隨著材料科學(xué)和電子工程的進(jìn)步，3D 打印正在進(jìn)入開(kāi)發(fā)定制的可穿戴電子系統(tǒng)的階段，如亞利桑那大學(xué)。

就在十年前，增材制造只不過(guò)是一種非常昂貴的過(guò)程，用于為大型制造公司制作組件原型。 

現(xiàn)在，由于易于獲得且價(jià)格低廉的電子產(chǎn)品，再加上分享他們?cè)谖⒖刂破�、編碼和機(jī)器人技術(shù)方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的在線社區(qū)，3D 打印變得更加容易獲得。這種可用性不僅適用于進(jìn)入工程領(lǐng)域的新人，而且適用于否則無(wú)法負(fù)擔(dān)此類(lèi)技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司。 

顯示醫(yī)療設(shè)備 3D 打印潛在增長(zhǎng)的圖表。圖片由Share 教授提供

一個(gè)開(kāi)始從 3D 打印中獲益的領(lǐng)域是醫(yī)療行業(yè)。今天，本文將深入探討將 3D 打印技術(shù)與電子系統(tǒng)相結(jié)合的醫(yī)療用途，以及工程師開(kāi)發(fā)用于醫(yī)療領(lǐng)域的靈活 3D 打印可穿戴設(shè)備的兩個(gè)近期研究項(xiàng)目。

3D 打印醫(yī)療可穿戴設(shè)備

盡管這項(xiàng)技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)中，但工程師們已經(jīng)在一個(gè) 3D 打印結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建了 3D 印刷電路板，甚至是將不同類(lèi)型的材料（導(dǎo)電和非導(dǎo)電）組合在一起的電子元件。 

與傳統(tǒng)的 PCB 制造工藝不同，這種方法可以讓電子設(shè)備打印成任何 3D 形狀，包括外殼和內(nèi)部組件。

這項(xiàng)技術(shù)最獨(dú)特的應(yīng)用之一是制造醫(yī)療領(lǐng)域使用的可穿戴設(shè)備。通過(guò)將電子設(shè)備 3D 打印成任何形狀，工程師和醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員可以開(kāi)發(fā)針對(duì)患者或用戶(hù)身體和需求的個(gè)性化電子設(shè)備。 

目前，這些可穿戴設(shè)備還不能完全 3D 打印，因?yàn)?3D 打印電子元件等一些技術(shù)元素仍處于試驗(yàn)階段，而且效率、穩(wěn)健，而且最重要的是，還不如微電子產(chǎn)品那么小。 

一些公司，例如許多助聽(tīng)器供應(yīng)商，已經(jīng)在使用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)針對(duì)用于嵌入現(xiàn)成電子設(shè)備的空白空間的患者專(zhuān)用外殼。相比之下，其他人則通過(guò)將其設(shè)備的整個(gè)外殼、電路和一些傳感器作為一個(gè)單一對(duì)象打印出來(lái)，這一次只考慮了電子元件的空白空間，而不是預(yù)組裝的電路。

希望保持在可穿戴設(shè)備中使用 3D 打印的勢(shì)頭和增長(zhǎng)，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，因此來(lái)自哈佛的低成本解決方案。

過(guò)去的 3D 打印設(shè)備為未來(lái)趨勢(shì)鋪平了道路 

2017 年，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 ( SEAS ) 和Wyss 研究所的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)在生物醫(yī)學(xué)工程師和醫(yī)學(xué)博士候選人Alexander D. Valentine 的帶領(lǐng)下，開(kāi)發(fā)了一種低成本的混合 3D 打印可穿戴設(shè)備，集成了軟 3D 細(xì)絲（導(dǎo)電和不導(dǎo)電）將剛性電子元件整合到一個(gè)柔性設(shè)備中。

研究人員的原型。圖片由情人節(jié)等人和哈佛大學(xué)提供

他們使用的材料被稱(chēng)為熱塑性聚氨酯或簡(jiǎn)稱(chēng)TPU。TPU 的優(yōu)勢(shì)在于它是可彎曲的，并且還可以富含金屬，在這種情況下是銀片，使其具有導(dǎo)電性，可用于打印從設(shè)備電極到電容式傳感器的任何東西。 

TPU 的柔性特性使哈佛團(tuán)隊(duì)能夠使他們的電路和傳感器變得靈活，同時(shí)還將其用作膠水以將其非柔性組件固定到位。 

據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，他們的一個(gè)測(cè)試打印件由放置在 3D 打印銀 TPU 電路上的 12 個(gè) LED 組成，在不降低光強(qiáng)度和任何機(jī)械故障的情況下反復(fù)彎曲和拉伸。 

最近，哈佛團(tuán)隊(duì)通過(guò)在導(dǎo)電和非導(dǎo)電 TPU 之間交替打印特定結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了兩種可穿戴設(shè)備，一種具有應(yīng)變傳感器，一種具有壓力傳感器。這些傳感器作為一種可穿戴設(shè)備完全 3D 打印，其中 LED、電阻器和微控制器是打印過(guò)程中唯一放置的非打印組件。

這些發(fā)展只是朝著使 3D 醫(yī)療可穿戴設(shè)備成為標(biāo)準(zhǔn) PCB 制造更具成本效益的選擇的正確方向邁出的一步。與 3D 打印可穿戴設(shè)備相關(guān)的研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展聲稱(chēng)永遠(yuǎn)不需要充電。 

無(wú)需充電的 3D 打印可穿戴設(shè)備

在最新的研究成3D打印可穿戴技術(shù)是由本月初公布的美國(guó)亞利桑那大學(xué)隊(duì)由教授帶領(lǐng)電子和生物醫(yī)學(xué)工程師菲利普Gutruf和教職研究員克雷格M.貝格。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)線供電的“生物共生設(shè)備”，可以根據(jù)潛在用戶(hù)的掃描進(jìn)行定制 3D 打印，該設(shè)備使用 TPU 技術(shù)。

團(tuán)隊(duì)的生物共生裝置示例。圖片由 Gutruf 和亞利桑那大學(xué)提供

這種可穿戴設(shè)備聲稱(chēng)重量輕且透氣，因?yàn)樗�采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)印刷，使用戶(hù)可以輕松地將它穿在衣服下面而不會(huì)注意到它或被笨重的設(shè)備打擾。 

這個(gè)想法是允許為可穿戴設(shè)備定制打印身體的任何部位，在這些部位需要放置傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，而不會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)不適。

該設(shè)備背后的團(tuán)隊(duì)通過(guò)將緊湊型能量存儲(chǔ)和無(wú)線能量收集替換電池與能夠在幾米范圍內(nèi)為設(shè)備供電的電源發(fā)射器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了 24/7 的“開(kāi)啟”時(shí)間。能量存儲(chǔ)單元還可以在短時(shí)間內(nèi)為設(shè)備供電，即使它超出了系統(tǒng)的范圍。

亞利桑那大學(xué)研究人員設(shè)備框圖。圖片由Gutruf 等人提供

根據(jù) Gutruf 的說(shuō)法，該設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是不與佩戴者互動(dòng)。佩戴者只需將設(shè)備放在他們的身上，然后他們就不會(huì)在工作時(shí)注意到它。 

與哈佛 3D 打印可穿戴設(shè)備的技術(shù)類(lèi)似，這些設(shè)備使用打印設(shè)備的某些元素并在打印過(guò)程中嵌入電子元件的組合。結(jié)果是一個(gè)完全靈活的網(wǎng)狀帶，可以覆蓋它設(shè)計(jì)的身體部位。

3D 打印可穿戴技術(shù)的未來(lái)

僅在過(guò)去幾年中，增材制造技術(shù)才足夠先進(jìn)，可以超越原型階段。許多在不同領(lǐng)域工作的工程師團(tuán)隊(duì)的進(jìn)步使得 3D 打印機(jī)能夠用于逐層構(gòu)建系統(tǒng)，從嵌入式電子設(shè)備（如這些可穿戴設(shè)備）到結(jié)構(gòu)合理的3D 打印建筑。

盡管該技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但材料科學(xué)的每一項(xiàng)新創(chuàng)新都擴(kuò)大了設(shè)計(jì)人員可以在 3D 打印過(guò)程中嵌入到設(shè)備中的部件和功能的范圍。 

憑借隨時(shí)可用且價(jià)格合理的組件和材料，這項(xiàng)技術(shù)有可能為廣大用戶(hù)找到方法，特別是如果它像工程師聲稱(chēng)的那樣耐用且抗故障�？纯� 3D 打印世界如何不斷創(chuàng)新并尋找新方法來(lái)創(chuàng)造更好的設(shè)備將會(huì)很有趣。