正如 40 多年前激光打印机为个人计算机用户提供了印刷机的优势一样，3D 打印机使个人能够将数字设计转化为物理对象。一些打印机的成本低于 1,000 美元，可用于创建一次性物品或小批量生产的物品。
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3D 打印物体有一个主要限制;让他们变得“聪明”并不容易。添加数字处理器和其他组件仍然是一个挑战，添加导电迹线也是一项挑战，例如，当有人触摸物体时进行检测。对于普通的业余爱好者甚至大学实验室来说尤其如此——存在使用柔性银油墨和半导体材料的印刷电子技术，但这些材料和机械对于这些群体来说是遥不可及的。
英国布里斯托大学（University of Bristol）的博士生奥利弗·柴尔德（Oliver Child）一直在研究这个问题。在半导体业务工作了一段时间后，他找到了一种方法，将他的数字电子经验与他对 3D 打印的热爱相结合。他创建了一个流程，允许某人将物理微控制器（例如 Arduino）嵌入 3D 打印对象中。他将结果称为“printegrated circuits”。
IEEE Spectrum 与 Child 进行了交谈，以了解更多关于他的工作以及他对这项技术未来的希望。
Oliver Child 评论：
他作为业余爱好者的背景
“printegrated circuits”填补的利基市场
试验不同的导电丝
他对未来发展的愿望清单
开源的重要性
我浏览了您的网站，看起来您似乎是从 3D 打印方面进入的;这样说公平吗？
奥利弗·柴尔德：我参加了计算机科学本科课程，然后进入了电子行业，但我一直有点业余爱好者。
我进入半导体行业时，在一家初创公司工作，大约有 300 名员工。我们仍然无法保持竞争力，因为与市场上已有的成熟产品相比，迭代成本太高了。每次你想制作新芯片时，你都必须付费获得软件许可，然后流片费也要花费数百万美元。
我一直保持着这种自给自足的态度，希望能够自己做所有事情。3D 打印让我能够使用价格实惠的工具，而且精度非常高，触手可及。
显然，这与制造半导体完全不同，但我可以想象有一天我们可以打印各种奇怪的电子产品，这样我们就可以更快地尝试新事物，而不必成为如此大型结构的一部分。
当我查看你们的“printegrated circuits”项目时，我的收获是，这是一个以小批量方式为对象带来智能的机会。是这样吗？
奥利弗·柴尔德： 显然，这项技术存在许多限制，尤其是塑料的电阻以及您可以从现成的 3D 打印机和材料中获得的物理分辨率。
它从您花了很长时间精心制作的 Arduino 项目开始，到处都是电线。然后你想制作一个演示单元，你可以向很多人展示，也许还可以给想要学习它们的参与者一些。它需要低成本，并且实际上必须有效。因此，该解决方案介于单个 Arduino 项目和大批量生产之间。
在这个中间发生了一些非常令人兴奋的事情。例如，小批量获得定制 PCB [印刷电路板] 现在既简单又经济。
我的首选示例是 TuneShroom，它是一个蘑菇形的 MIDI 控制器。它使用底部的 USB-C 连接器连接，顶部的这些黑色位是触摸板。导电走线位于焊盘和嵌入 3D 打印底座中的微控制器之间。这些项目中使用的 PCB 具有通孔，用于将元件引脚和铜线焊接到其中。借助集成电子元件，3D 打印过程会在某个点暂停，以便将 PCB 放置在物体的空腔中。然后，我们使用自定义代码，指示 3D 打印机将导电 PLA [聚乳酸] 细丝注入通孔中。
TuneShroom 是具有“集成电路”的 3D 打印物体的一个例子——黑点用作触摸板，连接到嵌入蘑菇底部的微控制器。原图：奥利弗·柴尔德
Printegrated Circuits 的导电丝挑战
让导电丝材料工作困难吗？
奥利弗·柴尔德： 可以肯定的是，我们有一个学习曲线。起初，我们尝试将 PCB 引脚推入塑料中。事实证明，连接并不可靠，因为塑料的任何变形都会导致不可靠的连接。如果你移除组件并将其推回去，连接会更糟。
然后我看到一台 3D 打印机使用两种不同类型的细丝材料，我想知道为什么我们不能做这样的事情。我发现你可以得到注入炭黑的 Protopasta Black PLA 细丝。它有足够的碳使材料导电。有趣的是，这种材料是各向异性的，因此在一个方向上打印时，它的电阻与在另一个方向上打印时的电阻不同。
使用双打印头打印机，我们可以在标准线和导电线之间来回切换。事实证明，单头打印机是行不通的，因为打印时需要纯材料，而更换耗材之间的大量清洗不足以完全清除打印头。
即使有两个头，也需要进行大量实验才能使注塑打印可靠地工作，并最大限度地减少 PCB 和打印走线之间的接触电阻。我们努力获得适量的材料、时间、注射速度以及之后必须缩回的材料量，以免在喷嘴出现时将材料拉出。这需要大量的测试。
您是否探索过使用任何其他材料？
奥利弗·柴尔德： 我们尝试了 TPU [热塑性聚氨酯] 长丝，它比 PLA 更有弹性，也可以注入碳。这真的很酷，因为你可以用它来制作压感设备。你可以创建一个晶格，当你挤压它时，更多的物质会与自身接触，从而改变电阻。
我们还尝试了 Electrifi 3D 的铜注入细丝，但它的成本大约是注入碳材料的 20 倍。虽然它的电阻比碳材料低得多，但电阻仍然比纯铜线高得多，因此它对为任何东西供电都没有用。我希望对它进行更多实验，但目前使用它的成本太高了。
您提到了 Arduino 处理器。这些当然受到业余爱好者和实验者的欢迎，但对于某些应用（例如可穿戴设备）来说，它们是不是有点大？
奥利弗·柴尔德：我一直在使用 Seeed Studio 的 XIAO 系列微控制器。这些与 Arduino 兼容，但尺寸仅为 21 x 18 毫米左右。它们有多种设计，用于不同的目的，它们与我们的材料注射工艺配合使用，以连接其 PCB 上的通孔。
我们在打印机上使用现成的 0.4 毫米喷嘴。这些器件的 2.54 mm 孔距工作正常。您可以为打印机获得更小的 0.2 毫米喷嘴，但此时更小、引脚密度更高会让事情变得有点紧张。
您的愿望清单上有什么？如果你可以挥舞一根魔杖，你希望如何推动这个过程向前发展？
奥利弗·柴尔德：我希望有一种低成本的灯丝，具有与铜线相同的导电性。那可以解决很多问题。
我的下一个愿望是找到一种在单个印刷产品中使用多个电路板或组件的方法。我们正在努力改造标准 3D 打印机，使其可以拾取和放置 PCB 等固体组件，这样我们就不必中断打印过程来手动放置它们。
此外，我希望设计在不同的 3D 打印机之间更容易传输。现在，许多打印机的内部设置被锁定，用户无法调整它们。我希望能够发布设计，并让人们能够在世界任何地方自行打印出来。
看来您是开源的粉丝。
奥利弗·柴尔德：我是开源的大力支持者。目前，太多的交互式设备太复杂而无法构建，因此很难在其他地方制作相同的物理设备。不值得创建者花费时间和精力来记录整个过程，因为其他人能够复制构建的机会不大。
我认为我们将看到更多的人发现分享他们的设计更容易。如果我们可以将我们的工作抽象成数字形式，那将更容易共享和修改（如果您愿意）。
我们目前正在进行一项大型用户研究，让很多人打印他们自己的某个设计单元。我们正在与手艺人社区合作，看看我们是否可以共享设计并让其他人在自己的打印机上制作。随着时间的推移，我希望人们开始将功能性材料纳入他们的开源设计中，这样世界上任何地方的任何人都可以打印这些交互式设备，甚至可以根据自己的特定需求对其进行修改。
