最新Nature成果：加州大學(xué)新型電荷編程多材料3D打印平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高性能天線生產(chǎn)

2025年1月9日,，南極熊獲悉,，由加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)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(shè)計(jì)創(chuàng)新研究所聯(lián)席主任 Xiaoyu (Rayne) Zheng 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型 3D 打印平臺(tái),。團(tuán)隊(duì)聲稱，新平臺(tái)在天線設(shè)計(jì)方面具有無(wú)與倫比的靈活性,，并且能夠快速打印復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu),。

△使用電荷編程多材料 3D 打印 (CPD) 制造的 3D 分形樹(shù)天線。來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校,。

相關(guān)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(bào)道上,。

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

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

Zheng強(qiáng)調(diào)，新平臺(tái)并不是昂貴的金屬3D打印機(jī),，不需要昂貴的金屬粉末和高能激光,，這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于桌面級(jí)別的友好型光固化打印機(jī)。

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

△CPD制造的梯度相位傳輸陣列,，用于產(chǎn)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(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：加州大學(xué)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(shuō)：“它基本上可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的晶格,，并且已經(jīng)證明了具有近乎原始導(dǎo)電性的銅的沉積，以及磁性材料,、半導(dǎo)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(tái)的研究,，當(dāng)時(shí)他的團(tuán)隊(duì)首次提出了這一概念,。2020 年，他的團(tuán)隊(duì)在《自然電子學(xué)》上發(fā)表了第一篇關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的論文（https://www.nature.com/articles/s41928-020-0391-2）,，隨后又在2022 年在《科學(xué)》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(xiàng)新技術(shù)制造微型機(jī)器人。

這篇最新論文專門(mén)針對(duì)天線應(yīng)用,。Zheng教授表示,，“CPD 非常適合天線，因?yàn)閹缀跛�有天線都需要兩個(gè)組件：一個(gè)是金屬相,，即導(dǎo)體,，另一個(gè)是介電相，不導(dǎo)電——而且到目前為止,，還沒(méi)有技術(shù)能夠直接將導(dǎo)體和介電材料圖案化或合成在一起,。”

在與專門(mén)從事增材制造領(lǐng)域的同事討論了這項(xiàng)技術(shù)后,，研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)可以徹底改變天線的打印方式并開(kāi)辟許多新的設(shè)計(jì)可能性,。

對(duì)于在極端環(huán)境下使用的天線來(lái)說(shuō)，打印導(dǎo)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(lǐng)域的一種好材料（在極高和極低的溫度下都很穩(wěn)定）�,，F(xiàn)在，你可以同時(shí)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(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校的研究人員,。

研究團(tuán)隊(duì)還表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)?3D 設(shè)計(jì),，這些天線無(wú)需放置在笨重的基板上,，與當(dāng)前的天線相比可以大幅減輕重量。

論文合著者,、加州大學(xué)洛杉磯分校電氣與計(jì)算機(jī)工程教授拉赫馬特-薩米（Yahya Rahmat-Samii）認(rèn)為,，CPD 平臺(tái)可以大大擴(kuò)展新天線技術(shù)的可能性，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)——允許為各種應(yīng)用提供開(kāi)箱即用的天線設(shè)計(jì),。他說(shuō)：“可能有許多不同的天線結(jié)構(gòu),，具體取決于你考慮的應(yīng)用,。”

Zheng和拉赫馬特-薩米接下來(lái)想探索利用他們的新 3D 打印天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)的天線設(shè)計(jì)的全部復(fù)雜性,�,？刂铺炀�的復(fù)雜性使他們能夠控制塑造電磁波的能力——就像畫(huà)家用刷子控制顏料的涂抹一樣。為了推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用,，加州大學(xué)伯克利分校的團(tuán)隊(duì)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(duì)這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景提出了新的疑問(wèn)： “我們可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)天線。那么現(xiàn)在的問(wèn)題是,，這項(xiàng)技術(shù)在哪些方面能給我們帶來(lái)最大的幫助,？”