看得見的心跳：3D打印微型流體心臟泵

看得見的心跳：DIY微型流體心臟泵

悄悄地它跳動著，正如它悄悄地開。微型心臟泵是我玩微量流體的副產品。如普通的泵那樣完美運行，每分鐘泵量只有幾毫升，卻是我朝小工具方向努力的第一步。因它的外觀就是“跳動的心臟”，可以做成似是而非卻很酷的心跳監視器，跳動的流體心臟吊墜。有其他改造想法的無任歡迎。

它和真實心臟的工作原理一樣，兩個收縮和舒張的心形艙室將液體推向單向閥，從而產生單一方向的液體流動，而非震蕩的液體波動。（譯者注：因為水泵在一個工作周期中，只有一個時期是將液體推出去的，其他時候液體就有可能回流。）“心跳效果”由一個回形水路產生，它是電路的另一部分，由在回路上裝置的三個氣壓轉換電路組成。整個電路僅由壓縮空氣或真空泵所驅動，在這片裝置的小孔上連接一個額外的真空泵或壓縮泵就能做到。在更高級的版本中（就是減少了所需空氣量），一個小小的裝有8克二氧化碳氣體的盒子足以支撐氣泵工作數十分鐘。但是我還沒有解決盡量減少所需空氣量，所以現在你還是需要個額外小型真空泵來使它持續工作。目前我用兩管60毫升注射器作為這便攜式靜音真空泵的“能源”。其中一管作為手動真空泵的活塞，而另一管則是真空室。要將它看成“手動充電空氣電池”不無可以。

你需要這些零件來做這枚“微型泵芯片”：

數控機床。沒有它而有一臺3D打印機也許能行……但不確定，畢竟我沒有關于3D打印的經驗。無論如何，你打印出來的都是透明材料。

3-4毫米厚的樹脂玻璃板。

1-2毫米厚PVC橡膠板。

一些尖銳的數控機床鉆頭，鉆出精細的通道（0.2-0.3毫米寬）。我用了尖銳的刻痕工具，那本來是用在PCB板上刻出銅導線路徑的。

透明鑄模硅膠，例如RTV615或Sylgard184，用來制作硅膠薄膜。如果你能找到商用的0.2-1毫米厚透明硅膠薄板那就好，不過能否找到還是個問題。

說了這么多，來看看你需要的進一步制作細節吧：

第一步：解釋材料和零件的用途

我們來說一下所需元件的用途吧：

1)首先你需要個真空泵或壓縮空氣作為“能源”。從制作簡化和最低成本出發，用兩管60毫升注射器以單向閥連在一起就能做到。加上丁字接頭和軟管，其中一管注射器就作為收縮活塞，而另一個就是真空室（不妨認為這是個“手動充電氣動電池”）。上圖就是制作原理圖。

2)我的樹脂玻璃板厚3.85毫米，只要3毫米厚度以上都行，限制在5-6毫米以下吧，要不然你的微型泵（實際上是袖珍泵，字眼問題）將變得臃腫。別用聚苯乙烯，它太脆了。

3)一塊透明PVC橡膠板，厚度在幾個毫米之間。我發現的PVC橡膠是唯一能很好用數控機床加工的透明橡膠。硅膠太有彈性了，而且也容易撕裂。PVC橡膠比起天然橡膠更柔和。如果發現有其他合適材料，請告知。另一個選擇PVC橡膠的原因是它的柔軟性能使它很好貼合不平整的表面，而在壓力下又不同意變形。這點很重要，因為它是用螺絲夾在兩片樹脂玻璃之間。

4)你可以選擇買一塊0.2-0.3毫米厚的透明硅膠板，或是直接用RTV615或Sylgard184自行鑄造一個足夠厚度的出來。太軟的話不行，因為在“三明治”夾層中壓縮變形太厲害了。一次性計生用品，就是套套啦，不好意思，也不行。我用水管膠、玻璃板、洗潔精和精度0.1克天平幫助制作硅膠薄膜和平板。

5)你需要一些小口徑軟管。（我用的是Cole Parmer Tygon Microbore Tubing，0.010英寸內徑，0.030英寸外徑，每卷100英尺。）

6）一些小容器（幾毫升），你能用管子、小塑料盒、小型注射器、藥水瓶甚至樂高積木來制作出來。

7)任何顏色的液體，用于測試泵的工作。我用食用染料，就算不慎撒出來了也容易清洗。

第二步：微型泵的零件描述

微型泵是由4顆2毫米螺絲將“5層三明治”結構固定成一堆完成。

1)頂層是由一塊鉆好的32x32x3.85毫米樹脂玻璃板為基底，包含有液體管道、心形艙室、微型單向閥位置，以及像三極管形狀帶有輔助真空室的微型閥的薄膜舒張室。同時，它也帶有錐孔，用來連接真空泵小口徑管道或壓縮空氣源，及三個為真空泵或壓縮空氣準備的容器。

這里給出了CAD檔案。你能把它們導入CAM軟件，生成數控機床的加工路徑。

樹脂玻璃頂層面板(第一層，文檔 “3Dfile1correct.dxf”)

PVC層(第三層，文檔”3Dfile2.dxf”)

及樹脂玻璃底板(第五層，文檔”layer 5.dxf”)

同時還附上兩個CAD文檔，關于開洞墊板的。(“3Dfile3.dxf”, “3Dfile4.dxf”)

你需要在硅膠薄膜的合適位置打洞。我用打磨過的釘子和一根打磨的針尖作為打洞工具。你如果用不同口徑的話，就在我提供的CAD文檔上面做修改吧。

3Dfile1correct.dxf 993 KB
3Dfile2.dxf 517 KB
layer5.dxf 68 KB
3Dfile3.dxf 506 KB
3Dfile4.dxf 90 KB

第四步：準備硅膠薄膜

1)鑄造硅膠薄膜

首先我在一個玻璃小盤上弄了些洗潔精，然后用吹風機吹干。在水分蒸干后繼續倒入洗潔精，直到形成很薄的一層肥皂，不注意看幾乎看不到的程度。

我用水管膠做了堵“墻”，在其中鑄造硅膠板，不怕液體跑來跑去。如果你用Silgard184硅膠進行操作的話，你需要將1份交聯劑和10份基本組份混在一起。準備幾份玻璃盤子很方便，你只需要幾克硅膠來做一片薄膜。要想得到合適的厚度，只需測量鑄造區域面積，乘以所需厚度，再乘以硅膠的密度就能知道鑄造所需重量。將鑄模放在精度0.1克的天平上，將硅膠倒至所需重量。一旦倒入后，靜置硅膠最少30分鐘，讓所有氣泡逸出。接著加熱盤子到80-120攝氏度，保持至少2小時。完成處理后，硅膠不再會縮水。

2)打洞

在兩塊塑料板之間鉆一個“開洞墊板”（參考第三步的CAD文檔）。我用兩片1.2毫米厚的CD作為開洞墊板的塑料基底，之前先用膠帶紙把CD上面的金屬部分去掉了。

選用合適開洞墊板網眼大小的釘子（略小于0.02-0.03毫米），用磨砂紙打磨一下它們。更小的洞眼（小于1毫米）我就用磨過的針尖代替釘子操作。

在一片開洞墊板上放上硅膠薄膜，將“校正釘”插入到開洞墊板外面的固定洞眼。將第二片開洞墊板放在硅膠薄膜上面，對準剛剛的校正釘和自己的固定洞眼。

將開洞用的釘子/針尖，隔著開洞墊板在硅膠薄膜上開洞。

3)鑄造及在厚硅膠板上開洞（第三層）：

用同樣的方法鑄造完成硅膠薄膜，只需用多一點硅膠做出2-3毫米厚的平板就行。

用上面講過的方法，以打磨過的釘子作為開洞工具，同時為第一層和第五層開洞。

第五步：組裝微型泵

組裝：

將這一堆設備組裝起來需要一些技巧和注意要點。

1)將第一層樹脂玻璃板抹掉灰塵。

2)用膠帶紙清潔打好洞眼的硅膠薄膜上的灰塵，即用黏性部分在它上面粘臟灰。只要留心沒有撕裂硅膠就行。將它放在之前做好的硅膠板上操作比較好，用同樣的方法也能清理板上的灰塵。在你覺得清理好的時候，將頂層板（第一層）放在薄膜上，嘗試用肉眼對齊薄膜和第一層相應的洞眼（見CAD文檔），用張黑紙襯底就能容易看到相應洞眼在哪里。在講薄膜放在樹脂玻璃板之后，你也許需要調整它的位置。如果薄膜這時變臟了，用膠帶紙清潔法在樹脂玻璃板上再清潔一次，最后拎起邊緣，重新調整薄膜位置，直到你滿意校正和清潔程度為止。

3)抹干凈第三層PVC橡膠（這次別用膠帶紙，它會粘在PVC上，殘留下痕跡）。將PVC層放入剛剛組裝好的層中，對齊特征部位。在設計圖中我沒有添加任何對齊記號，但相信這種記號會使對齊操作變得容易。

4)抹干凈第四層——硅膠板，將他放在前三層之前。（夠簡單的）

5)抹干凈第五層（樹脂玻璃底板），將它放在前四層之上。（也很簡單）

6)最后插入四個2毫米固定螺絲，上緊螺母。

第六步：連接外部零件及測試泵

1)建立外部連接：

在測試微型泵之前，你需要將三個小型外部“氣囊”連接起來，它們的作用是容納氣體。實際上，在樹脂玻璃板（第一層）上的兩個儲存空間就相當于兩個這樣的容器大小，但我發現它們太小了，使用的容器應該有幾個毫升的容積。最簡單的方法就是使用三管5毫升注射器，而且好處是你因此能調節容積。別忘了用一些方法（例如瞬間膠合）將注射器活塞固定住。

你也許要問，這些容器是用來干什么的？

它們是用來調整微型泵的“心率”。大的儲藏空間，即大的容器會使心率減慢。

我用了三個2.5毫升藥水瓶作為額外儲存空間，就如上圖所示，它們連在了裝置的特定洞眼上。（參考介紹內的圖片與視頻）

設置完后，我得到每秒1-2下跳動頻率，你在這個教程的第一步內視頻可以看到。我用小口徑強力橡膠管（聚乙烯毛細管）把容器連在裝置上，在錐孔中連得很緊。

而用小一點的儲藏空間，例如只用第一層當中的兩個，將獲得幾赫茲的頻率，再小一點的容器甚至能做出幾十赫茲的頻率。（譯者注：心房體積小，就需要將血液排得更快，于是就跳得更快。而玩壞的情況，就是“心臟病”了。）

要將泵啟動，你需要連接真空泵能源至中央洞眼——那個環形管道中間那個（請看介紹部分的圖片和視頻）或上圖中將壓縮空氣和沒有連接的洞眼連起來。

2)測試：

我設計舒張心房的目的，是在非壓力條件下增加真空泵的操作效率。在壓縮空氣之下，系統也能工作，但效率會很低。所以，最好以真空泵方式來測試泵。這也減少了漏氣或液體泄漏的機會。

想看到更好的心跳效果，當然你需要在液體回路中加入墨水。應當用注射器從右上角的洞眼中注入染色水。接著泵就會將液體送往左邊，使它從左上孔流出。泵動方向由“二極管”所限制，無法顛倒。你也需要在左上孔連接一條管，那么注入或泵出的液體將流入其中。在注入完成液體后，你應將液體注入口開端和液體收集管末端連接起來，這樣一來液體就能在回路中循環泵動。（參考介紹中的視頻）

現在一切就緒了！

開啟真空泵，你會看到心跳！

（如果你用本教程第二步里面講的DIY手動真空泵的方法，將60毫升注射器活塞推入，制造出的真空效果僅能維持幾分鐘。）

嘗試各種尺寸的附加容器（或者放入注射器的活塞，如果你用3管注射器代替3個容器的話）以改變“脈搏頻率”。在有些頻率下，泵動效果比其他的好，這也取決于在液體回路中有多少氣泡存在的緣故。液體回路中的氣泡是有用的，要不然你就看不出液體是在運動中，但也不要太多。在回路中太多的空氣將導致所有種類的泵的效率下降，包括大型尺寸的也是。

泵的速度大概幾毫升每分鐘，但我還沒準確測量過。嗯，就這樣吧！

via 作者：novelchip 譯者：Kalimov