摘要:

综述 ● 开放获取阅读更多

1.文章导读

场辅助增材制造（FAM）通过在成形过程中引入磁、声或电场，实现对纳米功能单元空间取向与分布的原位精确调控，为微纳尺度下材料结构与功能属性的协同设计提供了新范式，是推动高性能器件“结构-功能一体化”制造的关键技术路径。近日，东南大学王乾乾教授、吕之阳教授团队联合哈尔滨工业大学李天龙教授团队在SCI期刊《极端制造》 （International Journal of Extreme Manufacturing）发表题为《External-field-assisted additive manufacturing for micro/nano device fabrication》的系统性综述，全面梳理了磁场、声场及电场辅助增材制造的技术原理与调控机制，深入剖析其在微纳机器人、生物医疗器件、电子与传感器等关键领域的应用实例，并对当前技术瓶颈、跨尺度集成挑战及未来智能化发展方向提出前瞻性展望，为FAM技术从实验室走向工程化应用提供了理论支撑与路线指引。

图1. 场辅助增材制造技术及应用概述

2.图文解析

磁场调控实现微结构编程

为实现器件在磁响应、驱动或传感等方面的定向功能，需在制造过程中对磁性颗粒的空间取向进行精确调控。磁场辅助光固化制造在逐层曝光前施加定向磁场，引导颗粒排列，实现结构构建与磁取向调控的一体化。图2展示了典型系统架构，包括多轴电磁线圈与光固化平台的集成，为制造可编程磁响应软体器件提供了关键技术路径。

图2. 磁场辅助光固化系统与调控机制

声场引导的微结构自组装

构建具有仿生微结构的生物器件，需要制造技术能够在三维空间内精确引导细胞或微粒的排列与分布。声场辅助光固化制造利用超声驻波在液态树脂中构建压力节点，引导细胞或微粒自组装成预设图案，再经光固化锁定结构。图3呈现了多换能器系统如何生成可编程声场，实现非接触、无损伤的仿生微结构构建，为复杂功能材料的精准制造提供了有效技术路径。

图3. 声场引导光固化系统与调控机制

驱动与功能一体化的微机器人制造

磁场辅助增材制造技术能够在材料成型过程中，对磁性颗粒的空间排布与磁化方向进行精确设定，从而赋予微纳机器人特定的形变模式与运动能力。图4展示了基于该技术制造的多种功能性微机器人：包括可在温度与磁场协同作用下切换运动模式的软体带状机器人、通过沟槽结构增强变形能力的多足行走机器人、可实现六自由度操作的微型磁性夹爪，以及具备可控释药功能的胶囊型机器人。这些器件的运动行为由其内部磁结构决定，在外部磁场激励下即可完成复杂任务，体现了制造过程与功能设计的高度协同。

图4. FAM应用于功能微机器人

面向生物器件的FAM制造方案

场辅助增材制造已成功应用于多种前沿生物医疗场景：利用声场引导细胞在水凝胶中构建仿生排列的肌腱或心肌组织模型；通过磁场导航柔性导管机器人，在骨缺损或心肌病灶处实现活细胞支架的原位精准打印；借助聚焦超声穿透生物组织，无创固化药物载体或生物墨水；同时，电场辅助增材制造技术可高精度打印具有微纳级孔径与各向异性结构的柔性支架。图5集中呈现了这些从体外模型构建到体内修复实施的代表性成果，展示了该技术在构建动态、活性、精准化生物结构方面的综合应用潜力。

图5. FAM应用于生物医疗器

3.总结与展望

场辅助增材制造通过磁、声、电等物理场在打印过程中对材料微结构进行原位调控，已展现出在微纳机器人、生物医疗与电子器件等领域的强大应用潜力。未来，FAM的发展将聚焦四大方向：提升场分布的空间均匀性与动态控制精度，探索多物理场协同作用机制，构建融合人工智能的闭环智能控制系统，以及突破高通量并行制造技术瓶颈。通过在这些方向上的持续研究与优化，推动该技术从实验室走向规模化和工程化应用，最终有望成为下一代高性能微纳器件制造的重要支撑平台。

图6. 微/纳米器件制造中FAM的未来方向