新加坡国立大学研究团队 3D 打印出自供电光子皮肤，助力水下通信与安全防护

新加坡国立大学（NUS）的研究人员开发出一种 3D 打印的自供电压致发光（ML）光子皮肤，专为水下环境中的通信和安全监测设计。这种可拉伸装置能响应机械形变发出光信号，无需外部电源，且在高盐度、极端温度等恶劣条件下仍可正常工作。

3D 打印压致发光光子皮肤的示意图，展示其制备流程及形变下的发光效果。图片来源：孙等人，《先进材料》。

采用负泊松比几何结构 3D 打印可拉伸发光皮肤

这种光子皮肤通过 ** 直写式 3D 打印（DIW）** 技术制备 —— 将特殊配制的墨水通过精细喷嘴逐层挤出，构建复杂结构。本研究中，墨水由铜掺杂硫化锌（ZnS:Cu）微粒与柔性硅橡胶混合而成。铜掺杂硫化锌是一种受拉伸时会发光的材料，作为墨水的活性成分，在材料发生形变时产生光信号；而硅橡胶则充当柔软、可拉伸的支撑结构。

为使装置更适配人体皮肤或水下设备等曲面的运动需求，研究人员采用负泊松比（auxetic）设计进行打印。负泊松比结构具有一种罕见的力学特性：受拉伸时，其横向尺寸会膨胀（而大多数材料受拉伸时会变细）。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，且不会起皱或脱落。

研究人员在打印好的皮肤外层封装了一层透明硅橡胶，进一步提升了性能 —— 该层可使机械应力均匀分布，避免局部撕裂，确保即使经过 10,000 次拉伸 - 松弛循环，发光仍保持明亮且均匀。在以往的可拉伸发光装置中，应力分布不均常导致亮度衰减、闪烁或材料过早失效。

封装后的光子皮肤在 10,000 次拉伸循环中的力学与光学性能。图片来源：孙等人，《先进材料》。

水下通信、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：

集成至可穿戴手套：通过简单的手指动作实现基于光信号的摩尔斯电码通信。弯曲一根或多根手指可激活压致发光，发出与 “向上（UP）”“确认（OK）” 或 “求救（SOS）” 等信息对应的可见光闪烁。该系统在模拟深海环境的冷水（约 7℃）中完全浸没时，仍可正常工作。

气体罐泄漏监测：将皮肤应用于气体罐模型表面，用可拉伸胶带将光子皮肤密封覆盖在针孔缺陷处。当加压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蓝绿色光，为传统气体传感器提供了一种无源、无电子元件的替代方案。

软体移动平台测试：研究人员将光子皮肤安装在机器鱼上。当机器鱼在不同温度（24℃、50℃和 7℃）的水箱中游动时，皮肤始终稳定发光，证明其在海洋机器人领域的耐用性和实用性。

不同几何结构的打印光子皮肤及其与复杂表面的贴合性对比。图片来源：孙等人，《先进材料》。

迈向无电子元件的水下通信

尽管 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，无法满足动态、柔性的应用需求。相比之下，新加坡国立大学研究人员开发的可拉伸压致发光光子皮肤，为潜水员通信、机器人巡检和泄漏检测提供了一种自供电、高适配性的替代方案，有望革新水下通信和安全系统的技术工具库。

该团队未来的研究方向包括增强传感集成和机器人应用，持续探索适用于极端环境的高性能光子系统。

集成至手套用于摩尔斯电码通信的光子皮肤，以及应用于机器鱼和气体罐的水下安全监测光子皮肤。图片来源：孙等人，《先进材料》。

3D 打印多功能材料的兴起

这种光子皮肤的开发，反映了增材制造领域向多功能材料发展的广泛趋势 —— 这类材料不仅具有结构支撑作用，还兼具其他功能。研究人员正越来越多地使用多材料 3D 打印技术，将传感、驱动和信号传输功能直接嵌入设备中。例如，南方科技大学和香港城市大学近期在厚板折纸结构上的研究，展示了多材料打印如何实现高强度、可折叠且具备运动控制能力的大型系统。这些进展，以及导电熔融沉积成型（FDM）工艺和 Lithoz 公司的多材料陶瓷工具等技术，标志着制造业正朝着 “打印完整系统” 的方向转变。新加坡国立大学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、环境耐久性和实时光学输出功能集成在单一可打印材料中。

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