超材料（Metamaterials）發(fā)展得益于多學(xué)科交叉融合，通過人工結(jié)構(gòu)構(gòu)建而實(shí)現(xiàn)超越天然材料的特性。在制造與前沿材料深度融合發(fā)展浪潮中，超材料“超自然”能力成為科研界、工程界關(guān)注的熱門學(xué)科，其衍生技術(shù)也逐步深入航空航天、人形機(jī)器人、無(wú)線通信、隱身材料、高精度成像等多個(gè)科技領(lǐng)域。

超材料性能實(shí)現(xiàn)從改變構(gòu)成材料的微觀粒子屬性和排列形式開始，那么微觀物理尺寸的極限，該如何突破？微納3D打印在跨越傳統(tǒng)制造工藝精度桎梏下，為超材料從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)失準(zhǔn)，到復(fù)雜晶格的三維成型失控提供了一種微尺度快速成型解決方案，進(jìn)而加速了超材料理論模型向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的跨越。

高精度、輕量化是超材料發(fā)展的必經(jīng)之路

當(dāng)全球科技競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入"微米級(jí)戰(zhàn)場(chǎng)"，超材料研發(fā)已不僅是材料科學(xué)的獨(dú)角戲，更是精密制造、智能控制、跨學(xué)科融合的系統(tǒng)工程。

摩方精密創(chuàng)新研發(fā)的面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了2微米級(jí)超高光學(xué)精度，還自主研發(fā)出復(fù)合精度光固化技術(shù)，通過創(chuàng)新性地融合多精度層級(jí)加工策略，實(shí)現(xiàn)了2μm至100mm*100mm*50mm的跨尺度加工能力，解決了高精度制造中“精度越高、尺寸越小”的固有矛盾。

01 正負(fù)泊松比超材料

西安交通大學(xué)的洪軍/李寶童課題組通過對(duì)巨量高精度性能數(shù)據(jù)的分析，建立了一種精準(zhǔn)計(jì)算力學(xué)性能的理論模型，并基于模型進(jìn)一步提出了用于獲取可編程極限性能的幾何設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

團(tuán)隊(duì)采用摩方microArch® S240（精度：10μm）3D打印設(shè)備，完成了在楊氏模量上具有兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上增強(qiáng)效果的材料樣件的制備，并實(shí)現(xiàn)了樣件在長(zhǎng)度尺度上由微米尺度到宏觀尺度的跨越。

02 三維內(nèi)凹負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料

中國(guó)工程物理研究院唐昶宇研究員團(tuán)隊(duì)和西南交通大學(xué)許陽(yáng)光副教授團(tuán)隊(duì)共同設(shè)計(jì)了一種新型的三維內(nèi)凹負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)與等效彈性模量和泊松比的關(guān)聯(lián)機(jī)理開展了系統(tǒng)的研究。

通過在典型的三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)上添加箭頭結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)目的，團(tuán)隊(duì)利用摩方nanoArch® P150（精度：25μm）3D打印系統(tǒng)制備了增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)。研究通過特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在幾乎不犧牲負(fù)泊松比效應(yīng)的前提下顯著提高材料的剛度，為進(jìn)一步拓寬負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍提供了一種有效的解決方案。

DOI：10.1088/1361-665X/acb1e4

03 親鋰氧化石墨烯多通道結(jié)構(gòu)

北京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種加速梯度力學(xué)超材料逆向設(shè)計(jì)的深度學(xué)習(xí)方法。發(fā)展了一種由對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GAN)、性能預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(PPN)和結(jié)構(gòu)生成網(wǎng)絡(luò)(SGN)組成的多重網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)框架，可實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)和拓?fù)錁?gòu)型的快速雙向映射。

基于此深度學(xué)習(xí)框架，將各向異性材料楊氏模量、剪切模量和泊松比組成的屬性空間，類比于R-G-B色彩空間，進(jìn)而將梯度力學(xué)超材料逆向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為色彩匹配問題。團(tuán)隊(duì)利用摩方nanoArch® S140（精度：10μm）制備了超材料結(jié)構(gòu)樣件，采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法驗(yàn)證了逆向設(shè)計(jì)的有效性。

DOI：10.1016/j.ijmecsci.2022.107920

04 混合多層級(jí)點(diǎn)陣材料

清華大學(xué)李曉雁教授課題組采用桁架和平板單胞作為基本單元構(gòu)筑設(shè)計(jì)了多種新型的混合多層級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并采用摩方microArch® S240（精度：10μm）制備了相應(yīng)的多層級(jí)微米點(diǎn)陣材料。研究中的復(fù)合分級(jí)結(jié)構(gòu)，整體尺寸8*8*8mm3，最小特征尺寸40.6-140.8μm。

相比于單一層級(jí)的平板點(diǎn)陣，桁架-平板混合多層級(jí)點(diǎn)陣具有密度更低、易于制備的優(yōu)點(diǎn)，在構(gòu)筑輕質(zhì)且具有優(yōu)異力學(xué)性能的新型結(jié)構(gòu)材料方面具有重要的應(yīng)用前景。

DOI：10.1002/smll.202206024

創(chuàng)新賦能，產(chǎn)學(xué)研深度融合加速技術(shù)轉(zhuǎn)化

超材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，遵循“技術(shù)驗(yàn)證-中試放大-產(chǎn)業(yè)落地”的發(fā)展路徑。摩方精密構(gòu)建的“設(shè)備+材料+服務(wù)”全生態(tài)解決方案體系，為科研團(tuán)隊(duì)提供了成果轉(zhuǎn)化全鏈條支持。

隨著摩方全新智能化技術(shù)升級(jí)，搭載復(fù)合精度光固化技術(shù)的新一代3D打印系統(tǒng)：microArch® D0210（精度：2&10μm）和D1025（精度：10&25μm），不僅支持雙精度智能化切換，全系匹配增速提效的自動(dòng)化水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)合高精度運(yùn)動(dòng)控制與智能液面調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在保持高光學(xué)精度的同時(shí)，支持跨尺度大幅面與重復(fù)陣列打印模式，顯著提升了制造效率與工藝普適性，為實(shí)驗(yàn)室研發(fā)到工業(yè)制造提供了全面系統(tǒng)化的解決方案。

從實(shí)驗(yàn)室的微觀結(jié)構(gòu)到產(chǎn)業(yè)界的宏觀應(yīng)用，摩方精密以微納3D打印為支點(diǎn)，從2-25μm超高精度系統(tǒng)構(gòu)建，到多材料體系的生態(tài)布局，再到科研產(chǎn)業(yè)化落地的閉環(huán)打通，每一步都印證著中國(guó)智造從跟跑到創(chuàng)新自主的時(shí)代軌跡。

未來(lái)，隨著摩方微納3D打印技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新迭代，超材料將在更多維度釋放潛能，為全球產(chǎn)業(yè)升級(jí)與人類文明進(jìn)步提供不竭動(dòng)力。