最新Nature成果：加州大学新型电荷编程多材料3D打印平台，实现高性能天线生产

2025年1月9日，南极熊获悉，由加州大学伯克利分校材料科学与工程系副教授、伯克利传感器和执行器中心(BSAC) 和雅各布设计创新研究所联席主任 Xiaoyu (Rayne) Zheng 领导的团队开发了一种新型 3D 打印平台。团队声称，新平台在天线设计方面具有无与伦比的灵活性，并且能够快速打印复杂的天线结构。

△使用电荷编程多材料 3D 打印 (CPD) 制造的 3D 分形树天线。来源：加州大学伯克利分校。

相关研究以题为“Ultra-light antennas via chargeprogrammed deposition additive manufacturing”的论文发表在《自然通讯》期刊最新一期报道上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w

这个名为“电荷编程多材料 3D 打印 (CPD)”的新平台是一个通用系统，可快速生产几乎所有 3D 天线系统。它可以将高导电性金属与各种介电材料图案化为 3D 布局。

Zheng强调，新平台并不是昂贵的金属3D打印机，不需要昂贵的金属粉末和高能激光，这项技术可以应用于桌面级别的友好型光固化打印机。

CPD 方法结合了桌面数字光3D 打印机和基于催化剂的技术，可以在吸引金属镀层的不同位置对不同的聚合物进行图案化。其自催化或选择性镀层技术使聚合物能够选择性地将金属离子吸收到由所需天线设计结果定义的规定位置。

△CPD制造的梯度相位传输阵列，用于产生高度定向的辐射。天线具有三层逐渐倾斜的 S 环单元结构。图片来源：加州大学伯克利分校的研究人员。

CPD 可以与多种多材料 3D 打印方法广泛集成。Zheng说：“它基本上可以实现任何复杂的 3D 结构，包括复杂的晶格，并且已经证明了具有近乎原始导电性的铜的沉积，以及磁性材料、半导体、纳米材料以及这些材料的组合。”

Zheng教授自 2019 年起就一直致力于 CPD 平台的研究，当时他的团队首次提出了这一概念。2020 年，他的团队在《自然电子学》上发表了第一篇关于这项技术的论文（https://www.nature.com/articles/s41928-020-0391-2），随后又在2022 年在《科学》上发表了一篇论文（https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abn0090），描述了如何使用这项新技术制造微型机器人。

这篇最新论文专门针对天线应用。Zheng教授表示，“CPD 非常适合天线，因为几乎所有天线都需要两个组件：一个是金属相，即导体，另一个是介电相，不导电——而且到目前为止，还没有技术能够直接将导体和介电材料图案化或合成在一起。”

在与专门从事增材制造领域的同事讨论了这项技术后，研究团队意识到这项技术可以彻底改变天线的打印方式并开辟许多新的设计可能性。

对于在极端环境下使用的天线来说，打印导体（金属）和介电材料尤为重要。Zheng举例表示：“在太空中，你不能使用普通聚合物。你需要一种像 Kapton 这样的耐高温聚合物，它是航空航天领域的一种好材料（在极高和极低的温度下都很稳定）。现在，你可以同时将 Kapton 和金属线图案以 3D 形式交织在一起。”

△一种 3D 折叠可植入电小型天线，具有相互贯穿的阿基米德螺线和希尔伯特曲线。图片来源：加州大学伯克利分校的研究人员。

研究团队还表明，通过适当的 3D 设计，这些天线无需放置在笨重的基板上，与当前的天线相比可以大幅减轻重量。

论文合著者、加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程教授拉赫马特-萨米（Yahya Rahmat-Samii）认为，CPD 平台可以大大扩展新天线技术的可能性，并实现数据驱动的设计——允许为各种应用提供开箱即用的天线设计。他说：“可能有许多不同的天线结构，具体取决于你考虑的应用。”

Zheng和拉赫马特-萨米接下来想探索利用他们的新 3D 打印天线技术实现的天线设计的全部复杂性。控制天线的复杂性使他们能够控制塑造电磁波的能力——就像画家用刷子控制颜料的涂抹一样。为了推进这项技术的应用，加州大学伯克利分校的团队成立了一家初创公司，专注于柔性医疗传感器，例如可以贴合手的形状。

最后，Zheng针对这项技术的未来应用场景提出了新的疑问： “我们可以实现可调天线。那么现在的问题是，这项技术在哪些方面能给我们带来最大的帮助？”