未來3-D列印技術可在身體上列印的小器具

作者：Marcus Woo

發表於：2017年5月5日

來源：AIP InsideScience

直接列印在手上的壓力感測器是朝著新的生物醫療設備邁進的一步，包括「飛行中的」可穿戴技術等等。

Image credits:Shuang-Zhuang Guo, "3D Printed Stretchable Tactile Sensors," Advanced Materials. 2017. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.

可穿戴技術可能很快就會出現在你的指尖。研究人員開發了一種壓力感測器，可以直接在手上進行3-D列印，該設備由可吻合指尖曲線的有彈性的柔軟硅膠製成，其靈敏度足以感受到脈搏的跳動。

明尼蘇達州明尼蘇達大學的材料科學家Michael McAlpine說，這是邁向人類與機器更加無縫連接的一步。他的團隊尚未在真正的人手上列印該設備，僅在一個人造手上列印過。「但是，」他說，「它為未來直接在人體3-D列印電子設備奠定了基礎。」

未來某一天，可能意味著科學技術可以令科幻小說中的半機器人和仿生人類成為現實。近期來講，3-D列印技術在身體上列印的小器具可以為醫療、健康監測和手術提供幫助。

McAlpine表示，今天在Advanced Materials雜誌上詳細闡述了這種列印小器具的3-D列印技術，該技術無需使用製造大多數設備所需要的潔凈室和複雜器械。隨著3-D印表機變得越來越便宜，越來越小巧，甚至可能成為未來的「瑞士軍刀」。

他說：「你可以在外出時，使用你背包里的東西直接在身體上列印電子產品。」「只使用原材料，你就基本上可以製造出任何類型的設備--這完全是一種前無古人的模式轉變。」

例如，無需等待空投供給，戰場上的士兵可以自行列印一個化學感測器來檢測爆炸物，抑或列印一個醫療工具救助受傷的同伴。將裝置直接列印在身體上比隨身攜帶多種設備更加方便。

傳統的3-D列印技術使用液體塑料—其具有熱塑性，冷卻後定型。近年來，研究人員還研究了使用其他種類的「墨水」用3-D列印技術列印從電池到生物組織的任何東西。

McAlpine表示，新型觸覺感測器的獨特之處在於它將室溫下柔軟可拉伸的硅化墨水和人造手的複雜曲面上的列印能力相結合。

首先，掃描儀為印表機繪製出手的輪廓。然後，在僅僅幾分鐘內，多個噴嘴擠出不同的凝膠狀硅膠墨水構建該裝置，該裝置主要由夾在4毫米寬的兩個平板層之間的線圈構成。等待過夜後，感測器就可以工作了。

3-D印表機在人造手上製作壓力感測器。該設備的核心由夾在兩個平板電極之間的線圈組成。在「皮膚」和電極之間還有一層純硅，以及在其構建時有助於支撐頂層的犧牲層。該設備使成像速度提高了5倍。

頂部和底部的兩層是由硅膠製成的電極，這種硅膠內包含許多微小的銀粒子可使電流流動。然而，線圈幾乎不含銀粒子。只有當你壓縮線圈時，將這些銀粒子擠壓在一起，才能導電。通過測定電流，該設備就可以測量出你施與線圈的壓力。

雖然感測器本身相對簡單，主要用於3-D列印技術的演示，但研究人員發現，它足以感受到真正人類的脈搏。

但是，一個更尖端的版本可以在外科手術工具的末端進行列印，給外科醫生在手術過程中一種虛擬的觸感，McAlpine說道。這一系統對腹腔鏡手術是很有幫助的，例如，一種微創手術，外科醫生通過身體上的小切口進行手術，僅由插入到患者體內的攝像機輔助操作。

在更遠的未來，觸覺感測器可能會令給你一種更真實的觸感。一個燒傷患者說，將該設備安裝在神經反饋系統上，你也會感到一種燒傷的感覺。或者，給機器人安裝感測器，賦予其感覺的能力。

費城賓夕法尼亞大學機械工程師James Pikul表示，除了人機融合和仿生能力外，簡單的在曲面上進行的3-D列印也是重要技術。「與人相關的東西很酷，」他說。「但是我認為在曲面上--甚至是移動曲面上列印功能性部件的能力可以讓人將3-D列印技術與世界上其他豐富的科學技術相結合。」

例如，要為已存在的或大規模生產的對象（如無人機）定製或添加功能性部件，你即可3-D列印任何所需的小器具。

研究人員目前正在研究一種在移動表面上進行3-D列印的方法，就像在真正的人手自然顫抖的條件下進行3-D列印。最終，他們希望應用該技術3-D列印集成設備，例如多種類型的感測器和電源。McAlpine說，列印類似觸覺感測器這樣的單獨設備僅僅是一個開始。

https://www.insidescience.org/news/3-d-printing-way-bionic-humans

文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄 張錚錚供稿

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