3D打印自供電發(fā)光皮膚可用于水下通信，新加坡國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究

2025年6月6日，南極熊獲悉，新加坡國立大學(xué)（NUS）的研究人員開發(fā)了一種3D打印的自供電機(jī)械發(fā)光（ML）發(fā)光皮膚，可以用于水下環(huán)境中的通信和安全監(jiān)測。這種可穿戴設(shè)備在機(jī)械變形時(shí)會發(fā)光，無需外部電源，并且在高鹽度和極端溫度等條件下仍能正常工作。
研究結(jié)果由Xiaolu Sun, Shaohua Ling, Zhihang Qin, Jinrun Zhou, Quangang Shi, Zhuangjian Liu, and Yu Jun Tan.發(fā)表在《 Advanced Materials》雜志上。這項(xiàng)研究是在新加坡國立大學(xué)和新加坡科學(xué)、技術(shù)與研究機(jī)構(gòu)（A*STAR）進(jìn)行的。

△3D打印機(jī)械發(fā)光皮膚的示意圖，圖中為制造步驟和變形下的發(fā)光情況

采用負(fù)泊松比幾何結(jié)構(gòu)的3D打印可拉伸發(fā)光皮膚

發(fā)光皮膚是使用直接墨水書寫（DIW）3D打印方法制作的，通過細(xì)噴嘴擠出特殊配制的墨水，逐層構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在這種情況下，墨水是通過將摻雜銅的硫化鋅（ZnS:Cu）微小顆粒（一種在拉伸時(shí)會發(fā)光的材料）與柔性硅橡膠混合制成的。這些顆粒作為活性成分，在材料變形時(shí)發(fā)光，而硅橡膠則作為柔軟、可拉伸的支撐結(jié)構(gòu)。
為了使設(shè)備更適應(yīng)運(yùn)動(dòng)和彎曲表面（如人類皮膚或水下設(shè)備），研究人員使用負(fù)泊松比設(shè)計(jì)進(jìn)行打印。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有一種罕見的機(jī)械性能，稱為負(fù)泊松比。與大多數(shù)材料在拉伸時(shí)變薄不同，負(fù)泊松比設(shè)計(jì)在拉伸時(shí)會橫向膨脹。這使得它們非常適合貼合彎曲或不規(guī)則的表面，如關(guān)節(jié)、柔性機(jī)器人或水下設(shè)備，而不會起皺或脫落。
將打印的皮膚封裝在透明硅橡膠層中，通過均勻分布機(jī)械應(yīng)力進(jìn)一步提高了性能。這可以防止局部撕裂，并確保即使在10,000次拉伸和松弛循環(huán)后，發(fā)光仍然明亮且均勻。在以前的可拉伸發(fā)光設(shè)備中，應(yīng)力不均勻往往會導(dǎo)致變暗、閃爍或材料過早失效。

△封裝后發(fā)光皮膚在10,000次拉伸循環(huán)中的機(jī)械和光學(xué)性能

水下信號、機(jī)器人技術(shù)和氣體泄漏檢測

研究小組展示了發(fā)光皮膚的多種應(yīng)用。當(dāng)集成到可穿戴手套中時(shí)，皮膚通過簡單的手指手勢實(shí)現(xiàn)了基于光的摩爾斯電碼通信。彎曲一根或多根手指會激活機(jī)械發(fā)光，發(fā)出與“向上”、“確定”或“求救”等信息對應(yīng)的可見閃光。系統(tǒng)在模擬深海條件的冷水中（約7°C）浸沒時(shí)仍能完全正常工作。
在另一項(xiàng)測試中，皮膚被應(yīng)用于一個(gè)模擬氣罐上以監(jiān)測泄漏。一個(gè)針孔缺陷被打印的皮膚覆蓋，并用可拉伸膠帶密封。當(dāng)壓縮空氣通過泄漏處逸出時(shí)，局部機(jī)械力會在確切的泄漏部位產(chǎn)生明亮的藍(lán)綠色光，為傳統(tǒng)氣體傳感器提供了一種無源、無電子器件的替代方案。
為了測試在柔軟和移動(dòng)平臺上的性能，研究人員還將光子皮膚安裝在機(jī)器魚上。當(dāng)機(jī)器人在不同溫度（24°C、50°C和7°C）的水箱中游泳時(shí)，皮膚繼續(xù)可靠發(fā)光，證明了其對海洋機(jī)器人的適應(yīng)性和實(shí)用性。

△不同幾何形狀的打印發(fā)光皮膚結(jié)構(gòu)及其對復(fù)雜表面的貼合性比較

邁向無電子器件的水下通信

雖然LED和光纖廣泛應(yīng)用于水下照明系統(tǒng)，但它們依賴剛性形狀因子和外部電源，不適用于動(dòng)態(tài)、靈活的應(yīng)用。相比之下，新加坡國立大學(xué)研究人員開發(fā)的可拉伸機(jī)械發(fā)光皮膚為潛水員信號、機(jī)器人檢查和泄漏檢測提供了一種自供電、適應(yīng)性強(qiáng)的替代方案，有可能改變水下通信和安全系統(tǒng)的工具包。
未來的方向包括增強(qiáng)的傳感集成和機(jī)器人應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索適用于極端環(huán)境的強(qiáng)大發(fā)光系統(tǒng)。

△集成到手套中用于摩爾斯電碼信號傳輸，并應(yīng)用于機(jī)器魚和氣罐以進(jìn)行水下安全監(jiān)測的發(fā)光皮膚

3D打印多功能材料的興起

發(fā)光皮膚的開發(fā)反映了增材制造中向多功能材料發(fā)展的更廣泛趨勢，這些結(jié)構(gòu)不僅具有結(jié)構(gòu)作用。研究人員越來越多地使用多材料3D打印將傳感、驅(qū)動(dòng)和信號功能直接嵌入設(shè)備中。例如，南方科技大學(xué)和香港城市大學(xué)最近關(guān)于厚板折紙結(jié)構(gòu)的研究表明，多材料打印如何使大型、可折疊系統(tǒng)具有高強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)控制能力。這些和其他進(jìn)展，包括導(dǎo)電FDM工藝和Lithoz的多材料陶瓷工具，標(biāo)志著向打印整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。新加坡國立大學(xué)的發(fā)光皮膚完全符合這一趨勢，將機(jī)械適應(yīng)性、環(huán)境耐久性和實(shí)時(shí)光學(xué)輸出結(jié)合到單一的可打印形式中。