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2026-06
新加坡国立大学研发 3D 打印自供能机械发光光子皮肤，可用于水下通信与安全监测
新加坡国立大学（NUS）的研究人员研发出一种 3D 打印自供能机械发光（ML）光子皮肤，该皮肤专为水下环境中的通信和安全监测设计。这种可拉伸设备能在机械形变作用下发光，无需外部电源，且在高盐度、极端温度等环境条件下仍可正常工作。
该研究成果由孙晓璐、凌少华、秦志航、周金润、石泉港、刘壮健和谭宇骏（音译）发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上。此项研究由新加坡国立大学与新加坡科技研究局（A*STAR）联合开展。
（图示：3D 打印机械发光光子皮肤的制造流程及形变状态下发光示意图。图片来源：孙晓璐等人，《先进材料》）
采用负泊松比结构的 3D 打印可拉伸发光皮肤
这种光子皮肤通过 “直接墨水书写”（DIW）3D 打印技术制造，该技术利用精细喷嘴挤出特制墨水，逐层构建复杂结构。本研究中使用的墨水，是将硫化锌铜掺杂颗粒（ZnS:Cu，一种受拉伸时会发光的材料）与柔性硅橡胶混合制成。其中，硫化锌铜掺杂颗粒是材料形变时发光的 “活性成分”，而硅橡胶则起到柔软可拉伸的支撑结构作用。
为使设备更适配人体皮肤或水下装备等曲面结构的运动，研究人员采用负泊松比（auxetic）设计进行打印。负泊松比结构具有罕见的力学特性 —— 负泊松比。与多数材料受拉伸时会变细不同，负泊松比结构在受拉力作用时会横向膨胀。这一特性使其能完美贴合关节、柔性机器人或水下装备等曲面或不规则表面，且不会出现褶皱或脱落。
研究人员还在打印好的皮肤外层包裹了一层透明硅橡胶，这一设计能均匀分散机械应力，进一步提升设备性能。即便经过 10000 次拉伸与松弛循环，该皮肤仍可避免局部撕裂，保证发光亮度均匀稳定。在以往的可拉伸发光设备中，应力分布不均常导致发光变暗、闪烁或材料过早失效。
（图示：封装后光子皮肤经 10000 次拉伸循环后的力学与光学性能测试图。图片来源：孙晓璐等人，《先进材料》）
应用场景：水下信号传递、机器人技术与气体泄漏检测
研究团队展示了该光子皮肤的多种应用场景：
水下通信：将其集成到可穿戴手套中，通过简单的手指动作即可实现基于光信号的摩尔斯电码通信。弯曲一根或多根手指会触发机械发光，发出的可见闪光可对应 “向上”“正常” 或 “求救” 等信息。即便在模拟深海环境的冷水（约 7℃）中浸泡，该系统仍能正常工作。
气体泄漏监测：将光子皮肤贴在模拟煤气罐表面进行泄漏检测。研究人员用可拉伸胶带将皮肤密封覆盖在罐体的针孔缺陷处，当压缩空气从泄漏点逸出时，局部机械力会使泄漏位置发出明亮的青色光，为传统气体传感器提供了一种无需电子元件的被动检测方案。
海洋机器人适配：为测试其在柔性移动设备上的性能，研究人员将光子皮肤安装在机器鱼表面。当机器鱼在不同温度（24℃、50℃、7℃）的水箱中游动时，皮肤始终能稳定发光，证明其在海洋机器人领域的耐用性与实用性。
（图示：不同几何结构的打印光子皮肤及其与复杂表面的贴合度对比图。图片来源：孙晓璐等人，《先进材料》）
迈向无电子元件的水下通信
尽管发光二极管（LED）和光纤广泛应用于水下照明系统，但它们依赖刚性结构和外部电源，难以适配动态、柔性的应用场景。相比之下，新加坡国立大学研发的可拉伸机械发光光子皮肤，为潜水员信号传递、机器人检测和泄漏监测提供了一种自供能、高适配性的替代方案，有望彻底改变水下通信与安全系统的技术格局。
研究团队表示，未来将进一步加强传感集成与机器人应用研究，持续探索适用于极端环境的高稳定性光子系统。
（图示：集成于手套用于摩尔斯电码通信的光子皮肤，及应用于机器鱼与煤气罐实现水下安全监测的示意图。图片来源：孙晓璐等人，《先进材料》）
3D 打印多功能材料的兴起
这种光子皮肤的研发，反映了增材制造领域向 “多功能材料” 发展的广泛趋势 —— 即材料除结构支撑外，还具备其他功能。研究人员正越来越多地利用多材料 3D 打印技术，将传感、驱动和信号传递功能直接嵌入设备中。例如，南方科技大学与香港城市大学近期在厚板折纸结构方面的研究表明，多材料打印可实现兼具高强度与运动控制能力的大型可折叠系统。此外，导电熔融沉积成型（FDM）工艺、 Lithoz 多材料陶瓷工具等技术进展，也标志着制造业正朝着 “全系统打印” 方向转变。新加坡国立大学研发的这款光子皮肤，正是这一趋势的典型代表 —— 它将力学适配性、环境耐用性与实时光学输出功能融合于单一可打印材料中。
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