创新背景

3D打印具有快速打印高度复杂的自由形状的能力，可以在显示器、可穿戴电子产品、固态照明和生物医学等设备中提供完全定制的三维电子和光电器件。然而，打印不同的材料类别来制造电子设备本身仍然是一个复杂的制造挑战，因为打印每种材料需要不同的硬件和技术。

创新过程

麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法，使用标准的3D打印机生产出内置电子器件的功能设备。这种设备由包含多种相互连接材料的纤维制成，可以发光、感知周围环境、存储能量或执行其他动作。该项目获得了美国国家科学基金会、美国陆军研究实验室和美国陆军研究室的部分支持，相关成果发表于《自然通讯》杂志。

该系统利用传统的3D打印机，配备了一个特殊的喷嘴和一种新的灯丝，以取代通常的单材料聚合物灯丝。以往使用的单材料聚合物灯丝通常在从打印机的喷嘴挤出之前就已经完全融化了。本次研发的新灯丝具有复杂的内部结构，由不同的材料以精确的配置排列而成，外部被聚合物包层包围。

在新打印机中，喷嘴在较低的温度下运行，并以更快的速度将灯丝穿过传统打印机，因此只有它的外层部分熔化，内部保持凉爽和坚固，其嵌入式电子功能不受影响。通过这种方式，表面熔化到足以使其在打印过程中牢固地粘附在相邻的细丝上，从而产生坚固的3D结构。

灯丝内部组件包括充当导体的金属线、控制有源功能的半导体以及防止导线相互接触的聚合物绝缘体。

作为演示，该团队使用包含发光和探测电子器件的细丝打印了一个飞机模型的机翼。

与目前制造3D设备的其他方法相比，这种新方法不仅在速度上快了3倍，而且可以制作出更多形状。这种新工艺使整个纤维系列成为能够生产功能性三维设备的原材料，这些设备可以感知、交流、存储能量及其他功能。

这种方法有可能进一步发展以生产各种不同类型的设备，特别是在应用中，精确定制每个设备的能力是至关重要的。未来，也许可以用这种方法来打印假肢，不仅能够精确地匹配患者的肢体轮廓，而且可以在适当的位置嵌入电子设备来检测并控制肢体。
 

创新关键点

在这项工作中，研究团队建立了一种可快速、多尺度地打印各种设计的多材料丝状油墨，以创建复杂的三维分层功能系统，将微米尺度的设备分辨率与厘米尺度的物体大小连接起来。特别是，与目前的复合墨水18,19,20,21不同，目前复合墨水对组成材料的空间定位控制有限，研究人员展示了将不同可互换材料类别与可控界面结合在一起的结构化丝状材料，而其内部材料可以通过微结构形状形成不同的拓扑结构，从而实现不同的墨水功能。