新加坡國立大學(xué)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(xué)機(jī)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(jī)械發(fā)光（ML）等特性，專為水下通信與安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

△相關(guān)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(shù)研發(fā)背景

探索深海環(huán)境面臨著極端條件的限制。傳統(tǒng)的水下照明系統(tǒng)，如LED和光纖，往往依賴外部電源，并且對(duì)不規(guī)則或動(dòng)態(tài)表面的適應(yīng)性有限。機(jī)械發(fā)光，即在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生光的現(xiàn)象，提供了一種無需外部能源即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械事件可視化的途徑。

具有負(fù)泊松比的拉脹材料在受到拉伸時(shí)會(huì)橫向膨脹，這有助于提高基于機(jī)械發(fā)光設(shè)備的柔韌性和表面貼合性。研究人員正致力于將機(jī)械發(fā)光材料與拉脹結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以開發(fā)一種在變形條件下仍能保持機(jī)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(jī)械刺激下發(fā)光，無需依賴電池或外部供電系統(tǒng)。這一特性為傳統(tǒng)水下照明系統(tǒng)（如LED、光纖）提供了一種節(jié)能、結(jié)構(gòu)更靈活的替代方案，特別適用于復(fù)雜曲面或動(dòng)態(tài)水下環(huán)境。

研究團(tuán)隊(duì)將負(fù)泊松比的拉脹結(jié)構(gòu)引入機(jī)械發(fā)光系統(tǒng)中，增強(qiáng)了器件在變形過程中的表面貼合性和機(jī)械穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)材料采用硫化鋅（ZnS）熒光粉、銅（Cu）和硅酮復(fù)合物，通過直接墨水書寫（DIW）工藝進(jìn)行高精度3D打印。

△這些材料在經(jīng)過打印后能夠形成特定的結(jié)構(gòu)和功能

所配制的機(jī)械發(fā)光墨水由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex硅膠與ZnS基熒光顆粒混合而成，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(jìn)一步驗(yàn)證了它對(duì)不同幾何表面的適應(yīng)能力。

△ML光子皮膚在通信和安全監(jiān)控中的應(yīng)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(jī)械性能和發(fā)光特性。實(shí)驗(yàn)顯示，在10%應(yīng)變下，發(fā)光亮度峰值可達(dá)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(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于視頻的實(shí)時(shí)機(jī)械發(fā)光亮度測(cè)量方法，并將該材料集成至可穿戴設(shè)備（如手套），成功實(shí)現(xiàn)水下摩爾斯電碼通信。此外，這種光子皮膚可對(duì)氣體泄漏等機(jī)械損傷區(qū)域發(fā)出發(fā)光警示，進(jìn)一步展示了它在安全監(jiān)測(cè)中的實(shí)際價(jià)值。

研究團(tuán)隊(duì)表示，3D打印自供電裝置特別適用于水下機(jī)器人、潛水員通信、海底設(shè)備監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景，且在鹽水及不同溫度環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性與持久性。即使在長(zhǎng)時(shí)間使用后，設(shè)備仍保持原始亮度的約70%。

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