项目合作背景与行业价值
俐陶智与MITRE基于LCM陶瓷增材制造技术合作开发用于水下通信系统的新一代先进水声换能器。本项目由MITRE与MSI换能器公司联合推进，充分证明陶瓷3D打印正逐步成为陆上、乃至水下通信系统未来发展的核心技术路线。
当前正值全球水下监测设备大规模部署，水下声学通信与探测技术的市场需求快速增长时期。小型自主水下探测平台依靠声学换能器在海洋环境中收发信号。这类设备普遍依靠电池供电，若换能器转换效率低、灵敏度不足，会直接大幅限制设备续航与探测性能。压电复合材料作为功能层的换能器虽然灵敏度与转换效率更优，但传统制造工艺仅支持开模或切削成型，极大限制了换能器外形设计，难以满足多样化商用需求。
传统水声换能器受到固有制造工艺局限，而增材制造技术可突破该瓶颈，制备异形结构换能器并全面提升综合性能。借助3D打印可灵活、低成本迭代制备空腔与点阵结构，通过调控材料空间分布，能够提升换能器灵敏度、抑制旁瓣干扰。但在此之前，采用标准压电材料稳定批量打印这类复杂结构始终未能实现。
传统水下声学换能器
产学研合作与阶段成果
MITRE是面向美国联邦、州、地方政府及产业、学术界的非营利研发机构，在该项目中，MITRE、MSI换能器公司与俐陶智美国子公司达成三方合作。依托本次合作协议，MITRE搭建有限元换能器仿真模型，针对不同性能需求定制换能器外形结构。MSI负责提供全套压电材料加工、封装与测试技术储备；基于俐陶智增材制造设备与材料研发支持，开发可打印压电陶瓷浆料与适配结构。MITRE完善的创新合作网络促成了多方企业的对接合作。
项目最初始于2019年，联合研发团队成功试制首批3D打印样品，实测材料性能与压电参数达到甚至优于传统工艺产品。这一成果是项目关键里程碑，证实3D打印压电陶瓷完全适配水下换能器使用场景。2020年，团队重点研发可实现性能跃升的创新异形结构。首批打印试样测试结果表明，新型结构可稳定打印，有望实现传统产品无法达到的声学性能。
放大 20 倍的 3D 打印陶瓷结构件
技术优势和应用场景
MITRE另一项获奖自研技术 ——FUSE天线为本次研发提供了思路，研究团队由此探索采用3D打印工艺制备水下声信号收发传感器（即水声换能器）。该研发团队成功落地一套全新制备技术，可打造高灵敏度、定向性优、带宽更广的新型换能器，适配传统换能器难以胜任的特种水下作业，其中就包括自主水下航行器（AUV）等小型海洋机器人。
MITRE首席海洋科技战略师尼克・罗特克表示：“这项技术突破开创了全新的换能器制造思路，落地以往仅存在理论设想的高性能产品；它拓宽了换能器设计边界，助力打造功能更强、能耗更低的水下探测平台，帮助人类更全面掌握海洋环境信息。"
获取水下探测数据只是其一，隐蔽式信息传输是另一大刚需。这就要求换能器具备优异的声学定向发射能力，让第三方难以截获传输信号。MITRE研究团队开发出全新结构设计方案，单台换能器即可实现高度定向声波传输。项目首席研究员贾斯汀・图法列洛解释道：“二者的区别好比手电筒对比激光笔，只不过载体是声波。设备不再向周边全域暴露自身信号，可隐蔽传输声学数据，在国家安全领域具备广阔应用前景。”目前该原型样机已交由美国国防部资助单位开展实测验证。
除军工场景外，自主水下航行器（AUV）的数据采集应用持续拓展，水下声学设备的技术痛点愈发突出，行业亟需全新解决方案。这类小型平台搭载传感器需要完成环境监测、温度探测、声呐海底测绘等工作，但潜艇等大型舰船配套的换能器阵列功耗、信号处理需求过高，无法适配小型航行器。MITRE与俐陶智联合开发的3D打印传感器可定制化设计换能器结构，相比沿用数十年的传统工艺产品，能大幅提升小型潜航设备的综合性能。
行业认可与技术可靠性验证
这项专利待批技术入围2023年度全球百大科技创新奖（R&D 100），图法列洛及其团队也于同年5月在美国声学学会年会发布相关研究成果。
MITRE独立研发项目负责人巴拉德・史密斯全程参与本次换能器研发，他评价该项目的价值不止于技术成果本身： “本次研发充分证明，精准把握行业痛点、联动优质合作方，能够快速落地颠覆性海洋装备技术，重塑水下作业模式。” 从方案构思到样件成型，联合研发团队执行着一套严谨的开发验证流程，持续迭代优化技术。核心验证目标非常统一：同等深海工况下，3D打印换能器与传统制品性能相当。
团队前往全球知名的伍兹霍尔海洋研究所开展耐压测试，该机构为MITRE非营利海洋科技合作单位，其静水压试验舱可模拟4英里深海、10000磅/平方英寸的水压环境。全球近99%海域深度均在此范围内，测试充分验证了该换能器在绝大多数水下场景下的耐压可靠性。
研发阶段，团队依托MITRE仿真建模能力，提前预判各类零部件性能短板与优势，大幅缩短产品开发迭代周期；公司先进制造实验室也为本项目提供配套技术支撑。
技术行业发展展望
本次研究为海洋水下科技创新开辟了全新方向，突破了传统水下声学器件的技术壁垒。研发团队表示，该技术可进一步拓展陶瓷3D打印的高性价比应用场景，持续推动水下探测、海洋工程领域的技术升级与创新发展。
来源：俐陶智
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