密苏里大学的研究人员已经开发出一种方法，只需一台机器就可以制造出包含多种材料(包括塑料、金属和半导体)的复杂设备。

该研究最近发表在《自然通讯》上，概述了一种新颖的3D打印和激光工艺，用于制造多材料、多层传感器、电路板甚至带有电子元件的纺织品。

它被称为自由形态多材料组装工艺，有望彻底改变新产品的制造方式。

通过打印嵌入结构中的传感器，该机器可以制造出能够感知环境条件(包括温度和压力)的东西。对于其他研究人员来说，这可能意味着拥有一个看起来很自然的物体，例如可以测量海水运动的岩石或贝壳。对于公众来说，应用可能包括监测血压和其他生命体征的可穿戴设备。

“这是首次使用这种工艺，它开启了新的可能性，”密苏里大学机械工程博士生、这项研究的主要作者郑步景达(BujingdaZheng)说道。“我对这个设计很兴奋。我一直想做一些以前没有人做过的事情，而我现在在密苏里大学实现了这个梦想。”

其中一个主要好处是创新者可以专注于设计新产品，而不必担心如何制作原型。

密苏里大学机械与航空航天工程副教授Jian“Javen”Lin表示：“这为全新市场打​​开了可能性。它将对可穿戴传感器、可定制机器人、医疗设备等产生广泛影响。”

革命性技术

目前，制造多层结构(例如印刷电路板)可能是一个繁琐的过程，涉及多个步骤和材料。这些过程成本高昂、耗时长，并且会产生对环境有害的废物。

这项新技术不仅对地球更有利，而且还受到自然界系统的启发。

“自然界的一切都是由结构和功能材料组成的，”郑说。“例如，电鳗有骨骼和肌肉，使它们能够移动。它们还有特殊的细胞，可以释放高达500伏的电压来阻止捕食者。这些生物学观察启发了研究人员开发制造具有多功能应用的3D结构的新方法，但其他新兴方法也有局限性。”

具体而言，当谈到材料的多功能性以及如何将较小的组件精确地放置在较大的3D结构内时，其他技术就显得不足了。

密苏里大学团队的方法使用特殊技术来解决这些问题。团队成员制造了一台有三个不同喷嘴的机器：一个喷嘴添加类似墨水的材料，另一个喷嘴使用激光雕刻形状和材料，第三个喷嘴添加额外的功能材料以增强产品的功能。它首先用普通的3D打印丝(如聚碳酸酯，一种透明热塑性塑料)制作基本结构。然后，它切换到激光将一些部件转换成一种称为激光诱导石墨烯的特殊材料，并将其准确地放在需要的地方。最后，添加更多材料以增强最终产品的功能能力。

“I-Corps项目正在帮助我们确定市场兴趣和需求，”林说。“目前，我们认为其他研究人员也会对此感兴趣，但我们相信它最终将使企业受益。通过允许公司内部制作原型，它将缩短设备原型的制造时间。这项技术仅在密苏里大学可用，有望改变产品的制造和生产方式。”