新加坡國立大學采用3D打印開發(fā)水下自供電光子皮膚

2025年6月1日，南極熊獲悉，新加坡國立大學機械工程系的研究人員開發(fā)了一種突破性的3D打印光子皮膚材料。該材料具備膨脹、自供電、機械發(fā)光（ML）等特性，專為水下通信與安全監(jiān)測設計。

△相關研究題目為“3D打印自供電拉脹光子皮膚用于水下通信和安全監(jiān)控”（傳送門）

技術研發(fā)背景

探索深海環(huán)境面臨著極端條件的限制。傳統的水下照明系統，如LED和光纖，往往依賴外部電源，并且對不規(guī)則或動態(tài)表面的適應性有限。機械發(fā)光，即在機械應力作用下產生光的現象，提供了一種無需外部能源即可實現機械事件可視化的途徑。

具有負泊松比的拉脹材料在受到拉伸時會橫向膨脹，這有助于提高基于機械發(fā)光設備的柔韌性和表面貼合性。研究人員正致力于將機械發(fā)光材料與拉脹結構相結合，以開發(fā)一種在變形條件下仍能保持機械穩(wěn)定性的光子皮膚。

△自供電ML光子皮膚制造過程示意圖

開發(fā)無需外部電源的智能發(fā)光裝置

研究人員的3D打印光子皮膚可在機械刺激下發(fā)光，無需依賴電池或外部供電系統。這一特性為傳統水下照明系統（如LED、光纖）提供了一種節(jié)能、結構更靈活的替代方案，特別適用于復雜曲面或動態(tài)水下環(huán)境。

研究團隊將負泊松比的拉脹結構引入機械發(fā)光系統中，增強了器件在變形過程中的表面貼合性和機械穩(wěn)定性。結構材料采用硫化鋅（ZnS）熒光粉、銅（Cu）和硅酮復合物，通過直接墨水書寫（DIW）工藝進行高精度3D打印。

△這些材料在經過打印后能夠形成特定的結構和功能

所配制的機械發(fā)光墨水由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex硅膠與ZnS基熒光顆?；旌隙?，具備優(yōu)異的剪切稀化性能，有利于連續(xù)擠出與成形。有限元分析（FEA）模擬進一步驗證了它對不同幾何表面的適應能力。

△ML光子皮膚在通信和安全監(jiān)控中的應用

3D打印光子皮膚用于水下通信與智能監(jiān)控

研究表明，3D打印光子皮膚在超過1萬次拉伸/釋放循環(huán)后，仍保持初始的機械性能和發(fā)光特性。實驗顯示，在10%應變下，發(fā)光亮度峰值可達7.4 cd/m2。封裝層采用透明硅膠，有效將器件可拉伸范圍從11%提升至90%以上，同時增強結構完整性。

研究團隊開發(fā)了一種基于視頻的實時機械發(fā)光亮度測量方法，并將該材料集成至可穿戴設備（如手套），成功實現水下摩爾斯電碼通信。此外，這種光子皮膚可對氣體泄漏等機械損傷區(qū)域發(fā)出發(fā)光警示，進一步展示了它在安全監(jiān)測中的實際價值。

研究團隊表示，3D打印自供電裝置特別適用于水下機器人、潛水員通信、海底設備監(jiān)測等場景，且在鹽水及不同溫度環(huán)境下均表現出優(yōu)異穩(wěn)定性與持久性。即使在長時間使用后，設備仍保持原始亮度的約70%。

由于具備環(huán)境響應性、無電子傳輸特性及多色發(fā)光潛力，這項技術在環(huán)境監(jiān)測、海洋工程、軟體機器人和航空航天等領域同樣具有廣闊的應用前景。研究人員進一步表示，下一步將探索更高性能機械發(fā)光材料的配比優(yōu)化與更復雜結構的打印方案，以進一步提升器件在極端環(huán)境下的實用性與智能化水平。