2025年6月6日，新加坡國立大學（NUS）的研究人員開發了一種3D打印的自供電機械發光（ML）發光皮膚，可以用于水下環境中的通信和安全監測。這種可穿戴設備在機械變形時會發光，無需外部電源，并且在高鹽度和極端溫度等條件下仍能正常工作。
研究結果由Xiaolu Sun, Shaohua Ling, Zhihang Qin, Jinrun Zhou, Quangang Shi, Zhuangjian Liu, and Yu Jun Tan.發表在《 Advanced Materials》雜志上。這項研究是在新加坡國立大學和新加坡科學、技術與研究機構（A*STAR）進行的。

△3D打印機械發光皮膚的示意圖，圖中為制造步驟和變形下的發光情況

采用負泊松比幾何結構的3D打印可拉伸發光皮膚
        發光皮膚是使用直接墨水書寫（DIW）3D打印方法制作的，通過細噴嘴擠出特殊配制的墨水，逐層構建復雜結構。在這種情況下，墨水是通過將摻雜銅的硫化鋅（ZnS:Cu）微小顆粒（一種在拉伸時會發光的材料）與柔性硅橡膠混合制成的。這些顆粒作為活性成分，在材料變形時發光，而硅橡膠則作為柔軟、可拉伸的支撐結構。
為了使設備更適應運動和彎曲表面（如人類皮膚或水下設備），研究人員使用負泊松比設計進行打印。負泊松比結構具有一種罕見的機械性能，稱為負泊松比。與大多數材料在拉伸時變薄不同，負泊松比設計在拉伸時會橫向膨脹。這使得它們非常適合貼合彎曲或不規則的表面，如關節、柔性機器人或水下設備，而不會起皺或脫落。
將打印的皮膚封裝在透明硅橡膠層中，通過均勻分布機械應力進一步提高了性能。這可以防止局部撕裂，并確保即使在10,000次拉伸和松弛循環后，發光仍然明亮且均勻。在以前的可拉伸發光設備中，應力不均勻往往會導致變暗、閃爍或材料過早失效。

△封裝后發光皮膚在10,000次拉伸循環中的機械和光學性能

水下信號、機器人技術和氣體泄漏檢測
       研究小組展示了發光皮膚的多種應用。當集成到可穿戴手套中時，皮膚通過簡單的手指手勢實現了基于光的摩爾斯電碼通信。彎曲一根或多根手指會激活機械發光，發出與“向上”、“確定”或“求救”等信息對應的可見閃光。系統在模擬深海條件的冷水中（約7°C）浸沒時仍能完全正常工作。在另一項測試中，皮膚被應用于一個模擬氣罐上以監測泄漏。一個針孔缺陷被打印的皮膚覆蓋，并用可拉伸膠帶密封。當壓縮空氣通過泄漏處逸出時，局部機械力會在確切的泄漏部位產生明亮的藍綠色光，為傳統氣體傳感器提供了一種無源、無電子器件的替代方案。為了測試在柔軟和移動平臺上的性能，研究人員還將光子皮膚安裝在機器魚上。當機器人在不同溫度（24°C、50°C和7°C）的水箱中游泳時，皮膚繼續可靠發光，證明了其對海洋機器人的適應性和實用性。

△不同幾何形狀的打印發光皮膚結構及其對復雜表面的貼合性比較

邁向無電子器件的水下通信

雖然LED和光纖廣泛應用于水下照明系統，但它們依賴剛性形狀因子和外部電源，不適用于動態、靈活的應用。相比之下，新加坡國立大學研究人員開發的可拉伸機械發光皮膚為潛水員信號、機器人檢查和泄漏檢測提供了一種自供電、適應性強的替代方案，有可能改變水下通信和安全系統的工具包。
未來的方向包括增強的傳感集成和機器人應用，團隊將繼續探索適用于極端環境的強大發光系統。

△集成到手套中用于摩爾斯電碼信號傳輸，并應用于機器魚和氣罐以進行水下安全監測的發光皮膚

3D打印多功能材料的興起
      發光皮膚的開發反映了增材制造中向多功能材料發展的更廣泛趨勢，這些結構不僅具有結構作用。研究人員越來越多地使用多材料3D打印將傳感、驅動和信號功能直接嵌入設備中。例如，南方科技大學和香港城市大學最近關于厚板折紙結構的研究表明，多材料打印如何使大型、可折疊系統具有高強度和運動控制能力。這些和其他進展，包括導電FDM工藝和Lithoz的多材料陶瓷工具，標志著向打印整個系統的轉變。新加坡國立大學的發光皮膚完全符合這一趨勢，將機械適應性、環境耐久性和實時光學輸出結合到單一的可打印形式中。

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