有源电子元件——可以控制电信号的元件——通常包含接收、存储和处理信息的半导体器件。这些部件必须在洁净室中制造，需要先进的制造技术，而这些技术在少数专业制造中心之外是无法广泛获得的。

在2019冠状病毒病大流行期间，普遍缺乏半导体制造设施是全球电子产品短缺的一个原因，这推高了消费者的成本，并对从经济增长到国防的各个方面产生了影响。3D打印整个有源电子设备而不需要半导体的能力可以将电子制造带到全球的企业、实验室和家庭。

虽然这个想法还很遥远，但麻省理工学院的研究人员已经朝着这个方向迈出了重要的一步，他们展示了完全3d打印的可复位保险丝，这是通常需要半导体的有源电子设备的关键部件。

研究人员使用标准的3D打印硬件和廉价的可生物降解材料生产的无半导体器件，可以执行与用于有源电子设备处理操作的半导体晶体管相同的开关功能。

虽然还远没有达到半导体晶体管的性能，但3d打印设备可以用于基本的控制操作，比如调节电动机的速度。

“这项技术真的很有前途。虽然我们无法与硅半导体竞争，但我们的想法并不一定要取代现有的，而是将3D打印技术推向未知的领域。简而言之，这真的是关于技术民主化。这可以让任何人在远离传统制造中心的地方创造智能硬件，”麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家路易斯·费尔南多Velásquez-García说，他是一篇描述这些设备的论文的资深作者，该论文发表在《虚拟与物理原型》杂志上。

与他一起撰写论文的还有第一作者Jorge Cañada，他是一名电子工程和计算机科学研究生。

一个意想不到的项目

包括硅在内的半导体是一种具有电性能的材料，可以通过添加某些杂质来定制。硅器件可以有导电区和绝缘区，这取决于它是如何设计的。这些特性使硅成为制造晶体管的理想材料，而晶体管是现代电子产品的基本组成部分。

然而，研究人员并没有着手3d打印无半导体器件，可以像硅基晶体管一样工作。

这个项目源于另一个项目，他们使用挤压打印技术制造磁性线圈，这是一种打印机熔化长丝并通过喷嘴喷射材料的过程，一层一层地制造物体。

他们在他们使用的材料中发现了一个有趣的现象，一种掺杂了铜纳米粒子的聚合物长丝。

如果他们向材料中注入大量电流，材料的电阻就会出现一个巨大的峰值，但在电流停止后不久又会恢复到原来的水平。

这种特性使工程师们能够制造出可以作为开关的晶体管，而这通常只与硅和其他半导体有关。晶体管，通过开关来处理二进制数据，被用来形成逻辑门来执行计算。

“我们看到这可以帮助将3D打印硬件提升到一个新的水平。它提供了一种明确的方式来为电子设备提供某种程度的‘智能’，”Velásquez-García说。

研究人员试图用其他3D打印细丝复制同样的现象，测试掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物。最后，他们找不到另一种可以作为可复位保险丝的可打印材料。

他们假设，当材料被电流加热时，材料中的铜颗粒会散开，这会导致电阻的峰值，当材料冷却时，电阻又会下降，铜颗粒也会靠近。他们还认为，材料的聚合物基底在加热时从结晶变为无定形，然后在冷却时又变为结晶——这种现象被称为聚合物正温度系数。

“就目前而言，这是我们最好的解释，但这不是完整的答案，因为它无法解释为什么它只发生在这种材料组合中。我们需要做更多的研究，但毫无疑问，这种现象是真实的，”他说。

3d打印有源电子设备

该团队利用这一现象，一步就能打印出可用于形成无半导体逻辑门的开关。

该设备由薄的3d打印的铜掺杂聚合物制成。它们包含交叉的导电区域，使研究人员能够通过控制输入开关的电压来调节电阻。

虽然这种器件的性能不如硅基晶体管，但它们可以用于更简单的控制和处理功能，比如打开和关闭电机。他们的实验表明，即使经过4000次循环切换，这些设备也没有出现退化的迹象。

但是，基于挤压印刷的物理特性和材料的特性，研究人员可以制造出多么小的开关是有限的。他们可以打印几百微米的器件，但在最先进的电子设备中，晶体管的直径只有几纳米。

“现实情况是，有许多工程情况并不需要最好的芯片。在一天结束的时候，你所关心的只是你的设备是否能完成任务。这项技术能够满足这样的限制，”他说。

然而，与半导体制造不同的是，他们的技术使用了一种可生物降解的材料，这一过程消耗的能量更少，产生的废物也更少。聚合物长丝也可以掺杂其他材料，如磁性微粒，可以实现额外的功能。

在未来，研究人员希望使用这项技术来打印功能齐全的电子产品。他们正在努力制造一个工作磁电机只使用挤压3D打印。他们还想调整这个过程，这样他们就可以构建更复杂的电路，看看他们能把这些设备的性能提高到什么程度。

“这篇论文证明了有源电子器件可以用挤压聚合物导电材料制成。这项技术使电子产品能够被内置到3D打印结构中。一个有趣的应用是在航天器上按需3D打印机电一体化，”斯坦福大学威廉·e·阿耶工程荣誉教授罗杰·豪（Roger Howe）说，他没有参与这项工作。

这项工作部分由Empiriko公司资助。