研究人员通过自充电医疗可穿戴设备推动 3D 打印趋势

随着材料科学和电子工程的进步，3D 打印正在进入开发定制的可穿戴电子系统的阶段，如亚利桑那大学。

就在十年前，增材制造只不过是一种非常昂贵的过程，用于为大型制造公司制作组件原型。 

现在，由于易于获得且价格低廉的电子产品，再加上分享他们在微控制器、编码和机器人技术方面的知识和经验的在线社区，3D 打印变得更加容易获得。这种可用性不仅适用于进入工程领域的新人，而且适用于否则无法负担此类技术的研究机构、大学和公司。 

显示医疗设备 3D 打印潜在增长的图表。图片由Share 教授提供

一个开始从 3D 打印中获益的领域是医疗行业。今天，本文将深入探讨将 3D 打印技术与电子系统相结合的医疗用途，以及工程师开发用于医疗领域的灵活 3D 打印可穿戴设备的两个近期研究项目。

3D 打印医疗可穿戴设备

尽管这项技术仍在开发中，但工程师们已经在一个 3D 打印结构中创建了 3D 印刷电路板，甚至是将不同类型的材料（导电和非导电）组合在一起的电子元件。 

与传统的 PCB 制造工艺不同，这种方法可以让电子设备打印成任何 3D 形状，包括外壳和内部组件。

这项技术最独特的应用之一是制造医疗领域使用的可穿戴设备。通过将电子设备 3D 打印成任何形状，工程师和医疗专业人员可以开发针对患者或用户身体和需求的个性化电子设备。 

目前，这些可穿戴设备还不能完全 3D 打印，因为 3D 打印电子元件等一些技术元素仍处于试验阶段，而且效率、稳健，而且最重要的是，还不如微电子产品那么小。 

一些公司，例如许多助听器供应商，已经在使用这项技术来开发针对用于嵌入现成电子设备的空白空间的患者专用外壳。相比之下，其他人则通过将其设备的整个外壳、电路和一些传感器作为一个单一对象打印出来，这一次只考虑了电子元件的空白空间，而不是预组装的电路。

希望保持在可穿戴设备中使用 3D 打印的势头和增长，特别是在医疗领域，因此来自哈佛的低成本解决方案。

过去的 3D 打印设备为未来趋势铺平了道路 

2017 年，哈佛大学工程与应用科学学院 ( SEAS ) 和Wyss 研究所的多学科团队在生物医学工程师和医学博士候选人Alexander D. Valentine 的带领下，开发了一种低成本的混合 3D 打印可穿戴设备，集成了软 3D 细丝（导电和不导电）将刚性电子元件整合到一个柔性设备中。

研究人员的原型。图片由情人节等人和哈佛大学提供

他们使用的材料被称为热塑性聚氨酯或简称TPU。TPU 的优势在于它是可弯曲的，并且还可以富含金属，在这种情况下是银片，使其具有导电性，可用于打印从设备电极到电容式传感器的任何东西。 

TPU 的柔性特性使哈佛团队能够使他们的电路和传感器变得灵活，同时还将其用作胶水以将其非柔性组件固定到位。 

据该团队称，他们的一个测试打印件由放置在 3D 打印银 TPU 电路上的 12 个 LED 组成，在不降低光强度和任何机械故障的情况下反复弯曲和拉伸。 

最近，哈佛团队通过在导电和非导电 TPU 之间交替打印特定结构，开发了两种可穿戴设备，一种具有应变传感器，一种具有压力传感器。这些传感器作为一种可穿戴设备完全 3D 打印，其中 LED、电阻器和微控制器是打印过程中唯一放置的非打印组件。

这些发展只是朝着使 3D 医疗可穿戴设备成为标准 PCB 制造更具成本效益的选择的正确方向迈出的一步。与 3D 打印可穿戴设备相关的研究领域的最新进展声称永远不需要充电。 

无需充电的 3D 打印可穿戴设备

在最新的研究成3D打印可穿戴技术是由本月初公布的美国亚利桑那大学队由教授带领电子和生物医学工程师菲利普Gutruf和教职研究员克雷格M.贝格。该团队开发了一种无线供电的“生物共生设备”，可以根据潜在用户的扫描进行定制 3D 打印，该设备使用 TPU 技术。

团队的生物共生装置示例。图片由 Gutruf 和亚利桑那大学提供

这种可穿戴设备声称重量轻且透气，因为它采用网状结构印刷，使用户可以轻松地将它穿在衣服下面而不会注意到它或被笨重的设备打扰。 

这个想法是允许为可穿戴设备定制打印身体的任何部位，在这些部位需要放置传感器来收集数据，而不会给用户带来不适。

该设备背后的团队通过将紧凑型能量存储和无线能量收集替换电池与能够在几米范围内为设备供电的电源发射器相结合，实现了 24/7 的“开启”时间。能量存储单元还可以在短时间内为设备供电，即使它超出了系统的范围。

亚利桑那大学研究人员设备框图。图片由Gutruf 等人提供

根据 Gutruf 的说法，该设备的设计目的是不与佩戴者互动。佩戴者只需将设备放在他们的身上，然后他们就不会在工作时注意到它。 

与哈佛 3D 打印可穿戴设备的技术类似，这些设备使用打印设备的某些元素并在打印过程中嵌入电子元件的组合。结果是一个完全灵活的网状带，可以覆盖它设计的身体部位。

3D 打印可穿戴技术的未来

仅在过去几年中，增材制造技术才足够先进，可以超越原型阶段。许多在不同领域工作的工程师团队的进步使得 3D 打印机能够用于逐层构建系统，从嵌入式电子设备（如这些可穿戴设备）到结构合理的3D 打印建筑。

尽管该技术面临诸多挑战，但材料科学的每一项新创新都扩大了设计人员可以在 3D 打印过程中嵌入到设备中的部件和功能的范围。 

凭借随时可用且价格合理的组件和材料，这项技术有可能为广大用户找到方法，特别是如果它像工程师声称的那样耐用且抗故障。看看 3D 打印世界如何不断创新并寻找新方法来创造更好的设备将会很有趣。 

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