用于便攜式機械呼吸機的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)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近日，西蒙弗雷澤大學(xué)3D打印實驗室的研究人員研究了一種折疊結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是開發(fā)一種低成本的便攜式呼吸機，其突破點就是3D打印的折紙管。為此目標(biāo)，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種可靠的采用機械可調(diào) 3D 折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計的主動安全氣囊及通風(fēng)控制系統(tǒng)。呼吸機中的呼吸機框架、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)，由熔融長絲制造 (FFF) 3D 打印機完成打印。該研究成果發(fā)表在《Flexible and Printed Electronics》期刊。 基于 3D 折紙結(jié)構(gòu)的主動安全氣囊展示了可靠和可重構(gòu)的特性。通過調(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，以提高作為主動安全氣囊的性能，其壓縮前后的體積比約為85%。

同時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量機構(gòu)的3D打印結(jié)構(gòu)傳感器允許準(zhǔn)確監(jiān)測呼吸機電路中壓力傳感器的測量氣壓。通過 3D 打印的可重構(gòu)折紙管可以實現(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)計的 Krisling 折紙模塊及其機械行為

圖2 使用 3D 折紙在軸向壓縮下的旋轉(zhuǎn)行為的架構(gòu)傳感器示意圖

圖3 機械呼吸機原型示意圖(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結(jié)構(gòu)，使用可重構(gòu)3D折紙安全氣囊的機械呼吸機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，如果有3D打印機和最少數(shù)量的電子元件就可以在任何地方制造呼吸機。因此，所展示的呼吸機相對不受約束，以適應(yīng)未來大流行的升級。

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.