新加坡國立大學采用3D打印開發水下自供電光子皮膚
2025年6月1日，新加坡國立大學機械工程系的研究人員開發了一種突破性的3D打印光子皮膚材料。該材料具備膨脹、自供電、機械發光（ML）等特性，專為水下通信與安全監測設計。
技術研發背景
探索深海環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，并且對不規則或動態表面的適應性有限。機械發光，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光材料與拉脹結構相結合，以開發一種在變形條件下仍能保持機械穩定性的光子皮膚。
開發無需外部電源的智能發光裝置
研究人員的3D打印光子皮膚可在機械刺激下發光，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）提供了一種節能、結構更靈活的替代方案，特別適用于復雜曲面或動態水下環境。研究團隊將負泊松比的拉脹結構引入機械發光系統中，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。
所配制的機械發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，具備優異的剪切稀化性能，有利于連續擠出與成形。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。
3D打印光子皮膚用于水下通信與智能監控
研究表明，3D打印光子皮膚在超過1萬次拉伸/釋放循環后，仍保持初始的機械性能和發光特性。實驗顯示，在10%應變下，發光亮度峰值可達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。
研究團隊開發了一種基于視頻的實時機械發光亮度測量方法，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域發出發光警示，進一步展示了它在安全監測中的實際價值。
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、海底設備監測等場景，且在鹽水及不同溫度環境下均表現出優異穩定性與持久性。即使在長時間使用后，設備仍保持原始亮度的約70%。
由于具備環境響應性、無電子傳輸特性及多色發光潛力，這項技術在環境監測、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光材料的配比優化與更復雜結構的打印方案，以進一步提升器件在極端環境下的實用性與智能化水平。
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