導(dǎo)體墨水誕生后，普通噴墨打印機(jī)也能在幾分鐘時間內(nèi)完成柔性電路板的制作，讓柔性可穿戴設(shè)備的研發(fā)速度和成本成倍改善。

   在這個幾乎家家都有平板電腦的時代，買一臺噴墨打印機(jī)有什么用？打印工作文件、幫孩子準(zhǔn)備資料、偶爾打兩張照片，最終可能只是放著落灰。或者，按照幾位大學(xué)研究人員的想法，它也可以成為個性化生產(chǎn)的重要組成部分。

　　來自佐治亞理工學(xué)院、東京大學(xué)和微軟(37.4, 0.32, 0.86%)研究院的多位研究人員最近找到了一種快速開發(fā)電子設(shè)備的技術(shù)，能夠直接通過家用噴墨打印機(jī)制作電路板。

　　搭配低價3D打印機(jī)和激光切割技術(shù)所制作的外殼，這種技術(shù)有望進(jìn)一步降低硬件創(chuàng)業(yè)的研發(fā)門檻，幫助創(chuàng)業(yè)者快速實踐想法、改進(jìn)設(shè)計，最終帶來創(chuàng)新的智能玩具或者可穿戴設(shè)備。

　　隨便拆開一臺電腦或者手機(jī)，你都會看見一塊或者多塊PCB電路板。PCB電路板一般是綠色，但也常被處理成紅、藍(lán)、黑或者設(shè)計師想要的任何其它顏色。 不論處理器的供電，還是各組件之間的信號傳輸，都通過這些小板子上印著的金屬線完成。它們往往在巨大的車間里由專業(yè)的設(shè)備批量生產(chǎn)完成。

　　大規(guī)模生產(chǎn)開始前，開發(fā)者需要先制作幾塊電路板來測試設(shè)計，然后根據(jù)測試結(jié)果修改設(shè)計。這個過程被稱為打樣或者原型制造。

　　大學(xué)實驗課和產(chǎn)品研發(fā)最初階段常用面包板打樣。用戶在一塊密布接口的白板上插入電線、傳感器、電阻等元件，模擬最終電子產(chǎn)品的表現(xiàn)。在面包板上改動設(shè)計非常方便，但它的體積巨大，而且可靠性和性能也和成品不符，開發(fā)者遲早還是得在PCB印刷電路板上打樣。

　　為了幫助創(chuàng)業(yè)者和研究人員快速生產(chǎn)電路板，有公司提供了在線提交設(shè)計，生產(chǎn)完成后快遞給用戶的服務(wù)。但這樣的生產(chǎn)模式至少需要一天以上才可能拿到電路板，嚴(yán)重拖慢了產(chǎn)品的研發(fā)速度，改兩次設(shè)計就需要一周時間。

　　隨著3D打印機(jī)和激光切割機(jī)成本的下降，硬件創(chuàng)業(yè)者已經(jīng)能夠在一天時間內(nèi)嘗試多種不同的外殼設(shè)計。PCB電路板漫長的加工周期已經(jīng)成為創(chuàng)業(yè)型硬件產(chǎn)品設(shè)計之初的一個短板。

　　“我們認(rèn)為應(yīng)該帶來一種快速打樣、定制PCB板的方法，”佐治亞理工學(xué)院交互計算機(jī)學(xué)院教授格雷戈里·阿寶德(Gregory Abowd)認(rèn)為這種技術(shù)應(yīng)該更快更便宜，“便宜到任何想要實踐的人都能負(fù)擔(dān)的地步。”

　　材料科學(xué)方面的最新突破讓阿寶德的想法成為可能。三菱研究人員武宣芳樹發(fā)明了一種不需要高溫處理，干燥后經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生導(dǎo)電性的導(dǎo)體墨水。它將直徑小于0.1微米的銀納米粒子溶解于含有聚合物膠乳的特殊溶劑，墨水干燥后數(shù)秒便會產(chǎn)生導(dǎo)電性。

　　為了確保導(dǎo)體墨水能夠順暢地從打印機(jī)的噴嘴噴出，三菱對墨水粘度、表面張力、揮發(fā)性和顆粒尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，批量生產(chǎn)的版本每100毫升售價2萬日元。用作電路板打印時，1毫米寬的電路每米平均5美分，成本并不高。

　　研究人員在多款家用噴墨打印機(jī)上測試了這種導(dǎo)體墨水，發(fā)現(xiàn)出墨量較大的噴墨打印機(jī)都能正常使用，最便宜的一款不到100美元。研究人員用針管將導(dǎo)體墨水注入干凈的空墨盒。為避免漂浮物混入墨水影響導(dǎo)電性，注入過程中需要使用一次性過濾管。

　　導(dǎo)體墨水需要紙張有較低的電阻，同時還得避免墨水?dāng)U散以保證導(dǎo)電性。表面處理是必需的，實驗發(fā)現(xiàn)光面照片打印紙、透明的PET塑料膠片都能滿足電路打印需求。這些材料都是柔軟、可彎曲的，適合柔性可穿戴電子設(shè)備的研發(fā)。這是一般PCB板定制服務(wù)所無法提供的。

　　電路打印本身并不需要特殊的軟件，開發(fā)者只要將設(shè)計好的電路圖轉(zhuǎn)換成點陣圖片即可使用。但打印出來的電路厚度不能太薄，太薄就無法確保導(dǎo)電性。因此打印時得選擇照片模式，此時打印機(jī)會將青、紅、黃三塊區(qū)域的導(dǎo)體墨水混在一起組成黑色，出墨量高于只使用黑墨盒的文字模式。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，噴墨打印而來的電路板的電阻會隨著時間的流逝而變化，在7個月后會增加15%。這是銀納米粒子氧化之后的結(jié)果，會影響電路板的長期使用。解決方案也很簡單，直接用家用照片塑封機(jī)在電路板上壓一層薄膜便可以有效阻止氧化。

　　電路板只是基礎(chǔ)而已，打印完成以后的下一步是安裝處理器、電阻、傳感器之類的元件。傳統(tǒng)PCB板的元件都通過焊接的方式固定上去，非常牢固。但焊接需要至少180℃的高溫，會破壞電路板底部的紙張并影響已經(jīng)凝固的電路。

　　研究人員找到的解決方法是通過導(dǎo)電銀膠粘住元件，這是最牢固的安裝方法。在65℃的烘箱里，導(dǎo)電銀膠能夠在十幾分鐘時間里固定元件。此外3M生產(chǎn)的導(dǎo)電雙面膠，也能用于固定元件。

　　除了電路板本身，開發(fā)者也可以直接噴墨打印出簡單的天線，甚至觸控傳感器。比如在兒童玩具上加裝觸控按鈕，在感受觸摸后播放音樂。這類天線和傳感器的打印成本往往只有數(shù)十美分。

　　電子電路板生產(chǎn)是一個龐大的市場，去年產(chǎn)值94億美元。施樂實驗室(PARC)也進(jìn)行了類似的嘗試，在今年推出了一種名為銀彈(Silver Bullet)的導(dǎo)電墨水，能夠直接在塑料片上打印電路。打印完成后的塑料電路板需要以150℃的高溫加熱數(shù)小時才能安裝元件。此外施樂的新材料需要使用 來自富士等公司的工業(yè)級打印機(jī)，造價通常超過5萬美元。

　　相比施樂的專用噴墨打印設(shè)備，佐治亞理工學(xué)院的解決方案只要300美元，打印速度也更快。

　　1988年，施樂實驗室首席科學(xué)家馬克·韋澤(Mark Weiser)提出普適計算的概念—大量可穿戴設(shè)備、平板設(shè)備和大屏幕交互設(shè)備的誕生將把計算機(jī)帶入用戶周遭的一切。韋澤的預(yù)言已經(jīng)在逐漸變成現(xiàn)實。

　　參與該項目的東京大學(xué)助理教授川原弘相信自己的研究正是通向普適計算的重要一步。今年普適計算大會上，川原弘發(fā)表了一篇論文詳細(xì)講述即時噴墨打印電路技術(shù)的細(xì)節(jié)和前景。他在論文里寫道：“研究中用到的所有材料都是市面上可以直接買到的物品，你可以直接在家進(jìn)行實驗。這種方法能夠以極低的成本打印電路 板、傳感器和天線，帶來很多新機(jī)遇。”