便攜式打印機：創(chuàng)新折紙設(shè)備的制造新選擇

在當(dāng)今時代，受折紙啟發(fā)的三維（3D）設(shè)備正在開發(fā)中，這些設(shè)備由一張材料折疊而成。這些設(shè)備正在為醫(yī)療應(yīng)用（如支架或手術(shù)工具）、農(nóng)業(yè)設(shè)備（如土壤傳感器）以及用于航天技術(shù)的高效的航天器散熱器和太陽能陣列而開發(fā)。除了創(chuàng)新，關(guān)注可持續(xù)技術(shù)同樣重要，這種技術(shù)不僅能滿足人類需求，還能適應(yīng)環(huán)境變化。

對按需傳感器制造的需求正在不斷增長，這不需要復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。在資源有限的環(huán)境中（如農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、災(zāi)難現(xiàn)場和太空任務(wù)）部署傳感器的需求也在不斷增加。考慮到可持續(xù)性和減少電子廢物，研究人員正試圖專注于可持續(xù)設(shè)計的可一次性使用設(shè)備，這些設(shè)備能夠制造低成本、資源高效的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器。然而，目前可用的3D設(shè)備制造方法存在某些限制，包括便攜性，這使得它們在現(xiàn)場使用時顯得不夠?qū)嵱谩?/p>

現(xiàn)在，由日本芝浦工業(yè)大學(xué)的副教授重宗宏樹領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，以及來自芝浦工業(yè)大學(xué)的渡邊裕和松下篤博士，開發(fā)了一種新的便攜式多材料打印機，用于現(xiàn)場制造折紙設(shè)備，采用電潤濕介質(zhì)（EWOD）技術(shù)，這是一種數(shù)字微流體方法，能夠控制和操縱液滴在表面上的位置、形狀及其行為，而無需任何外部閥門或泵。這項研究發(fā)表在《ACS應(yīng)用材料與界面》期刊上。

“我們開發(fā)了一種掌中寶大小的便攜式緊湊型打印機，利用EWOD技術(shù)獨立控制和打印導(dǎo)電和絕緣液體。該系統(tǒng)僅使用電氣開/關(guān)信號，精確地將功能性墨水沉積到紙基材上，無需機械部件或外部泵，從而實現(xiàn)了折紙設(shè)備的現(xiàn)場制造，”重宗博士解釋道。

研究人員獨立且綜合考慮優(yōu)化了結(jié)構(gòu)墨水和電極墨水的打印條件。這種集成沒有影響功能性。他們用這種方法制造了折紙可拉伸應(yīng)變傳感器和呼吸傳感器。

特別值得一提的是，經(jīng)過1,000次變形循環(huán)后，仍然表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，而呼吸傳感器在重復(fù)的呼吸檢測中顯示出穩(wěn)定的信號響應(yīng)。在經(jīng)歷1,000次拉伸循環(huán)后，結(jié)合紙基材的靈活性和吸水性，這個系統(tǒng)的環(huán)境兼容性得到了很好的體現(xiàn)。

“我們提出的系統(tǒng)可以幫助生產(chǎn)具有定制形狀和功能的特定場所的傳感器和設(shè)備，適用于便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造的平臺，”重宗博士說。

這個系統(tǒng)非常簡單，只由紙張、墨水和一個小型控制設(shè)備組成，所以很容易運輸和存儲。這使得在離網(wǎng)環(huán)境中進行傳感器制造成為可能，滿足偏遠地區(qū)人們的需求，如災(zāi)難響應(yīng)場景或外星環(huán)境。在某些不利情況下，如果大型設(shè)備無法部署時，可以根據(jù)需要制造基本的傳感器和電子設(shè)備，在資源有限的情況下，能夠提供快速響應(yīng)能力。

這款打印機在多個實際應(yīng)用中具有很大的潛力。它可以用于現(xiàn)場制作傳感器集成的智能農(nóng)業(yè)包裝，以適應(yīng)收獲水果的大小或環(huán)境條件，從而實現(xiàn)質(zhì)量優(yōu)化。它可以用于開發(fā)可穿戴的定制健康設(shè)備，這些設(shè)備可以附加在口罩或衣服上，用于監(jiān)測呼吸或運動，以控制感染并關(guān)注老年人的健康。

“總的來說，我們的研究為開發(fā)低成本、易于部署和環(huán)保的傳感器奠定了基礎(chǔ)。所提出的新型制造模式有助于在智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)和個性化健康領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)和靈活的制造，”重宗博士總結(jié)說。