看得见的心跳：3D打印微型流体心脏泵

看得见的心跳：DIY微型流体心脏泵

悄悄地它跳动着，正如它悄悄地开。微型心脏泵是我玩微量流体的副产品。如普通的泵那样完美运行，每分钟泵量只有几毫升，却是我朝小工具方向努力的第一步。因它的外观就是“跳动的心脏”，可以做成似是而非却很酷的心跳监视器，跳动的流体心脏吊坠。有其他改造想法的无任欢迎。

它和真实心脏的工作原理一样，两个收缩和舒张的心形舱室将液体推向单向阀，从而产生单一方向的液体流动，而非震荡的液体波动。（译者注：因为水泵在一个工作周期中，只有一个时期是将液体推出去的，其他时候液体就有可能回流。）“心跳效果”由一个回形水路产生，它是电路的另一部分，由在回路上装置的三个气压转换电路组成。整个电路仅由压缩空气或真空泵所驱动，在这片装置的小孔上连接一个额外的真空泵或压缩泵就能做到。在更高级的版本中（就是减少了所需空气量），一个小小的装有8克二氧化碳气体的盒子足以支撑气泵工作数十分钟。但是我还没有解决尽量减少所需空气量，所以现在你还是需要个额外小型真空泵来使它持续工作。目前我用两管60毫升注射器作为这便携式静音真空泵的“能源”。其中一管作为手动真空泵的活塞，而另一管则是真空室。要将它看成“手动充电空气电池”不无可以。

你需要这些零件来做这枚“微型泵芯片”：

数控机床。没有它而有一台3D打印机也许能行……但不确定，毕竟我没有关于3D打印的经验。无论如何，你打印出来的都是透明材料。

3-4毫米厚的树脂玻璃板。

1-2毫米厚PVC橡胶板。

一些尖锐的数控机床钻头，钻出精细的通道（0.2-0.3毫米宽）。我用了尖锐的刻痕工具，那本来是用在PCB板上刻出铜导线路径的。

透明铸模硅胶，例如RTV615或Sylgard184，用来制作硅胶薄膜。如果你能找到商用的0.2-1毫米厚透明硅胶薄板那就好，不过能否找到还是个问题。

说了这么多，来看看你需要的进一步制作细节吧：

第一步：解释材料和零件的用途

我们来说一下所需元件的用途吧：

1)首先你需要个真空泵或压缩空气作为“能源”。从制作简化和最低成本出发，用两管60毫升注射器以单向阀连在一起就能做到。加上丁字接头和软管，其中一管注射器就作为收缩活塞，而另一个就是真空室（不妨认为这是个“手动充电气动电池”）。上图就是制作原理图。

2)我的树脂玻璃板厚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（实际上是袖珍泵，字眼问题）将变得臃肿。别用聚苯乙烯，它太脆了。

3)一块透明PVC橡胶板，厚度在几个毫米之间。我发现的PVC橡胶是唯一能很好用数控机床加工的透明橡胶。硅胶太有弹性了，而且也容易撕裂。PVC橡胶比起天然橡胶更柔和。如果发现有其他合适材料，请告知。另一个选择PVC橡胶的原因是它的柔软性能使它很好贴合不平整的表面，而在压力下又不同意变形。这点很重要，因为它是用螺丝夹在两片树脂玻璃之间。

4)你可以选择买一块0.2-0.3毫米厚的透明硅胶板，或是直接用RTV615或Sylgard184自行铸造一个足够厚度的出来。太软的话不行，因为在“三明治”夹层中压缩变形太厉害了。一次性计生用品，就是套套啦，不好意思，也不行。我用水管胶、玻璃板、洗洁精和精度0.1克天平帮助制作硅胶薄膜和平板。

5)你需要一些小口径软管。（我用的是Cole Parmer Tygon Microbore Tubing，0.010英寸内径，0.030英寸外径，每卷100英尺。）

6）一些小容器（几毫升），你能用管子、小塑料盒、小型注射器、药水瓶甚至乐高积木来制作出来。

7)任何颜色的液体，用于测试泵的工作。我用食用染料，就算不慎撒出来了也容易清洗。

第二步：微型泵的零件描述

微型泵是由4颗2毫米螺丝将“5层三明治”结构固定成一堆完成。

1)顶层是由一块钻好的32x32x3.85毫米树脂玻璃板为基底，包含有液体管道、心形舱室、微型单向阀位置，以及像三极管形状带有辅助真空室的微型阀的薄膜舒张室。同时，它也带有锥孔，用来连接真空泵小口径管道或压缩空气源，及三个为真空泵或压缩空气准备的容器。

这里给出了CAD档案。你能把它们导入CAM软件，生成数控机床的加工路径。

树脂玻璃顶层面板(第一层，文档 “3Dfile1correct.dxf”)

PVC层(第三层，文档”3Dfile2.dxf”)

及树脂玻璃底板(第五层，文档”layer 5.dxf”)

同时还附上两个CAD文档，关于开洞垫板的。(“3Dfile3.dxf”, “3Dfile4.dxf”)

你需要在硅胶薄膜的合适位置打洞。我用打磨过的钉子和一根打磨的针尖作为打洞工具。你如果用不同口径的话，就在我提供的CAD文档上面做修改吧。

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

第四步：准备硅胶薄膜

1)铸造硅胶薄膜

首先我在一个玻璃小盘上弄了些洗洁精，然后用吹风机吹干。在水分蒸干后继续倒入洗洁精，直到形成很薄的一层肥皂，不注意看几乎看不到的程度。

我用水管胶做了堵“墙”，在其中铸造硅胶板，不怕液体跑来跑去。如果你用Silgard184硅胶进行操作的话，你需要将1份交联剂和10份基本组份混在一起。准备几份玻璃盘子很方便，你只需要几克硅胶来做一片薄膜。要想得到合适的厚度，只需测量铸造区域面积，乘以所需厚度，再乘以硅胶的密度就能知道铸造所需重量。将铸模放在精度0.1克的天平上，将硅胶倒至所需重量。一旦倒入后，静置硅胶最少30分钟，让所有气泡逸出。接着加热盘子到80-120摄氏度，保持至少2小时。完成处理后，硅胶不再会缩水。

2)打洞

在两块塑料板之间钻一个“开洞垫板”（参考第三步的CAD文档）。我用两片1.2毫米厚的CD作为开洞垫板的塑料基底，之前先用胶带纸把CD上面的金属部分去掉了。

选用合适开洞垫板网眼大小的钉子（略小于0.02-0.03毫米），用磨砂纸打磨一下它们。更小的洞眼（小于1毫米）我就用磨过的针尖代替钉子操作。

在一片开洞垫板上放上硅胶薄膜，将“校正钉”插入到开洞垫板外面的固定洞眼。将第二片开洞垫板放在硅胶薄膜上面，对准刚刚的校正钉和自己的固定洞眼。

将开洞用的钉子/针尖，隔着开洞垫板在硅胶薄膜上开洞。

3)铸造及在厚硅胶板上开洞（第三层）：

用同样的方法铸造完成硅胶薄膜，只需用多一点硅胶做出2-3毫米厚的平板就行。

用上面讲过的方法，以打磨过的钉子作为开洞工具，同时为第一层和第五层开洞。

第五步：组装微型泵

组装：

将这一堆设备组装起来需要一些技巧和注意要点。

1)将第一层树脂玻璃板抹掉灰尘。

2)用胶带纸清洁打好洞眼的硅胶薄膜上的灰尘，即用黏性部分在它上面粘脏灰。只要留心没有撕裂硅胶就行。将它放在之前做好的硅胶板上操作比较好，用同样的方法也能清理板上的灰尘。在你觉得清理好的时候，将顶层板（第一层）放在薄膜上，尝试用肉眼对齐薄膜和第一层相应的洞眼（见CAD文档），用张黑纸衬底就能容易看到相应洞眼在哪里。在讲薄膜放在树脂玻璃板之后，你也许需要调整它的位置。如果薄膜这时变脏了，用胶带纸清洁法在树脂玻璃板上再清洁一次，最后拎起边缘，重新调整薄膜位置，直到你满意校正和清洁程度为止。

3)抹干净第三层PVC橡胶（这次别用胶带纸，它会粘在PVC上，残留下痕迹）。将PVC层放入刚刚组装好的层中，对齐特征部位。在设计图中我没有添加任何对齐记号，但相信这种记号会使对齐操作变得容易。

4)抹干净第四层——硅胶板，将他放在前三层之前。（够简单的）

5)抹干净第五层（树脂玻璃底板），将它放在前四层之上。（也很简单）

6)最后插入四个2毫米固定螺丝，上紧螺母。

第六步：连接外部零件及测试泵

1)建立外部连接：

在测试微型泵之前，你需要将三个小型外部“气囊”连接起来，它们的作用是容纳气体。实际上，在树脂玻璃板（第一层）上的两个储存空间就相当于两个这样的容器大小，但我发现它们太小了，使用的容器应该有几个毫升的容积。最简单的方法就是使用三管5毫升注射器，而且好处是你因此能调节容积。别忘了用一些方法（例如瞬间胶合）将注射器活塞固定住。

你也许要问，这些容器是用来干什么的？

它们是用来调整微型泵的“心率”。大的储藏空间，即大的容器会使心率减慢。

我用了三个2.5毫升药水瓶作为额外储存空间，就如上图所示，它们连在了装置的特定洞眼上。（参考介绍内的图片与视频）

设置完后，我得到每秒1-2下跳动频率，你在这个教程的第一步内视频可以看到。我用小口径强力橡胶管（聚乙烯毛细管）把容器连在装置上，在锥孔中连得很紧。

而用小一点的储藏空间，例如只用第一层当中的两个，将获得几赫兹的频率，再小一点的容器甚至能做出几十赫兹的频率。（译者注：心房体积小，就需要将血液排得更快，于是就跳得更快。而玩坏的情况，就是“心脏病”了。）

要将泵启动，你需要连接真空泵能源至中央洞眼——那个环形管道中间那个（请看介绍部分的图片和视频）或上图中将压缩空气和没有连接的洞眼连起来。

2)测试：

我设计舒张心房的目的，是在非压力条件下增加真空泵的操作效率。在压缩空气之下，系统也能工作，但效率会很低。所以，最好以真空泵方式来测试泵。这也减少了漏气或液体泄漏的机会。

想看到更好的心跳效果，当然你需要在液体回路中加入墨水。应当用注射器从右上角的洞眼中注入染色水。接着泵就会将液体送往左边，使它从左上孔流出。泵动方向由“二极管”所限制，无法颠倒。你也需要在左上孔连接一条管，那么注入或泵出的液体将流入其中。在注入完成液体后，你应将液体注入口开端和液体收集管末端连接起来，这样一来液体就能在回路中循环泵动。（参考介绍中的视频）

现在一切就绪了！

开启真空泵，你会看到心跳！

（如果你用本教程第二步里面讲的DIY手动真空泵的方法，将60毫升注射器活塞推入，制造出的真空效果仅能维持几分钟。）

尝试各种尺寸的附加容器（或者放入注射器的活塞，如果你用3管注射器代替3个容器的话）以改变“脉搏频率”。在有些频率下，泵动效果比其他的好，这也取决于在液体回路中有多少气泡存在的缘故。液体回路中的气泡是有用的，要不然你就看不出液体是在运动中，但也不要太多。在回路中太多的空气将导致所有种类的泵的效率下降，包括大型尺寸的也是。

泵的速度大概几毫升每分钟，但我还没准确测量过。嗯，就这样吧！

via 作者：novelchip 译者：Kalimov