新加坡国立大学采用3D打印开发水下自供电光子皮肤

2025年6月1日，南极熊获悉，新加坡国立大学机械工程系的研究人员开发了一种突破性的3D打印光子皮肤材料。该材料具备膨胀、自供电、机械发光（ML）等特性，专为水下通信与安全监测设计。

△相关研究题目为“3D打印自供电拉胀光子皮肤用于水下通信和安全监控”（传送门）

技术研发背景

探索深海环境面临着极端条件的限制。传统的水下照明系统，如LED和光纤，往往依赖外部电源，并且对不规则或动态表面的适应性有限。机械发光，即在机械应力作用下产生光的现象，提供了一种无需外部能源即可实现机械事件可视化的途径。

具有负泊松比的拉胀材料在受到拉伸时会横向膨胀，这有助于提高基于机械发光设备的柔韧性和表面贴合性。研究人员正致力于将机械发光材料与拉胀结构相结合，以开发一种在变形条件下仍能保持机械稳定性的光子皮肤。

△自供电ML光子皮肤制造过程示意图

开发无需外部电源的智能发光装置

研究人员的3D打印光子皮肤可在机械刺激下发光，无需依赖电池或外部供电系统。这一特性为传统水下照明系统（如LED、光纤）提供了一种节能、结构更灵活的替代方案，特别适用于复杂曲面或动态水下环境。

研究团队将负泊松比的拉胀结构引入机械发光系统中，增强了器件在变形过程中的表面贴合性和机械稳定性。结构材料采用硫化锌（ZnS）荧光粉、铜（Cu）和硅酮复合物，通过直接墨水书写（DIW）工艺进行高精度3D打印。

△这些材料在经过打印后能够形成特定的结构和功能

所配制的机械发光墨水由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex硅胶与ZnS基荧光颗粒混合而成，具备优异的剪切稀化性能，有利于连续挤出与成形。有限元分析（FEA）模拟进一步验证了它对不同几何表面的适应能力。

△ML光子皮肤在通信和安全监控中的应用

3D打印光子皮肤用于水下通信与智能监控

研究表明，3D打印光子皮肤在超过1万次拉伸/释放循环后，仍保持初始的机械性能和发光特性。实验显示，在10%应变下，发光亮度峰值可达7.4 cd/m2。封装层采用透明硅胶，有效将器件可拉伸范围从11%提升至90%以上，同时增强结构完整性。

研究团队开发了一种基于视频的实时机械发光亮度测量方法，并将该材料集成至可穿戴设备（如手套），成功实现水下摩尔斯电码通信。此外，这种光子皮肤可对气体泄漏等机械损伤区域发出发光警示，进一步展示了它在安全监测中的实际价值。

研究团队表示，3D打印自供电装置特别适用于水下机器人、潜水员通信、海底设备监测等场景，且在盐水及不同温度环境下均表现出优异稳定性与持久性。即使在长时间使用后，设备仍保持原始亮度的约70%。

由于具备环境响应性、无电子传输特性及多色发光潜力，这项技术在环境监测、海洋工程、软体机器人和航空航天等领域同样具有广阔的应用前景。研究人员进一步表示，下一步将探索更高性能机械发光材料的配比优化与更复杂结构的打印方案，以进一步提升器件在极端环境下的实用性与智能化水平。