- 研究人員通過自充電醫療可穿戴設備推動 3D 打印趨勢
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2021/11/16
隨著材料科學和電子工程的進步，3D 打印正在進入開發定制的可穿戴電子系統的階段，如亞利桑那大學。
就在十年前，增材制造只不過是一種非常昂貴的過程，用于為大型制造公司制作組件原型。
現在，由于易于獲得且價格低廉的電子產品，再加上分享他們在微控制器、編碼和機器人技術方面的知識和經驗的在線社區，3D 打印變得更加容易獲得。這種可用性不僅適用于進入工程領域的新人，而且適用于否則無法負擔此類技術的研究機構、大學和公司。
顯示醫療設備 3D 打印潛在增長的圖表。圖片由Share 教授提供
一個開始從 3D 打印中獲益的領域是醫療行業。今天，本文將深入探討將 3D 打印技術與電子系統相結合的醫療用途，以及工程師開發用于醫療領域的靈活 3D 打印可穿戴設備的兩個近期研究項目。
3D 打印醫療可穿戴設備
盡管這項技術仍在開發中，但工程師們已經在一個 3D 打印結構中創建了 3D 印刷電路板，甚至是將不同類型的材料（導電和非導電）組合在一起的電子元件。
與傳統的 PCB 制造工藝不同，這種方法可以讓電子設備打印成任何 3D 形狀，包括外殼和內部組件。
這項技術最獨特的應用之一是制造醫療領域使用的可穿戴設備。通過將電子設備 3D 打印成任何形狀，工程師和醫療專業人員可以開發針對患者或用戶身體和需求的個性化電子設備。
目前，這些可穿戴設備還不能完全 3D 打印，因為 3D 打印電子元件等一些技術元素仍處于試驗階段，而且效率、穩健，而且最重要的是，還不如微電子產品那么小。
一些公司，例如許多助聽器供應商，已經在使用這項技術來開發針對用于嵌入現成電子設備的空白空間的患者專用外殼。相比之下，其他人則通過將其設備的整個外殼、電路和一些傳感器作為一個單一對象打印出來，這一次只考慮了電子元件的空白空間，而不是預組裝的電路。
希望保持在可穿戴設備中使用 3D 打印的勢頭和增長，特別是在醫療領域，因此來自哈佛的低成本解決方案。
過去的 3D 打印設備為未來趨勢鋪平了道路
2017 年，哈佛大學工程與應用科學學院 ( SEAS ) 和Wyss 研究所的多學科團隊在生物醫學工程師和醫學博士候選人Alexander D. Valentine 的帶領下，開發了一種低成本的混合 3D 打印可穿戴設備，集成了軟 3D 細絲（導電和不導電）將剛性電子元件整合到一個柔性設備中。
研究人員的原型。圖片由情人節等人和哈佛大學提供
他們使用的材料被稱為熱塑性聚氨酯或簡稱TPU。TPU 的優勢在于它是可彎曲的，并且還可以富含金屬，在這種情況下是銀片，使其具有導電性，可用于打印從設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隊能夠使他們的電路和傳感器變得靈活，同時還將其用作膠水以將其非柔性組件固定到位。
據該團隊稱，他們的一個測試打印件由放置在 3D 打印銀 TPU 電路上的 12 個 LED 組成，在不降低光強度和任何機械故障的情況下反復彎曲和拉伸。
最近，哈佛團隊通過在導電和非導電 TPU 之間交替打印特定結構，開發了兩種可穿戴設備，一種具有應變傳感器，一種具有壓力傳感器。這些傳感器作為一種可穿戴設備完全 3D 打印，其中 LED、電阻器和微控制器是打印過程中唯一放置的非打印組件。
這些發展只是朝著使 3D 醫療可穿戴設備成為標準 PCB 制造更具成本效益的選擇的正確方向邁出的一步。與 3D 打印可穿戴設備相關的研究領域的最新進展聲稱永遠不需要充電。
無需充電的 3D 打印可穿戴設備
在最新的研究成3D打印可穿戴技術是由本月初公布的美國亞利桑那大學隊由教授帶領電子和生物醫學工程師菲利普Gutruf和教職研究員克雷格M.貝格。該團隊開發了一種無線供電的“生物共生設備”，可以根據潛在用戶的掃描進行定制 3D 打印，該設備使用 TPU 技術。
團隊的生物共生裝置示例。圖片由 Gutruf 和亞利桑那大學提供
這種可穿戴設備聲稱重量輕且透氣，因為它采用網狀結構印刷，使用戶可以輕松地將它穿在衣服下面而不會注意到它或被笨重的設備打擾。
這個想法是允許為可穿戴設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收集數據，而不會給用戶帶來不適。
該設備背后的團隊通過將緊湊型能量存儲和無線能量收集替換電池與能夠在幾米范圍內為設備供電的電源發射器相結合，實現了 24/7 的“開啟”時間。能量存儲單元還可以在短時間內為設備供電，即使它超出了系統的范圍。
亞利桑那大學研究人員設備框圖。圖片由Gutruf 等人提供
根據 Gutruf 的說法，該設備的設計目的是不與佩戴者互動。佩戴者只需將設備放在他們的身上，然后他們就不會在工作時注意到它。
與哈佛 3D 打印可穿戴設備的技術類似，這些設備使用打印設備的某些元素并在打印過程中嵌入電子元件的組合。結果是一個完全靈活的網狀帶，可以覆蓋它設計的身體部位。
3D 打印可穿戴技術的未來
僅在過去幾年中，增材制造技術才足夠先進，可以超越原型階段。許多在不同領域工作的工程師團隊的進步使得 3D 打印機能夠用于逐層構建系統，從嵌入式電子設備（如這些可穿戴設備）到結構合理的3D 打印建筑。
盡管該技術面臨諸多挑戰，但材料科學的每一項新創新都擴大了設計人員可以在 3D 打印過程中嵌入到設備中的部件和功能的范圍。
憑借隨時可用且價格合理的組件和材料，這項技術有可能為廣大用戶找到方法，特別是如果它像工程師聲稱的那樣耐用且抗故障。看看 3D 打印世界如何不斷創新并尋找新方法來創造更好的設備將會很有趣。
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