傳統(tǒng)防偽標(biāo)簽多基于確定性工藝制造，因而極易遭受偽造攻擊。物理不可克隆函數(shù)（Physical Unclonable Function, PUF）作為一種硬件防偽技術(shù)，因其固有的隨機(jī)性與不可復(fù)制性，近年來受到廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有PUF標(biāo)簽大多依賴復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)，存在制備成本高、設(shè)備依賴性強(qiáng)等問題，限制了其規(guī)模化應(yīng)用。盡管已有研究嘗試利用薄膜-基底雙層結(jié)構(gòu)的表面失穩(wěn)行為（如褶皺）構(gòu)建防偽標(biāo)簽，但這些方法在隨機(jī)性、可控性、成本效益與認(rèn)證魯棒性之間仍難以兼顧，制約了其實(shí)際推廣。
南京航空航天大學(xué)潘蕾教授與張浩然副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種融合傳統(tǒng)“水印”理念與前沿PUF技術(shù)的新型防偽標(biāo)簽。該技術(shù)通過一步水溶脹法，調(diào)控聚乙烯醇/聚二甲基硅氧烷（PVA/PDMS）雙層膜的表面屈曲-分層行為，生成具有類葉脈狀結(jié)構(gòu)的毫米級防偽水印圖案。該圖案兼具高隨機(jī)性、唯一性和不可逆性，且其尺寸與形貌可通過工藝參數(shù)靈活調(diào)控，從而精準(zhǔn)適配不同安全等級的編碼容量需求。值得強(qiáng)調(diào)的是，該水印圖案展現(xiàn)出類指紋的微觀細(xì)節(jié)特征，能夠與計(jì)算機(jī)視覺特征匹配算法高度兼容，僅借助智能手機(jī)或平板掃描儀等普通設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)認(rèn)證，無需依賴昂貴儀器。此外，封裝后的水印圖案在紫外、水浸及高溫高濕等苛刻環(huán)境下仍保持優(yōu)異穩(wěn)定性，充分滿足實(shí)際應(yīng)用需求；該標(biāo)簽同時(shí)具備透明性與柔韌性，可無縫貼附于各類物體表面，不影響產(chǎn)品外觀與功能。
2025年10月16日，相關(guān)成果以“Physical Unclonable Anti-Counterfeiting ‘Watermarks’ via Swelling-Induced Buckling-Delamination in Polymer Bilayers for Portable and Robust Authentication”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202515860)。本研究獲得國家自然科學(xué)基金支持，南京航空航天大學(xué)碩士研究生杜良政為論文第一作者，張浩然副教授為通訊作者。
圖1. PUF水印的設(shè)計(jì)與制備。（a）水溶脹誘導(dǎo)PVA/PDMS雙層膜發(fā)生屈曲-分層，形成類葉脈狀水印圖案。（b, c）水印圖案形成過程及機(jī)理。（d）屈曲-分層過程的有限元模擬結(jié)果。
該水印圖案的關(guān)鍵形成機(jī)理在于聚合物雙層膜屈曲-分層現(xiàn)象的可控誘導(dǎo)。通過在PVA/PDMS表面滴加水或水-乙醇混合液滴，可誘導(dǎo)PVA層吸水膨脹，進(jìn)而在界面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，觸發(fā)屈曲-分層失穩(wěn)，最終形成類葉脈狀隨機(jī)網(wǎng)狀圖案，溶劑蒸發(fā)后水印圖案永久固定。具體而言，其形成機(jī)理在于PVA吸水膨脹受到PDMS彈性約束所引發(fā)的力學(xué)失穩(wěn)，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值時(shí)，PVA層發(fā)生屈曲并與PDMS分層，形成具有“Ω”形截面的微脊結(jié)構(gòu)。
圖2.PUF水印的幾何形貌調(diào)控。（a-c）典型水印圖案的微觀形貌表征。（d-f）水印圖案幾何參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)控。（g, h）水印圖案形狀的可控設(shè)計(jì)。
該水印圖案的突出優(yōu)勢在于其兼具隨機(jī)性與可控性。水印圖案的尺寸、起伏高度及間距等幾何特征可通過PVA膜厚、液滴體積和乙醇含量等參數(shù)實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控；圖案形狀亦可設(shè)計(jì)為心形、三角形或logo字母等任意圖形。相較于常規(guī)褶皺結(jié)構(gòu)，屈曲-分層結(jié)構(gòu)具有更高的形貌起伏和不可逆性，因而展現(xiàn)出優(yōu)異的物理不可克隆特性。水印在保持紋理隨機(jī)性和不可再現(xiàn)性的同時(shí)，兼具高度的幾何可調(diào)性和設(shè)計(jì)自由度。
圖3.PUF水印的特征點(diǎn)提取與分析。（a-d）水印圖案中“指紋”特征點(diǎn)的識別示意圖。（e）“指紋”特征點(diǎn)的識別判據(jù)。（f-h）水印圖案特征點(diǎn)密度的調(diào)控。
水印圖案具有與人類指紋高度相似的特征結(jié)構(gòu)，因此可以借鑒指紋識別方法進(jìn)行特征提取。研究中利用指紋識別方法的“方向場”判據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)識別與提取，包括分叉點(diǎn)與斷點(diǎn)。特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，其密度可在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)控，從而適應(yīng)不同應(yīng)用場景下的安全等級需求。
圖4.PUF水印圖案的認(rèn)證流程與魯棒性。（a）水印圖案認(rèn)證過程流程圖。（b-c）計(jì)算機(jī)視覺特征匹配結(jié)果示例。（d-f）同一批次20個(gè)水印圖案的相似度認(rèn)證結(jié)果。（g, h）水印圖案識別魯棒性驗(yàn)證。
該水印圖案能夠與成熟的計(jì)算機(jī)視覺特征比對方法良好兼容。采用計(jì)算機(jī)視覺算法提取水印圖案的細(xì)節(jié)特征，并與數(shù)據(jù)庫中已注冊標(biāo)簽進(jìn)行比對：若相似度超過預(yù)設(shè)閾值，則判定為“真品”，否則為“贗品”。同一批次20個(gè)水印樣品的認(rèn)證結(jié)果顯示，樣本內(nèi)相似度接近100%，樣本間相似度低于40%，充分證明水印圖案的唯一性與隨機(jī)性。此外，該算法具備良好的魯棒性，即使面對旋轉(zhuǎn)、明暗變化或部分殘缺的水印圖案，仍能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識別與認(rèn)證。
圖5. 防偽水印的應(yīng)用便攜性與穩(wěn)定性展示。（a-f）基于手機(jī)或掃描儀的水印特征采集與認(rèn)證結(jié)果。（g）水印標(biāo)簽的環(huán)境穩(wěn)定性測試。（h）水印標(biāo)簽的透明性和柔韌性展示。（i）水印標(biāo)簽在實(shí)際物品上的貼附應(yīng)用示例。
該水印圖案的特征采集與識別無需依賴高分辨率光學(xué)或電子顯微鏡，僅使用智能手機(jī)或家用掃描儀即可完成圖像采集，且不影響識別與認(rèn)證效果，顯著降低了使用門檻。此外，水印防偽標(biāo)簽具備優(yōu)異的耐紫外光、耐高溫和耐水性能，同時(shí)兼具良好的透明度與柔韌性，可貼附于各類物品表面，實(shí)現(xiàn)高效、低成本的便攜式防偽認(rèn)證。
綜上所述，本研究在防偽標(biāo)簽的安全性、成本與實(shí)用性之間取得了關(guān)鍵突破，推動了PUF防偽技術(shù)的發(fā)展，為構(gòu)建穩(wěn)健、易用且廣泛適用的防偽認(rèn)證體系提供了創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。
文章鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202515860
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