为解决这一问题，麻省理工学院的研究人员利用增材制造迈出了重要一步。他们3D打印了一种被称为蠕动泵的微型真空泵，大约有人的拳头大小。

他们的泵可以产生并保持真空，其压力比所谓的干式、粗糙泵低一个数量级，这种泵不需要液体来产生真空，并且可以在大气压下工作。研究人员的独特设计可以在多材料3D打印机上一次性打印，可以防止流体或气体泄漏，同时最大限度地减少泵送过程中摩擦产生的热量。这增加了设备的使用寿命。

例如，这种泵可以集成到便携式质谱仪中，用于监测世界上偏远地区的土壤污染。该装置也可能是前往火星的地质调查设备的理想选择，因为将轻型泵发射到太空会更便宜。

麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家表示，这是一种非常便宜的硬件，而且功能也很强大。

质谱仪的重量达到500磅是因为水泵过重。在这里展示的是开创性的，但这是可能的，因为它可以3D打印。如果想用传统、标准的方式来做这件事，研究人员就不可能完成了。

泵的问题

当样品被泵输送到质谱仪时，它被剥离电子，将原子转化为离子。电磁场在真空中操纵这些离子，从而可以确定它们的质量。这些信息可以用来精确地识别样品的成分。保持真空是关键，因为如果离子与空气中的气体分子碰撞，它们的能量会发生变化，从而降低分析过程的特异性，增加假阳性。

蠕动泵通常用于输送会污染泵部件的液体或气体，如反应性化学物质。它们也被用来泵送需要保持清洁的液体，比如血液。被泵送的物质完全包含在一个柔性管内，该柔性管环绕着一组滚筒。滚轮在旋转时将管子挤压在外壳上。管子的挤压部分在滚筒的带动下膨胀，产生真空，将液体或气体吸入管内。

虽然这些泵确实产生了真空，但设计方面的问题限制了它们在质谱仪中的使用。当辊子被施加作用力时，管道材料会重新分布，导致间隙和泄漏。这个问题可以通过快速操作泵来克服，迫使流体以比泄漏更快的速度通过。但这会导致过热，从而损坏泵，并且间隙仍然存在。研究人员解释说，为了完全密封管并产生质谱仪所需的真空，必须施加额外的力来挤压凸起的区域，从而造成更多的损坏。

增材制造解决方案

研究团队从下到上重新思考蠕动泵的设计，寻找利用增材制造进行改进的方法。首先，通过使用多材料3D打印机，他们能够用一种特殊的超弹性材料制造软管，这种材料可以承受巨大的变形。

然后，通过设计过程的迭代，他们确定在管壁上添加凹口可以减少挤压时材料上的应力。有了凹口，管道材料不需要重新分配来抵消来自辊子的力。

3D打印提供的制造精度使研究人员能够生成消除间隙所需的精确缺口尺寸。他们还能够改变管道的厚度，使连接处的壁更坚固，从而进一步降低材料上的应力。

他们使用多材料3D打印机，一次性打印出整个管道，这一点很重要，因为后组装可能会产生缺陷。要做到这一点，他们必须垂直打印狭窄的柔性管，同时防止它在打印过程中摆动。最终，他们创造了一种轻型结构，可以在打印过程中稳定管道，并容易剥离，而不会损坏设备。

使用3D打印的一个关键优势是，它可以让研究人员积极地制作原型。如果在一个清洁的房间里做这项工作，那里制造了很多微型泵，这需要大量的时间和金钱。如果想做出改变，必须重新开始整个过程。在这种情况下，他们可以在几个小时内打印出泵，每次都可以是一个新的设计。

便携，性能卓越

当进行最终测试时，研究人员发现它能够产生一个真空，其压力比最先进的隔膜泵低一个数量级。较低的压力产生较高质量的真空。要用标准隔膜泵达到同样的真空度，需要同时串联三个。

该泵的最高温度为50°C，是其他研究中使用的最先进泵的一半，并且只需要一半的力就可以完全密封管道。

当制造小型便携式设备时，流体运动是一个巨大的挑战，而这项工作巧妙地利用了多材料3D打印的优势，创造了一个高度集成和功能性的泵，为气体控制创造了真空。这种泵不仅比几乎任何类似的泵都要小，而且产生的真空度也低100倍。这种设计只能通过使用3D打印机来实现，并且很好地展示了3D设计和创作的力量。

未来，研究人员计划探索进一步降低最高温度的方法，这将使管道能够更快地启动，创造更好的真空度并提高流速。他们还致力于3D打印整个微型质谱仪。随着他们的开发进程，他们将继续微调蠕动泵的规格。