用于便攜式機(jī)械呼吸機(jī)的3D 打印折紙傳感器

供稿人：梁拓，高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近日，西蒙弗雷澤大學(xué)3D打印實(shí)驗(yàn)室的研究人員研究了一種折疊結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種低成本的便攜式呼吸機(jī)，其突破點(diǎn)就是3D打印的折紙管。為此目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可靠的采用機(jī)械可調(diào) 3D 折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主動(dòng)安全氣囊及通風(fēng)控制系統(tǒng)。呼吸機(jī)中的呼吸機(jī)框架、3D 折紙管以及3D架構(gòu)傳感器的導(dǎo)電路徑均采用了3D打印技術(shù)，由熔融長(zhǎng)絲制造 (FFF) 3D 打印機(jī)完成打印。該研究成果發(fā)表在《Flexible and Printed Electronics》期刊。 基于 3D 折紙結(jié)構(gòu)的主動(dòng)安全氣囊展示了可靠和可重構(gòu)的特性。通過(guò)調(diào)整折紙結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元模式的角度參數(shù)，整個(gè)折紙結(jié)構(gòu)的風(fēng)量和剛度可以被定制，以提高作為主動(dòng)安全氣囊的性能，其壓縮前后的體積比約為85%。

同時(shí)3D 折紙管在壓縮力下的旋轉(zhuǎn)行為允許安全氣囊中的更多功能，例如結(jié)構(gòu)化壓力傳感。折紙式安全氣囊上帶有電位測(cè)量機(jī)構(gòu)的3D打印結(jié)構(gòu)傳感器允許準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)呼吸機(jī)電路中壓力傳感器的測(cè)量氣壓。通過(guò) 3D 打印的可重構(gòu)折紙管可以實(shí)現(xiàn)具有特定氣流速率的目標(biāo)風(fēng)量的準(zhǔn)確輸送。

圖1 設(shè)計(jì)的 Krisling 折紙模塊及其機(jī)械行為

圖2 使用 3D 折紙?jiān)谳S向壓縮下的旋轉(zhuǎn)行為的架構(gòu)傳感器示意圖

圖3 機(jī)械呼吸機(jī)原型示意圖(a)和呼吸回路接口(b)

最后，研究人員展示了組裝完成后的呼吸機(jī)結(jié)構(gòu)，使用可重構(gòu)3D折紙安全氣囊的機(jī)械呼吸機(jī)顯示出較高的可靠性。此外還展示了3D打印技術(shù)作為“Prosumer”概念的優(yōu)勢(shì)，如果有3D打印機(jī)和最少數(shù)量的電子元件就可以在任何地方制造呼吸機(jī)。因此，所展示的呼吸機(jī)相對(duì)不受約束，以適應(yīng)未來(lái)大流行的升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：
[1]TH Kim, X Min, D Baker, W Lee and WS Kim. 3D architectured air sensing tubes for a portable mechanical ventilator. Flexible and Printed Electronics.2021,9.