新加坡国立大学AM：自供能光子皮肤点亮水下通信与安全监测

摘要：深海作为地球上尚未被人类充分探索的区域之一，其勘探高度依赖于高效的通信系统、稳定的监测设备以及软体机器人等关键技术。在黑暗的水下环境，尤其是深海环境中，良好的可见性成为这些技术得以充分发挥作用的关键前提，推动了对仿生生物发光机制的新型发光技术的广泛探索。然而，

深海作为地球上尚未被人类充分探索的区域之一，其勘探高度依赖于高效的通信系统、稳定的监测设备以及软体机器人等关键技术。在黑暗的水下环境，尤其是深海环境中，良好的可见性成为这些技术得以充分发挥作用的关键前提，推动了对仿生生物发光机制的新型发光技术的广泛探索。然而，现有发光器件普遍存在两大瓶颈：一方面，对外部电源的依赖严重限制了器件的机动性和灵活部署；另一方面，有限的拉伸性难以满足水下动态作业的需求。此外，深海环境的高盐度和低温会对电子元件造成不可逆损伤，显著缩短其使用寿命。近年来，力致发光（Mechanoluminescence, ML）材料凭借其将外部机械作用直接转化为光信号的无源发光特性备受瞩目，从根本上克服了传统发光器件对外部电源的依赖，成为开发适用于水下环境的可拉伸发光器件最具前景的候选者之一。然而，传统薄膜型ML器件仍然面临界面贴合性不足的技术瓶颈，限制了其在复杂几何结构环境中的应用，如人体关节和软体机器人等。

针对上述问题，新加坡国立大学Yu Jun Tan团队采用3D打印技术，成功开发出一种可拉伸、自供能力致发光光子皮肤。该器件基于负泊松比结构发光框架，能够高度贴合多种复杂曲面；同时结合硅胶封装工艺，进一步实现了高亮度均匀发光与优异拉伸性能的兼顾。值得一提的是，团队首次引入有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）方法，提出“相对接触面积”作为量化指标，对光子皮肤在不同曲面条件下的贴合性进行了系统评估，为柔性器件的结构优化提供了理论支撑。此外，该光子皮肤还展现出优异的稳定性和环境适应性，并在实时水下通信和安全监测等应用中展现出重大应用价值。相关成果以“3D Printing of Auxetic Self-powered Mechanoluminescent Photonic Skins for Underwater Communication and Safety Monitoring”为题发表在《Advanced Materials》。

【光子皮肤的设计及其曲面贴合度】

研究团队将硫化锌（ZnS）基力致发光微粒均匀分散于柔性硅胶基体中，配置出具有优异流变性能的ML油墨。采用直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）技术，精确构建具有负泊松比特性的周期性结构，使器件在纵向拉伸的同时横向扩展，实现对球形、柱形、双曲面等复杂曲面的高度贴合，有效克服了传统薄膜器件易翘边、起皱的结构缺陷，显著提升了ML器件在动态环境下的适形性。

图1.自供能ML光子皮肤设计

图2.可打印油墨和3D打印结构贴合度分析

【光子皮肤的力学和力致发光性能表征】

作者进一步引入硅胶封装工艺，使打印功能结构在外力作用下实现更均匀的应力分布，有效抑制微裂纹的萌生与扩展，从而将器件的最大伸长率提升8倍以上。在5%至50%的应变范围内循环拉伸，该器件始终保持稳定发光，且其发光强度可达7.4 cd/m²，显著高于多数生物发光系统（通常低于1 cd/m²）。这一设计有效缓解了传统ML器件拉伸性与发光强度之间的矛盾。

此外，该光子皮肤展现出优异的稳定性，经过10000次循环拉伸后，器件亮度仍能保持初始值的70%左右；在浓度高达3.5 wt%的氯化钠溶液（相当于海水盐度）中浸泡28天，光子皮肤发光强度保持稳定。此外，在7至50°C的宽温度范围内，光子皮肤可持续稳定发光，进一步验证了其对复杂极端水下环境的高度适应性。

图3.光子皮肤的力学和力致发光性能

【水下通信及安全监测应用】

为了展示光子皮肤的水下通信能力，研究团队将其集成于潜水手套表面，通过简单的指关节弯曲，实现基于摩斯密码的光学信号的实时发射，通过不同信号组合准确地传达了“OK”、“SOS”等指令，这种基于外部机械刺激触发的发光通信在黑暗的水下环境中展现出独特的应用优势。此外，团队还将ML光子皮肤集成在仿生鱼玩具表面，以模拟对软体机器人水下作业时的状态识别及位置追踪。随着鱼尾摆动引发的微小机械扰动，光子皮肤持续发出明亮的光信号，即使在低温水体中也能保持良好响应。

研究团队还展示了光子皮肤在潜水气瓶泄漏监测中的应用潜力。作者将其贴附于带有预制缺陷的气瓶模型表面，注入压缩空气后，缺陷区域光子皮肤因局部形变显著而瞬时产生明亮的发光信号，从而实现对泄漏点的精准、快速定位。与传统的薄膜型力致发光器件相比，该光子皮肤具备更快的响应速度与更高的发光强度，特别适用于对气体管道、储气罐等具有复杂曲面结构的可视化安全监测，展现出良好的工程应用前景。

图4.光子皮肤在水下通信及安全监测中的应用

总结：作者通过结构设计，以3D打印负泊松比结构作为功能“核心”，结合硅胶封装层构建“核-壳”双层结构，有效解决了传统 ML 器件对复杂曲面贴合性不足以及亮度与拉伸性难以兼顾的固有矛盾。得益于这一结构，该光子皮肤在实现高发光亮度的同时，兼具宽应变响应范围、优异的长期稳定性和环境适应性，在水下通信和安全监测领域展现出巨大的应用潜力。此外，该光子皮肤的自供能特性，有效降低了系统能耗及复杂性，使其不仅适用于海洋探测，也可推广至航空航天、极地科考等多种极端环境。