最新Nature成果：加州大學(xué)新型電荷編程多材料3D打印平臺，實現(xiàn)高性能天線生產(chǎn)

2025年1月9日，南極熊獲悉，由加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系副教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心(BSAC) 和雅各布設(shè)計創(chuàng)新研究所聯(lián)席主任 Xiaoyu (Rayne) Zheng 領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)了一種新型 3D 打印平臺。團隊聲稱，新平臺在天線設(shè)計方面具有無與倫比的靈活性，并且能夠快速打印復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)。

△使用電荷編程多材料 3D 打印 (CPD) 制造的 3D 分形樹天線。來源：加州大學(xué)伯克利分校。

相關(guān)研究以題為“Ultra-light antennas via chargeprogrammed deposition additive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》期刊最新一期報道上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w

這個名為“電荷編程多材料 3D 打印 (CPD)”的新平臺是一個通用系統(tǒng)，可快速生產(chǎn)幾乎所有 3D 天線系統(tǒng)。它可以將高導(dǎo)電性金屬與各種介電材料圖案化為 3D 布局。

Zheng強調(diào)，新平臺并不是昂貴的金屬3D打印機，不需要昂貴的金屬粉末和高能激光，這項技術(shù)可以應(yīng)用于桌面級別的友好型光固化打印機。

CPD 方法結(jié)合了桌面數(shù)字光3D 打印機和基于催化劑的技術(shù)，可以在吸引金屬鍍層的不同位置對不同的聚合物進(jìn)行圖案化。其自催化或選擇性鍍層技術(shù)使聚合物能夠選擇性地將金屬離子吸收到由所需天線設(shè)計結(jié)果定義的規(guī)定位置。

△CPD制造的梯度相位傳輸陣列，用于產(chǎn)生高度定向的輻射。天線具有三層逐漸傾斜的 S 環(huán)單元結(jié)構(gòu)。圖片來源：加州大學(xué)伯克利分校的研究人員。

CPD 可以與多種多材料 3D 打印方法廣泛集成。Zheng說：“它基本上可以實現(xiàn)任何復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的晶格，并且已經(jīng)證明了具有近乎原始導(dǎo)電性的銅的沉積，以及磁性材料、半導(dǎo)體、納米材料以及這些材料的組合。”

Zheng教授自 2019 年起就一直致力于 CPD 平臺的研究，當(dāng)時他的團隊首次提出了這一概念。2020 年，他的團隊在《自然電子學(xué)》上發(fā)表了第一篇關(guān)于這項技術(shù)的論文（https://www.nature.com/articles/s41928-020-0391-2），隨后又在2022 年在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇論文（https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abn0090），描述了如何使用這項新技術(shù)制造微型機器人。

這篇最新論文專門針對天線應(yīng)用。Zheng教授表示，“CPD 非常適合天線，因為幾乎所有天線都需要兩個組件：一個是金屬相，即導(dǎo)體，另一個是介電相，不導(dǎo)電——而且到目前為止，還沒有技術(shù)能夠直接將導(dǎo)體和介電材料圖案化或合成在一起�！�

在與專門從事增材制造領(lǐng)域的同事討論了這項技術(shù)后，研究團隊意識到這項技術(shù)可以徹底改變天線的打印方式并開辟許多新的設(shè)計可能性。

對于在極端環(huán)境下使用的天線來說，打印導(dǎo)體（金屬）和介電材料尤為重要。Zheng舉例表示：“在太空中，你不能使用普通聚合物。你需要一種像 Kapton 這樣的耐高溫聚合物，它是航空航天領(lǐng)域的一種好材料（在極高和極低的溫度下都很穩(wěn)定）�，F(xiàn)在，你可以同時將 Kapton 和金屬線圖案以 3D 形式交織在一起�！�

△一種 3D 折疊可植入電小型天線，具有相互貫穿的阿基米德螺線和希爾伯特曲線。圖片來源：加州大學(xué)伯克利分校的研究人員。

研究團隊還表明，通過適當(dāng)?shù)?3D 設(shè)計，這些天線無需放置在笨重的基板上，與當(dāng)前的天線相比可以大幅減輕重量。

論文合著者、加州大學(xué)洛杉磯分校電氣與計算機工程教授拉赫馬特-薩米（Yahya Rahmat-Samii）認(rèn)為，CPD 平臺可以大大擴展新天線技術(shù)的可能性，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計——允許為各種應(yīng)用提供開箱即用的天線設(shè)計。他說：“可能有許多不同的天線結(jié)構(gòu)，具體取決于你考慮的應(yīng)用。”

Zheng和拉赫馬特-薩米接下來想探索利用他們的新 3D 打印天線技術(shù)實現(xiàn)的天線設(shè)計的全部復(fù)雜性。控制天線的復(fù)雜性使他們能夠控制塑造電磁波的能力——就像畫家用刷子控制顏料的涂抹一樣。為了推進(jìn)這項技術(shù)的應(yīng)用，加州大學(xué)伯克利分校的團隊成立了一家初創(chuàng)公司，專注于柔性醫(yī)療傳感器，例如可以貼合手的形狀。

最后，Zheng針對這項技術(shù)的未來應(yīng)用場景提出了新的疑問： “我們可以實現(xiàn)可調(diào)天線。那么現(xiàn)在的問題是，這項技術(shù)在哪些方面能給我們帶來最大的幫助？”