3D打印自供电发光皮肤可用于水下通信，新加坡国立大学团队研究

2025年6月6日，南极熊获悉，新加坡国立大学（NUS）的研究人员开发了一种3D打印的自供电机械发光（ML）发光皮肤，可以用于水下环境中的通信和安全监测。这种可穿戴设备在机械变形时会发光，无需外部电源，并且在高盐度和极端温度等条件下仍能正常工作。
研究结果由Xiaolu Sun, Shaohua Ling, Zhihang Qin, Jinrun Zhou, Quangang Shi, Zhuangjian Liu, and Yu Jun Tan.发表在《 Advanced Materials》杂志上。这项研究是在新加坡国立大学和新加坡科学、技术与研究机构（A*STAR）进行的。

△3D打印机械发光皮肤的示意图，图中为制造步骤和变形下的发光情况

采用负泊松比几何结构的3D打印可拉伸发光皮肤

发光皮肤是使用直接墨水书写（DIW）3D打印方法制作的，通过细喷嘴挤出特殊配制的墨水，逐层构建复杂结构。在这种情况下，墨水是通过将掺杂铜的硫化锌（ZnS:Cu）微小颗粒（一种在拉伸时会发光的材料）与柔性硅橡胶混合制成的。这些颗粒作为活性成分，在材料变形时发光，而硅橡胶则作为柔软、可拉伸的支撑结构。
为了使设备更适应运动和弯曲表面（如人类皮肤或水下设备），研究人员使用负泊松比设计进行打印。负泊松比结构具有一种罕见的机械性能，称为负泊松比。与大多数材料在拉伸时变薄不同，负泊松比设计在拉伸时会横向膨胀。这使得它们非常适合贴合弯曲或不规则的表面，如关节、柔性机器人或水下设备，而不会起皱或脱落。
将打印的皮肤封装在透明硅橡胶层中，通过均匀分布机械应力进一步提高了性能。这可以防止局部撕裂，并确保即使在10,000次拉伸和松弛循环后，发光仍然明亮且均匀。在以前的可拉伸发光设备中，应力不均匀往往会导致变暗、闪烁或材料过早失效。

△封装后发光皮肤在10,000次拉伸循环中的机械和光学性能

水下信号、机器人技术和气体泄漏检测

研究小组展示了发光皮肤的多种应用。当集成到可穿戴手套中时，皮肤通过简单的手指手势实现了基于光的摩尔斯电码通信。弯曲一根或多根手指会激活机械发光，发出与“向上”、“确定”或“求救”等信息对应的可见闪光。系统在模拟深海条件的冷水中（约7°C）浸没时仍能完全正常工作。
在另一项测试中，皮肤被应用于一个模拟气罐上以监测泄漏。一个针孔缺陷被打印的皮肤覆盖，并用可拉伸胶带密封。当压缩空气通过泄漏处逸出时，局部机械力会在确切的泄漏部位产生明亮的蓝绿色光，为传统气体传感器提供了一种无源、无电子器件的替代方案。
为了测试在柔软和移动平台上的性能，研究人员还将光子皮肤安装在机器鱼上。当机器人在不同温度（24°C、50°C和7°C）的水箱中游泳时，皮肤继续可靠发光，证明了其对海洋机器人的适应性和实用性。

△不同几何形状的打印发光皮肤结构及其对复杂表面的贴合性比较

迈向无电子器件的水下通信

虽然LED和光纤广泛应用于水下照明系统，但它们依赖刚性形状因子和外部电源，不适用于动态、灵活的应用。相比之下，新加坡国立大学研究人员开发的可拉伸机械发光皮肤为潜水员信号、机器人检查和泄漏检测提供了一种自供电、适应性强的替代方案，有可能改变水下通信和安全系统的工具包。
未来的方向包括增强的传感集成和机器人应用，团队将继续探索适用于极端环境的强大发光系统。

△集成到手套中用于摩尔斯电码信号传输，并应用于机器鱼和气罐以进行水下安全监测的发光皮肤

3D打印多功能材料的兴起

发光皮肤的开发反映了增材制造中向多功能材料发展的更广泛趋势，这些结构不仅具有结构作用。研究人员越来越多地使用多材料3D打印将传感、驱动和信号功能直接嵌入设备中。例如，南方科技大学和香港城市大学最近关于厚板折纸结构的研究表明，多材料打印如何使大型、可折叠系统具有高强度和运动控制能力。这些和其他进展，包括导电FDM工艺和Lithoz的多材料陶瓷工具，标志着向打印整个系统的转变。新加坡国立大学的发光皮肤完全符合这一趋势，将机械适应性、环境耐久性和实时光学输出结合到单一的可打印形式中。