最新Nature成果：加州大學新型電荷編程多材料3D打印平臺，實現高性能天線生產

2025年1月9日，南極熊獲悉，由加州大學伯克利分校材料科學與工程系副教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心(BSAC) 和雅各布設計創(chuàng)新研究所聯席主任 Xiaoyu (Rayne) Zheng 領導的團隊開發(fā)了一種新型 3D 打印平臺。團隊聲稱，新平臺在天線設計方面具有無與倫比的靈活性，并且能夠快速打印復雜的天線結構。

△使用電荷編程多材料 3D 打印 (CPD) 制造的 3D 分形樹天線。來源：加州大學伯克利分校。

相關研究以題為“Ultra-light antennas via chargeprogrammed deposition additive manufacturing”的論文發(fā)表在《自然通訊》期刊最新一期報道上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w

這個名為“電荷編程多材料 3D 打印 (CPD)”的新平臺是一個通用系統(tǒng)，可快速生產幾乎所有 3D 天線系統(tǒng)。它可以將高導電性金屬與各種介電材料圖案化為 3D 布局。

Zheng強調，新平臺并不是昂貴的金屬3D打印機，不需要昂貴的金屬粉末和高能激光，這項技術可以應用于桌面級別的友好型光固化打印機。

CPD 方法結合了桌面數字光3D 打印機和基于催化劑的技術，可以在吸引金屬鍍層的不同位置對不同的聚合物進行圖案化。其自催化或選擇性鍍層技術使聚合物能夠選擇性地將金屬離子吸收到由所需天線設計結果定義的規(guī)定位置。

△CPD制造的梯度相位傳輸陣列，用于產生高度定向的輻射。天線具有三層逐漸傾斜的 S 環(huán)單元結構。圖片來源：加州大學伯克利分校的研究人員。

CPD 可以與多種多材料 3D 打印方法廣泛集成。Zheng說：“它基本上可以實現任何復雜的 3D 結構，包括復雜的晶格，并且已經證明了具有近乎原始導電性的銅的沉積，以及磁性材料、半導體、納米材料以及這些材料的組合�！�

Zheng教授自 2019 年起就一直致力于 CPD 平臺的研究，當時他的團隊首次提出了這一概念。2020 年，他的團隊在《自然電子學》上發(fā)表了第一篇關于這項技術的論文（https://www.nature.com/articles/s41928-020-0391-2），隨后又在2022 年在《科學》上發(fā)表了一篇論文（https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abn0090），描述了如何使用這項新技術制造微型機器人。

這篇最新論文專門針對天線應用。Zheng教授表示，“CPD 非常適合天線，因為幾乎所有天線都需要兩個組件：一個是金屬相，即導體，另一個是介電相，不導電——而且到目前為止，還沒有技術能夠直接將導體和介電材料圖案化或合成在一起�！�

在與專門從事增材制造領域的同事討論了這項技術后，研究團隊意識到這項技術可以徹底改變天線的打印方式并開辟許多新的設計可能性。

對于在極端環(huán)境下使用的天線來說，打印導體（金屬）和介電材料尤為重要。Zheng舉例表示：“在太空中，你不能使用普通聚合物。你需要一種像 Kapton 這樣的耐高溫聚合物，它是航空航天領域的一種好材料（在極高和極低的溫度下都很穩(wěn)定）�，F在，你可以同時將 Kapton 和金屬線圖案以 3D 形式交織在一起。”

△一種 3D 折疊可植入電小型天線，具有相互貫穿的阿基米德螺線和希爾伯特曲線。圖片來源：加州大學伯克利分校的研究人員。

研究團隊還表明，通過適當的 3D 設計，這些天線無需放置在笨重的基板上，與當前的天線相比可以大幅減輕重量。

論文合著者、加州大學洛杉磯分校電氣與計算機工程教授拉赫馬特-薩米（Yahya Rahmat-Samii）認為，CPD 平臺可以大大擴展新天線技術的可能性，并實現數據驅動的設計——允許為各種應用提供開箱即用的天線設計。他說：“可能有許多不同的天線結構，具體取決于你考慮的應用�！�

Zheng和拉赫馬特-薩米接下來想探索利用他們的新 3D 打印天線技術實現的天線設計的全部復雜性。控制天線的復雜性使他們能夠控制塑造電磁波的能力——就像畫家用刷子控制顏料的涂抹一樣。為了推進這項技術的應用，加州大學伯克利分校的團隊成立了一家初創(chuàng)公司，專注于柔性醫(yī)療傳感器，例如可以貼合手的形狀。

最后，Zheng針對這項技術的未來應用場景提出了新的疑問： “我們可以實現可調天線。那么現在的問題是，這項技術在哪些方面能給我們帶來最大的幫助？”