南極熊導(dǎo)讀：人們?cè)絹?lái)越需要玻璃作為制造復(fù)雜微觀幾何形狀的材料,，從緊湊型消費(fèi)品中的微光學(xué)器件到用于化學(xué)合成和生物分析的微流體系統(tǒng),。隨著玻璃的尺寸,、幾何形狀,、表面粗糙度和機(jī)械強(qiáng)度要求的發(fā)展,，傳統(tǒng)的加工方法受到挑戰(zhàn)�,？茖W(xué)家們介紹了熔融石英組件的微尺度計(jì)算軸向光刻 (micro-CAL)，通過(guò)斷層照射然后燒結(jié)的光聚合物-二氧化硅納米復(fù)合材料,，制造了內(nèi)徑為 150 微米的三維微流體,，表面粗糙度為 6 納米的自由形式微光學(xué)元件，以及最小特征尺寸為 50 微米的復(fù)雜高強(qiáng)度桁架和晶格結(jié)構(gòu),。
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2022-4-16 15:40 上傳
2022年4月16日,，南極熊獲悉，一項(xiàng)體積光固化3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)新研究登上了《科學(xué)》雜志封面,，“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”,，加州大學(xué)伯克利分校研究人員的這種方法速度更快，可以生產(chǎn)出具有更高光學(xué)質(zhì)量,、設(shè)計(jì)靈活和強(qiáng)度更高物體,。
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2022-4-16 11:09 上傳
△3D打印的玻璃結(jié)構(gòu)，與美國(guó)便士大小對(duì)比示例,。圖片來(lái)自Joseph Toombs
研究人員與德國(guó)Albert Ludwig University of Freiburg大學(xué)的科學(xué)家開展合作,，在他們?nèi)昵伴_發(fā)的3D打印工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了新的突破（計(jì)算軸向光刻CAL）。以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的玻璃構(gòu)造,，他們將這個(gè)新系統(tǒng)稱為“micro-CAL”,。
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2022-4-16 15:37 上傳
△極為光滑的表面
他們認(rèn)為,，玻璃是制造復(fù)雜微觀物體的首選材料，包括但不限于智能手機(jī),、內(nèi)窺鏡,、微型高質(zhì)量相機(jī)鏡頭，以及用于分析或處理微量液體的微流體設(shè)備等,。但目前的制造方法可能會(huì)很慢,、很昂貴，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)化需求,。
△加州大學(xué)可打印高光學(xué)質(zhì)量玻璃微結(jié)構(gòu)視頻,。視頻來(lái)自Joseph Toombs
CAL工藝與現(xiàn)有的3D打印工藝有著根本性的不同，傳統(tǒng)的方法使用薄層材料構(gòu)建物體,。這種技術(shù)可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間并導(dǎo)致粗糙的表面紋理,。然而，CAL可同時(shí)對(duì)整個(gè)對(duì)象進(jìn)行3D 打�,。�
研究人員將激光投射到光敏材料中,，形成一個(gè)三維光催化，然后固化成所需的形狀,。CAL工藝沒(méi)有層紋,，可實(shí)現(xiàn)光滑的表面和復(fù)雜的幾何形狀。
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2022-4-16 11:14 上傳
Joseph T. Toombs 等人,，采用微尺度計(jì)算軸向光刻技術(shù)的石英玻璃體積增材制造,，科學(xué)（2022 年）。 DOI：10.1126/science.abm6459,，點(diǎn)我文獻(xiàn)傳送門
“當(dāng)我們?cè)?019年首次發(fā)布這種方法時(shí),，那時(shí)CAL可以將物體打印成尺寸小至約三分之一毫米的聚合物，”首席研究員兼機(jī)械工程教授Hayden Taylor說(shuō),�,！艾F(xiàn)在，通過(guò)micro-CAL,，我們可以打印小到20 μm的聚合物,，或人類頭發(fā)寬度的四分之一。而且這種方法不僅可以打印聚合物,，還可以制成玻璃,，可精確到50 μm。
為了打印玻璃,，Taylo和他的研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種特殊的樹脂材料,，其中包含玻璃納米顆粒，周圍環(huán)繞著光敏粘合劑液體。然后,，研究人員加熱打印出來(lái)的物體,，去除粘合劑，將顆粒融合在一起,，形成一個(gè)純玻璃的固體物體,。
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2022-4-16 11:09 上傳
△Joseph Toombs在實(shí)驗(yàn)室里用一把鑷子夾著一個(gè)3D打印玻璃微結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自Joseph Toombs
“其中的關(guān)鍵技術(shù)是粘合劑的折射率與玻璃的折射率幾乎相同,，因此光通過(guò)材料時(shí)幾乎沒(méi)有散射,，”Taylor說(shuō)。
研究小組,，包括主要作者Joseph Toombs博士以及Taylor實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生等,，他們還發(fā)現(xiàn)CAL打印的玻璃物體比傳統(tǒng)工藝更具有更一致的強(qiáng)度特征�,！爱�(dāng)玻璃物體含有更多的缺陷或裂縫,，或者表面粗糙時(shí)，它們往往更容易破裂,，”Taylor說(shuō),。“因此,，與其他基于層的3D打印工藝相比,，能夠制造出更具有光滑表面的物體，這是一個(gè)巨大的潛在優(yōu)勢(shì),�,！�
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2022-4-16 11:09 上傳
△3D打印的六邊形微透鏡電顯照片。圖片來(lái)自Joseph Toombs
CAL 3D 打印方法為微型玻璃物體制造商提供了一種新的,、更有效的方法,，可以滿足客戶對(duì)幾何形狀、尺寸以及光學(xué)和機(jī)械性能的苛刻要求,。“能夠更快地為客戶提供更為復(fù)雜的新功能設(shè)備或成本更低的產(chǎn)品,，”Taylor說(shuō),。
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2022-4-16 15:39 上傳
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Nature重磅：X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)，Xolography無(wú)需支撐
2020年12月23日,，南極熊注意到,，頂級(jí)期刊《nature》上重磅發(fā)布了一篇論文xolography for linear volumetric 3D printing，可以理解為X線照相體積3D打印技術(shù),。文章作者來(lái)自德國(guó)勃蘭登堡應(yīng)用技術(shù)大學(xué)Martin Regehly和洪堡大學(xué)Stefan Hecht,，該技術(shù)允許以高達(dá)25微米的特征分辨率和55立方毫米/秒的固化速度3D打印物體。
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△X交叉光片照相體積3D打印原理
xolography是一種雙光技術(shù)，它使用可以光轉(zhuǎn)換的光引發(fā)劑,，通過(guò)相交不同波長(zhǎng)的光束進(jìn)行線性激發(fā),，從而在特定的單體體積內(nèi)引發(fā)光敏樹脂的局部聚合�,？茖W(xué)家們使用容積式打印機(jī)演示了這一概念,，打印出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征以及機(jī)械和光學(xué)功能的三維物體。與最先進(jìn)的體積3D打印方法相比,，此技術(shù)的分辨率約為無(wú)反饋優(yōu)化的計(jì)算機(jī)軸向平版打印技術(shù)的十倍,，并且體積生成速率比雙光子聚合3D打印技術(shù)高出四到五個(gè)數(shù)量級(jí)。
△實(shí)拍視頻：X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)
體積3D打印是3D打印的一種全新形式,，從字面上速度大大加快,。它基于將光圖像從不同角度投射到透明樹脂內(nèi)部。重復(fù)曝光會(huì)導(dǎo)致3D對(duì)象以極快的速度在樹脂槽中凝固,。
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讓南極熊3D打印網(wǎng)覺(jué)得更厲害的是,，德國(guó)柏林科學(xué)家們已經(jīng)就這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)立了一家公司xolo，將對(duì)其進(jìn)行商業(yè)化,。如果成功的話,，體積3D打印將會(huì)與現(xiàn)有3D打印技術(shù)，尤其是SLA,、LCD和DLP光固化工藝,，產(chǎn)生強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。
X交叉光片照相體積3D打印技術(shù)原理
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△X交叉光片照相體積3D打印樣品,，物體直接在樹脂槽中凝固完成
在一缸樹脂中,，應(yīng)用兩種不同波長(zhǎng)的射線。第一波長(zhǎng)“激活”一個(gè)區(qū)域,，然后第二個(gè)相交的波長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致被激活的樹脂聚合凝固,。或者是可以抑制聚合,！
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究竟是如何運(yùn)作,？事實(shí)證明，xolo的方法是將“射線光片”投射到透明樹脂桶中,�,！� Sheets”似乎很像一個(gè)層，但是有很多不同的角度,，并不像其他3D打印過(guò)程那樣依靠堆疊來(lái)3D打印對(duì)象,。一定厚度的矩形光照射一定體積的粘性樹脂。選擇光的波長(zhǎng)來(lái)激活被稱為雙色光引發(fā)劑(DCPIs)的分子,，通過(guò)切割分子主鏈上的一個(gè)分子環(huán)來(lái)激活,；這個(gè)反應(yīng)只發(fā)生在光圈內(nèi),。
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第二束光投射出3D對(duì)象的切片圖像，引發(fā)樹脂材料凝固,。第二束的波長(zhǎng)與第一束不同,，任何被激發(fā)的DCPI分子都會(huì)引發(fā)樹脂聚合，使薄片固化,。然后,，樹脂相對(duì)于光片的位置移動(dòng)，光片是固定的,。這改變了光片在樹脂中的位置,，因此激活和誘發(fā)過(guò)程可以在一個(gè)新的位置重新開始，從而一片片地構(gòu)建對(duì)象,。投影機(jī)處于固定位置,，同時(shí)旋轉(zhuǎn)大桶以呈現(xiàn)不同的視圖�,？茖W(xué)家們解釋：
“正交布置的投影儀產(chǎn)生第二波長(zhǎng)的光,，并將3D模型的截面圖像聚焦到光片平面中。只有處于激活狀態(tài)的引發(fā)劑分子吸收投影儀的光,，并導(dǎo)致電流層聚合,。通過(guò)在固定體積的光學(xué)裝置同步移動(dòng)樹脂槽期間，投射黑白圖像的視頻,，可以連續(xù)制造3D模型零件,。”
“光薄片”方法可確保任何特定的體素在整個(gè)過(guò)程中,，僅暴露于固化光一次,。這將使打印結(jié)果具有非常高的準(zhǔn)確性，因?yàn)橥队皶r(shí)光學(xué)系統(tǒng)已調(diào)整為呈現(xiàn)0.021毫米見(jiàn)方的像素,。
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△X交叉光片照相體積3D打印機(jī)核心組成模塊
激光系統(tǒng)：405nm的二極管激光器轉(zhuǎn)換為激光線,，并通過(guò)透鏡準(zhǔn)直，生成均勻的薄光片,。薄光片的厚度決定z軸分辨率,。
投影機(jī)：從要?jiǎng)?chuàng)建的3D模型獲得的切片圖像的視頻將顯示并聚焦到光片中。當(dāng)容器離開投影機(jī)時(shí),，投影機(jī)會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光并保持焦點(diǎn),。x和y方向上的分辨率取決于投影儀的分辨率和所需的物體尺寸。
X線照相：交叉光束（x）產(chǎn)生整個(gè)物體（整體）,。稱其為X線照相術(shù)。特定波長(zhǎng)的光片會(huì)激活光引發(fā)劑的薄層,。正交布置的投影儀將3D模型的截面圖像發(fā)射到光片中,。只有引發(fā)劑分子吸收光并開始聚合。投影與移動(dòng)的樹脂體積和縮放同步，從而實(shí)現(xiàn)3D打印,。
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無(wú)需支撐的光固化3D打印
南極熊相信,，很多讀者都會(huì)有疑問(wèn)，“它的支撐結(jié)構(gòu)怎么辦呢,？”,。事實(shí)證明，無(wú)論模型有多么復(fù)雜,，X線照相光固化3D打印技術(shù)都不需要支撐結(jié)構(gòu),。這是因?yàn)榇蛴∽鳂I(yè)的松散部分暫時(shí)被周圍的粘性樹脂支撐。
Xolo解析說(shuō),，光敏樹脂材料單體的交聯(lián),，會(huì)導(dǎo)致密度變化，從而導(dǎo)致零件在重力作用下的下沉速率不同,。樹脂的高打印速度和粘度使這種影響最小化,，因此零件的下沉僅在制造完成后才變得明顯�,！�
真是難以置信�,。�
X交叉光片照相體積3D打印的速度
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那么,，X交叉光片照相體積3D打印的速度到底有多快,？論文表明，它的速度是雙光子3D打印技術(shù)的10,000-100,000倍,。而且雙光子技術(shù)只能打印一些很小的物體,，并且打印速度非常慢。但X線體積3D打印意味著大約每小時(shí)可以3D打印固化一升材料,；如果使用更強(qiáng)大的激光光源和更精細(xì)的樹脂,，打印速度將大大提高。
《Science》革命性“容積3D打印技術(shù)”,，幾十秒打印一個(gè)人像
2019年2月,，全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》上刊登了一篇革命性“容積3D打印技術(shù)”文章（Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction.PDF），光照幾十秒即可打印出一個(gè)完整的人像,。
南極熊初步一看,，感覺(jué)這個(gè)技術(shù)原理其實(shí)挺簡(jiǎn)單
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△先在一個(gè)杯子里裝上光敏樹脂液態(tài)材料，使用DLP光源進(jìn)行體曝光,，轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)杯子進(jìn)行旋轉(zhuǎn),，在指定的位置把樹脂固化。 ![]()
△工作原理就像反向計(jì)算機(jī)斷層（CT）掃描一樣,，在CT機(jī)中,，X射線管在患者周圍旋轉(zhuǎn),，拍攝人體內(nèi)部器官的照片。然后,，計(jì)算機(jī)再利用這些投影重構(gòu)出一幅3D畫面,。在計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)3D物體的情況下，研究人員從多個(gè)不同角度計(jì)算出物體的形狀,，然后將由此產(chǎn)生的2D圖像輸入一臺(tái)普通的幻燈片投影儀,。投影儀將圖像投射到一個(gè)裝著丙烯酸酯（一種合成樹脂）的圓柱形容器中。當(dāng)投影儀通過(guò)全方位覆蓋的圖像旋轉(zhuǎn)時(shí),，容器也以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn),。加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的電氣工程師泰勒說(shuō)：“當(dāng)圓柱體旋轉(zhuǎn)時(shí)，任何接收到光量的位置都可以單獨(dú)控制,�,！薄叭绻獾目偭砍^(guò)一定數(shù)值，液體就會(huì)變成固體,�,！�
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△樹脂中的一種化學(xué)物質(zhì)會(huì)吸收光子，而當(dāng)吸收的光子達(dá)到一定的門檻時(shí),，丙烯酸酯就會(huì)聚合,，形成固體塑料。剩下的液體隨后被移除,，留下的就是固態(tài)的3D物體,。幾十秒后，杯子中便3D打印出來(lái)一個(gè)人像,。這速度要逆天�,。”菴arbon的CLIP連續(xù)液面打印技術(shù),，還要快很多,，杯子旋轉(zhuǎn)，即可打印出來(lái)物體,。
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△“容積3D打印技術(shù)”核心思路
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△核心數(shù)學(xué)公式
這個(gè)系統(tǒng)的核心就是CAL算法,，想要真正完成打印并不容易。首先得進(jìn)行三維模型的重建,，包括2D的傅里葉變換,。然后還得針對(duì)光敏液體的劑量進(jìn)行優(yōu)化等等。在打印過(guò)程中,，還涉及氧氣抑制,、光場(chǎng)干涉、3D空間和2D投影之間的轉(zhuǎn)換匹配等問(wèn)題,。
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△“容積3D打印技術(shù)”制作出來(lái)的其他物件
論文《Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction》（Science 31 Jan 2019,；eaau7114 ,；DOI: 10.1126/science.aau7114）作者，來(lái)自美國(guó)UC伯克利和美國(guó)勞倫斯利佛摩國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,。
上面這個(gè)論文公布之后，有一個(gè)北京的南極熊粉絲 吳翔 非常激動(dòng),，立馬向南極熊投訴：這個(gè)論文的作者抄襲了他2015年申請(qǐng)的專利,，而且他已經(jīng)向中國(guó)美國(guó)歐洲都申請(qǐng)了專利。![]()
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△專利“采用投影運(yùn)算和反投影方法的成像和成型方法”,，國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枺篜CT/CN2016/080097,，申請(qǐng)人： 吳翔 WU, Xiang [CN/CN]; CN
專利摘要：采用投影運(yùn)算和反投影方法制造二維或三維實(shí)像。還包括利用實(shí)像完成二維顯示,、三維顯示,、二維打印、三維打印,。屬于平板顯示領(lǐng)域,、3D立體顯示領(lǐng)域、打印技術(shù)領(lǐng)域,、快速成型領(lǐng)域,、增材制造領(lǐng)域、3D打印領(lǐng)域,。方法類似于計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)技術(shù)中投影數(shù)據(jù)采集和反投影重建方法,。計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)技術(shù)完成的是現(xiàn)實(shí)對(duì)象的投影數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化的斷層圖像重建，將實(shí)物轉(zhuǎn)化到虛擬數(shù)據(jù),。用投影運(yùn)算取代投影數(shù)據(jù)采集,，用現(xiàn)實(shí)的反投影方法取代數(shù)字化的反投影重建方法，將虛擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到實(shí)物或?qū)嵪�,。采用的投影射線包括光,、電磁波、高能射線,、粒子流,、聲波、沖擊波,、電流或化學(xué)波,。
南極熊：有人問(wèn)咱這個(gè)專利正在申請(qǐng)中，不是一切尚待定嗎,，何以見(jiàn)得對(duì)方抄襲,？
吳翔：聽到這種問(wèn)法，稍微懂點(diǎn)的法律知識(shí)的朋友也是一聲驚嘆,。在這次事件中,，關(guān)心的是著作權(quán),。從一開始就和專利權(quán)獨(dú)立。況且專利權(quán)我們也毫不怠慢,，一定要取得到手,。值得一提的是，千萬(wàn)不要誤解專利文獻(xiàn)不是文獻(xiàn),。恰恰相反的,，寫論文抄襲了專利文獻(xiàn)也是剽竊。
南極熊：都在哪些平臺(tái)發(fā)表公開過(guò),？
吳翔：我們做這件事,，從一開始就當(dāng)作技術(shù)創(chuàng)新來(lái)做。尋求一種法律保護(hù)的方案,，當(dāng)然選擇登記專利了�,，F(xiàn)在美國(guó)專利商標(biāo)局，中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局,，歐洲專利局,，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織的數(shù)據(jù)庫(kù)都有公開我們的專利文獻(xiàn)，遠(yuǎn)在涉案論文發(fā)表之前很早很早,。
南極熊：你擁有這項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)后,，會(huì)轉(zhuǎn)讓給國(guó)內(nèi)或者國(guó)外購(gòu)買者嗎？
吳翔：會(huì)的,，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下,，專利權(quán)也是合法交易商品，洽談?dòng)淇斓目赡軙?huì)成交,。外國(guó)人買下也是出于欣賞我的成果,。其實(shí)，申請(qǐng)階段也能轉(zhuǎn)讓,，就是現(xiàn)在,。顯然我不會(huì)賣很低，曾經(jīng)推廣過(guò),，說(shuō)過(guò)151億美元,，諸位朋友可以當(dāng)真也可以不當(dāng)真。
南極熊：這么高,，你是用什么方法定的,？
吳翔：根據(jù)歷史上最高成交記錄定的。150億美元,，我的印象中是一項(xiàng)關(guān)于脫氧核糖核酸的專利技術(shù),。
南極熊：為什么這么高，有這么厲害嗎？
吳翔：我們專利文獻(xiàn)里寫好了上位概念,。不僅僅用光固化樹脂,，就算食品、鋼鐵,、冰塊,、化妝品、建材等等,，都在權(quán)利要求內(nèi),。不僅僅用可見(jiàn)光紫外線，就算粒子流,、貝塔射線、阿爾法射線,、伽馬射線,、超聲波、沖擊波等等,，都在權(quán)利要求內(nèi),。
南極熊：可否提供你的專利的一些核心結(jié)構(gòu)圖？
吳翔：我們?cè)谧?cè)專利當(dāng)時(shí)沒(méi)有提供圖,，已成既定事實(shí),。專利法規(guī)定圖不是審查要素。有沒(méi)有圖也不是此次剽竊案件核心,。把論文的結(jié)構(gòu)圖拿出來(lái),，全部都在專利的權(quán)利要求范圍內(nèi)，這是無(wú)可辯駁的,。
很明顯,，論文作者照著權(quán)利要求畫出了結(jié)構(gòu)圖。徹頭徹尾地盜竊,。
南極熊：你認(rèn)為Science刊載的論文哪些部分抄襲了專利文獻(xiàn),？
吳翔：這是完整地照搬了創(chuàng)新思想。就涉案一行作者,，毫無(wú)創(chuàng)造可言,。排除抄襲部分，論文的其它內(nèi)容均是已有知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加,，不夠成創(chuàng)造性勞動(dòng),。我們的專利文獻(xiàn)包括了上位概念和下位概念，完整覆蓋了投影光和光固化樹脂,，包括了透明容器和旋轉(zhuǎn)裝置,，明確指出了CT技術(shù)的反投影方法用在現(xiàn)實(shí)中疊加。這一點(diǎn)抄襲了,，這篇論文就什么也不是,。
2015年提交專利申請(qǐng)的發(fā)明人吳翔直指論文作者剽竊專利文獻(xiàn),，抄襲創(chuàng)新思想，遠(yuǎn)在期刊刊登之前,，專利文獻(xiàn)已經(jīng)完成了提交和公布,，包括中文和英文的。在不只一個(gè)國(guó)家的專利數(shù)據(jù)庫(kù)中都有記錄,。Science期刊編輯和作者們未有履行相關(guān)學(xué)術(shù)和法律義務(wù),。
本文涉及資料
如果吳翔申訴成立，那么《Science》雜志和伯克利的幾個(gè)博士作者,，都會(huì)遇到麻煩,。南極熊將持續(xù)更新報(bào)道此事。 |
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