【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

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。

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。」

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。」

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

[email protected]