」(FP-TPL)技術儀器,有部分是其他研究和實驗,大家共享着同一個高能量鐳射光源。「這些還沒有變成機器,真正應用的話要再做工程上的設計。」

用FP-TPL技術所造的「數碼全息納米3D打印機」(Nano-Builder),剛在去年獲得有「創科界奧斯卡」之稱的全球R&D100年獎嘉許,被肯定為2018年全球100個為科技帶來最深遠影響產品的儀器,是他花5年時間研究而成。他改良的不是平日看到的普通3D打印技術,而是納米級數的3D打印。

Image description 陳世祈與團隊發明用FP-TPL技術所造的「數碼全息納米3D打印機」, 更快更便宜效果也更好。(吳楚勤攝)

Image description 陳世祈(左二)與團隊研發出「飛秒投影雙光子光刻3D打印」(FP-TPL)技術,成果獲全球R&D100年獎嘉許。(受訪者圖片)

速度提升達千萬倍

這種技術是3D打印中的最高要求,可打印出最精密的結構,所用的材料也很廣泛,因此常用來打印重要而微小的器物,如利用可被人體吸收的材料,製作放在身體裏的仿真生物組織及支架、體內藥物傳輸工具等,也可以製作金屬器物,如納米感應器、納米機械人等。成本高昂,所需時間也很長。

傳統納米3D打印用的是雙光子聚合系統(TPP),使用鐳射光串與光感材料起作用變成固體,逐點寫入,由點組合成層,一層層印上去,速度非常緩慢,只有約每小時0.1立方毫米,製造一個小型的器物,可以花上數星期時間。而打印機器的成本主要來自鐳射系統,因為製造鐳射光成本高昂,機器也有壽命限制,一般只能使用約2萬小時,變相讓打印成本變得異常高。

而他研發的這套FP-TPL技術,雖然同樣用鐳射光束,卻用上創新的聚焦方法,將脈衝鐳射點散開成不同顏色的光線,因此能將只有一點的光束分散成片,可以同時投影100萬個光點,變成光平面,能做到這點,全靠一個叫「光山」的儀器,這個儀器同時充滿微型鏡子,可以透過控制反射改變寫入的影像。這樣便可以一次過寫一層,一層層疊加上去成為所需結構,大大增加製作速度。

「我們把速度提升了1000到10000倍,但是精確度不但沒有減少,還變得更好。每一秒鐘可以曝光1000次,可以印1000層,嗖一下就打印完了。」傳統TPP方法打印一枚1元港幣需要近1年,但用FP-TPL技術速度增加至每小時10至100立方毫米,打印一枚1元港幣只需要10小時,大大節省時間和成本。

這個概念從2015年開始構思,和美國團隊一起共花了約700萬港元研發。早在之前,陳世祈已帶領香港團隊研發鐳射光系統多時,光點透過光山變成光平面技術,雖然在2005年已被外國科學家發表,但因為準確度低,被忽略多年,本地團隊為此帶來突破,也被研究TPP的美國團隊「勞倫斯利佛摩國家實驗室」看中。

對方看過他們的報告後,主動提供經費,邀請他用這技術改良TPP系統,他們負責光學系統設計,而美國團隊則負責改良打印材料和方法,最後研發出精密的打印技術。「雖然成品都很小,但貢獻是很大的。」

Image description 實驗室的矮桌上放着多個反光鏡和聚光鏡組成的儀器,都是不同實驗所用。(吳楚勤攝)

Image description 陳世祈(右二)除了是光學機械的專家,還吹得一手好色士風,服役時更加入軍中管樂隊。(受訪者圖片)

發明當世可用之物

陳世祈曾在哈佛醫學院做研究工作,於2011年加入中大。從小名列前茅,物理有天分,很自然就選擇了機械工程為主修。「很多念機械的人都是從小就喜歡動手做東西,我也是一樣,修讀以後發現,哇,可以做的東西太多了,最後可能還是選一個特定範疇,我們就選擇了機械工具。它不是一個很基本的學科,讓一個工具可以運作,既要硬件又要軟件,要各式各樣的工程知識,就是系統工程的範圍,幹的活比較雜。」

雖然如今他仍很喜歡物理,但更喜歡發明可以給人用的東西,「例如物理系的老師積極發掘比電子小的粒子,其實目前來說,比電子小的粒子都沒有任何用,但他們一直在找,說不定200年後會有用。我則喜歡我的研究在死前看到有人用。」

在台灣的大學畢業後,他當兵兩年,再到美國進修,發現美國和台灣的訓練不同,美國教育都不太習慣紙上談兵,都在動手做。「發現原來我不會動手,因此迫着要學會。」

美國不少好大學都是私立,資源足以讓學生做各種嘗試,但學費貴,幸好他有獎學金,最後選擇以微機械系統設計為主要研究範疇,「大概都是10根頭髮粗的大小,用矽加工工藝做,裏面有完整的電路系統。」

他拿出一個細小的晶片,是他早年的作品。「其中一個微機械系統例子是測量『加速度』的儀器,當動作突然停下,裏面的彈簧就會震動,看震動的幅度就能知道加速度。其實你身上到處都有這種機器,手機裏面就有6個,一移動手機就會被感應,可以用來玩遊戲感應位置等。」

後來他轉向醫療機械研發,幫助醫學教授研究如何將顯微鏡放進內窺鏡,「好的顯微鏡都很大,尤其是精密的鐳射掃描,可以看進肉裏面看細胞的實時變化,但都放不進內窺鏡的鏡頭,他們想做出可以融合兩者的工具,這樣放進去就可以直接觀測到癌細胞等。」

Image description 早在二○○三年,陳世祈已經憑微型六軸納米定位器的發明,取得R&D 100年獎。(受訪者圖片)

香港比新加坡自由

這是他的博士研究題目,也是從那時開始研究光學系統。最後他成功研發出機器,但因為太昂貴,沒有被大量生產,只是放在醫學院使用。「主要是鐳射光很貴,一個系統大概要100萬港元,我們做實驗用的鐳射光系統,大概就要120萬港元,做成一個這樣(微鐳射顯微鏡)的系統,大概就要四五百萬港元。」

但有了這經驗,他開始轉向光學機械系統研究,2011年來港後一直專攻這範疇,至今8年,做出不少成果,他專門研究「超快鐳射」技術,先是以此改進鐳射顯微鏡系統,主要與生物學家合作,雖然沒有很多工業量產的應用,卻能幫他們發掘更多未知的研究領域。

中大一個實驗室內,擺放着「數碼全息雙光子激發」(簡稱DH-TPE)顯微鏡的成品,也是他們改良鐳射光技術的作品,可用超高速拍攝活體神經細胞,顯示成立體成像,方便生物和醫學科學家記錄神經細胞之間的互動,研究青光眼等視覺神經疾病。這個小小的儀器,製作成本200萬元,看似很昂貴,但傳統商用TPE顯微鏡成本約600萬元,卻只能投射在一個目標,拍攝平面影像,這個DH-TPE顯微鏡則大大減省成本,效果也更好,對研究大有幫助。

如今這套技術也被應用在微機械和微打印上,貢獻更大。「雖然旁人以為成果只是這個3D打印機,但其實創新之處在於我們如何準確控制鐳射光,不只可用來立體成像,也能用來打印,圍繞這技術還可以做更多應用。」

陳世祈除了是光學機械的專家,還吹得一手好色士風,有這個學習機緣,原來是與兵役制度有關。當時台灣所有年輕男性規定要在畢業後服兩年兵役,當兵日子艱苦,而且無法選擇被派往什麼地方,如果被派到偏遠的小島,幾個士兵獨自守望,日子會很難熬。因此在學時期,他與一眾同學各自苦練樂器,務求考進軍中的管樂隊,起碼可以留在城市中到處表演。由於位置有限,競爭激烈,技巧更要掌握得比其他人好,他憑出色技術順利獲選。雖然如今不常練習,但仍有音樂藝術可平衡理性的科學研究。

陳世祈小檔案

出生地點:台灣

職銜:香港中文大學機械與自動化工程學系副教授

學歷:台灣國立清華大學機械工程系學士、麻省理工大學碩士、劍橋大學博士

主要研究範圍:納米3D打印、高速3D成像

撰文 : 張綺霞

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Image description 陳世祈曾在哈佛醫學院進行研究工作,於2011年加入中大。(吳楚勤攝)