麻省理工学院研究人员开发的一种新方法，使用标准3D打印机即可制造出内部已嵌入电子元件、可正常工作的设备。这些设备由含有多种相互连接材料的纤维制成，能够发光、感知周围环境、储存能量或执行其他操作。
这种新的3D打印方法发表于期刊《Nature Communication》，论文作者包括麻省理工学院博士生Gabriel Loke、教授John Joannopoulos和Yoel Fink，以及麻省理工学院内外的另外四位研究人员。
该系统使用配备特殊喷嘴的传统3D打印机，并采用一种新型长丝来取代常用的单一材料聚合物长丝。后者通常在从打印机喷嘴挤出之前被完全熔化。研究人员的新型长丝具有复杂的内部结构，由按精确配置排列的不同材料组成，外层包覆有聚合物包层。
在新型打印机中，喷嘴以较低温度运行，并且比传统打印机更快地牵引长丝，使其仅外层部分熔化。内部保持冷却和固态，其中嵌入的电子功能不受影响。通过这种方式，表面仅被熔化到足以在打印过程中与相邻长丝牢固黏合的程度，从而制造出坚固的3D结构。
长丝内部组件包括用作导体的金属导线、可用于控制主动功能的半导体，以及防止导线相互接触的聚合物绝缘体。作为演示，研究团队使用同时包含发光和光探测电子元件的长丝打印了一架模型飞机的机翼。这些组件有可能用于揭示可能出现的任何微观裂纹的形成。
虽然模型机翼所用的长丝包含八种不同材料，但Loke表示，原则上它们可以包含更多材料。他说，在此项工作之前，“能够在单一平台上沉积金属、半导体和聚合物的打印机仍然不存在，因为打印每种材料都需要不同的硬件和技术。”
Loke表示，该方法比目前任何其他制造3D设备的方法快达三倍，并且与所有3D打印机一样，在可制造的形状方面比典型制造方法提供更大的灵活性。他说：“这种方法是3D打印所独有的，能够构建任意自由形状的设备，这是迄今为止任何其他方法都无法实现的。”
该方法利用热拉伸纤维，这些纤维内部嵌入了多种不同材料，Fink及其合作者二十年来一直在不断完善这一工艺。他们已制造出一系列内部具有电子元件的纤维，使这些纤维能够执行多种功能。例如，在通信应用中，闪烁的灯光可以传输数据，随后由含有光传感器的其他纤维接收。这种方法首次制造出具备这些内置功能的纤维及由其编织而成的织物。
如今，这一新工艺使整个纤维家族都可作为原材料，用于制造能够感知、通信或储存能量等功能的3D功能性设备。
制造纤维本身时，首先将不同材料组装成较大尺寸的版本，称为预制棒，然后在熔炉中加热并拉伸，以生产出非常细的纤维，该纤维包含所有这些材料，且材料之间的相对位置保持完全不变，只是尺寸大大缩小。
该方法有望进一步发展，用于制造多种不同类型的设备，尤其适用于必须精确定制每个设备的应用领域。其中一个领域是生物医学设备，在这一领域，使设备与患者自身身体相匹配可能十分重要。Fink表示，他同时担任材料科学教授、电气工程与计算机科学教授，以及非营利组织美国先进功能织物研究所（AFFOA）的首席执行官，并担任电子研究实验室副主任。
例如，未来或许可以使用这种方法打印假肢，不仅能精确匹配患者肢体的尺寸和轮廓，还能将用于监测和控制肢体的全部电子元件嵌入其中。
多年来，该团队开发了一系列含有不同材料和功能的纤维。Loke表示，几乎所有这些纤维都可以适配于这项新的3D打印技术，从而能够打印出由多种材料和功能组合而成的物体。该设备使用一种标准类型的3D打印机，即熔融沉积建模（FDM）打印机，这类打印机已在许多实验室、办公室甚至家庭中普遍使用。
未来可能实现的一项应用，是打印生物医学植入物的材料，这些材料可为新细胞的生长提供支架，以替代受损器官，并在其中集成传感器以监测这一生长过程。
这一新方法也可用于设备原型制作。原型制作已是3D打印的一项主要应用，但在此情形下，原型将具备实际功能，而不仅是静态模型。
研究团队成员包括麻省理工学院研究生Rodger Yuan；麻省理工学院前研究生Michael Rein，现任职于AFFOA；博士后Tural Khudiyev；以及纽约州石溪大学本科生Yash Jain。该研究得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究实验室以及美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所提供的部分支持。
