隨著材料科學(xué)和電子工程的進步，3D 打印正在進入開發(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(xiàn)在，由于易于獲得且價格低廉的電子產(chǎn)品，再加上分享他們在微控制器、編碼和機器人技術(shù)方面的知識和經(jīng)驗的在線社區(qū)，3D 打印變得更加容易獲得。這種可用性不僅適用于進入工程領(lǐng)域的新人，而且適用于否則無法負擔(dān)此類技術(shù)的研究機構(gòu)、大學(xué)和公司。 

顯示醫(yī)療設(shè)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(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)備的兩個近期研究項目。

3D 打印醫(yī)療可穿戴設(shè)備

盡管這項技術(shù)仍在開發(fā)中，但工程師們已經(jīng)在一個 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。

這項技術(shù)最獨特的應(yīng)用之一是制造醫(yī)療領(lǐng)域使用的可穿戴設(shè)備。通過將電子設(shè)備 3D 打印成任何形狀，工程師和醫(yī)療專業(yè)人員可以開發(fā)針對患者或用戶身體和需求的個性化電子設(shè)備。 

目前，這些可穿戴設(shè)備還不能完全 3D 打印，因為 3D 打印電子元件等一些技術(shù)元素仍處于試驗階段，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，例如許多助聽器供應(yīng)商，已經(jīng)在使用這項技術(shù)來開發(fā)針對用于嵌入現(xiàn)成電子設(shè)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(shè)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(yù)組裝的電路。

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

過去的 3D 打印設(shè)備為未來趨勢鋪平了道路 

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)科團隊在生物醫(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 細絲（導(dǎo)電和不導(dǎo)電）將剛性電子元件整合到一個柔性設(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為熱塑性聚氨酯或簡稱TPU。TPU 的優(yōu)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(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(jù)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(fù)彎曲和拉伸。 

最近，哈佛團隊通過在導(dǎo)電和非導(dǎo)電 TPU 之間交替打印特定結(jié)構(gòu)，開發(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)域的最新進展聲稱永遠不需要充電。 

無需充電的 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亞利桑那大學(xué)隊由教授帶領(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。該團隊開發(fā)了一種無線供電的“生物共生設(shè)備”，可以根據(jù)潛在用戶的掃描進行定制 3D 打印，該設(shè)備使用 TPU 技術(shù)。

團隊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)備聲稱重量輕且透氣，因為它采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(shè)備打擾。 

這個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收集數(shù)據(jù)，而不會給用戶帶來不適。

該設(shè)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(nèi)為設(shè)備供電的電源發(fā)射器相結(jié)合，實現(xiàn)了 24/7 的“開啟”時間。能量存儲單元還可以在短時間內(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 的說法，該設(shè)備的設(shè)計目的是不與佩戴者互動。佩戴者只需將設(shè)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(shè)備的技術(shù)類似，這些設(shè)備使用打印設(shè)備的某些元素并在打印過程中嵌入電子元件的組合。結(jié)果是一個完全靈活的網(wǎng)狀帶，可以覆蓋它設(shè)計的身體部位。

3D 打印可穿戴技術(shù)的未來

僅在過去幾年中，增材制造技術(shù)才足夠先進，可以超越原型階段。許多在不同領(lǐng)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(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)的每一項新創(chuàng)新都擴大了設(shè)計人員可以在 3D 打印過程中嵌入到設(shè)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(shù)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(chuàng)新并尋找新方法來創(chuàng)造更好的設(shè)備將會很有趣。