传统防伪标签多基于确定性工艺制造，因而极易遭受伪造攻击。物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function, PUF）作为一种硬件防伪技术，因其固有的随机性与不可复制性，近年来受到广泛关注。然而，现有PUF标签大多依赖复杂纳米结构，存在制备成本高、设备依赖性强等问题，限制了其规模化应用。尽管已有研究尝试利用薄膜-基底双层结构的表面失稳行为（如褶皱）构建防伪标签，但这些方法在随机性、可控性、成本效益与认证鲁棒性之间仍难以兼顾，制约了其实际推广。
南京航空航天大学潘蕾教授与张浩然副教授团队提出了一种融合传统“水印”理念与前沿PUF技术的新型防伪标签。该技术通过一步水溶胀法，调控聚乙烯醇/聚二甲基硅氧烷（PVA/PDMS）双层膜的表面屈曲-分层行为，生成具有类叶脉状结构的毫米级防伪水印图案。该图案兼具高随机性、唯一性和不可逆性，且其尺寸与形貌可通过工艺参数灵活调控，从而精准适配不同安全等级的编码容量需求。值得强调的是，该水印图案展现出类指纹的微观细节特征，能够与计算机视觉特征匹配算法高度兼容，仅借助智能手机或平板扫描仪等普通设备即可实现高效、精准认证，无需依赖昂贵仪器。此外，封装后的水印图案在紫外、水浸及高温高湿等苛刻环境下仍保持优异稳定性，充分满足实际应用需求；该标签同时具备透明性与柔韧性，可无缝贴附于各类物体表面，不影响产品外观与功能。
2025年10月16日，相关成果以“Physical Unclonable Anti-Counterfeiting ‘Watermarks’ via Swelling-Induced Buckling-Delamination in Polymer Bilayers for Portable and Robust Authentication”为题发表于《Advanced Functional Materials》(DOI: 10.1002/adfm.202515860)。本研究获得国家自然科学基金支持，南京航空航天大学硕士研究生杜良政为论文第一作者，张浩然副教授为通讯作者。
图1. PUF水印的设计与制备。（a）水溶胀诱导PVA/PDMS双层膜发生屈曲-分层，形成类叶脉状水印图案。（b, c）水印图案形成过程及机理。（d）屈曲-分层过程的有限元模拟结果。
该水印图案的关键形成机理在于聚合物双层膜屈曲-分层现象的可控诱导。通过在PVA/PDMS表面滴加水或水-乙醇混合液滴，可诱导PVA层吸水膨胀，进而在界面产生压缩应力，触发屈曲-分层失稳，最终形成类叶脉状随机网状图案，溶剂蒸发后水印图案永久固定。具体而言，其形成机理在于PVA吸水膨胀受到PDMS弹性约束所引发的力学失稳，当应力超过临界值时，PVA层发生屈曲并与PDMS分层，形成具有“Ω”形截面的微脊结构。
图2.PUF水印的几何形貌调控。（a-c）典型水印图案的微观形貌表征。（d-f）水印图案几何参数的系统调控。（g, h）水印图案形状的可控设计。
该水印图案的突出优势在于其兼具随机性与可控性。水印图案的尺寸、起伏高度及间距等几何特征可通过PVA膜厚、液滴体积和乙醇含量等参数实现有效调控；图案形状亦可设计为心形、三角形或logo字母等任意图形。相较于常规褶皱结构，屈曲-分层结构具有更高的形貌起伏和不可逆性，因而展现出优异的物理不可克隆特性。水印在保持纹理随机性和不可再现性的同时，兼具高度的几何可调性和设计自由度。
图3.PUF水印的特征点提取与分析。（a-d）水印图案中“指纹”特征点的识别示意图。（e）“指纹”特征点的识别判据。（f-h）水印图案特征点密度的调控。
水印图案具有与人类指纹高度相似的特征结构，因此可以借鉴指纹识别方法进行特征提取。研究中利用指纹识别方法的“方向场”判据进行特征点识别与提取，包括分叉点与断点。特征点统计结果表明，其密度可在一定范围内灵活调控，从而适应不同应用场景下的安全等级需求。
图4.PUF水印图案的认证流程与鲁棒性。（a）水印图案认证过程流程图。（b-c）计算机视觉特征匹配结果示例。（d-f）同一批次20个水印图案的相似度认证结果。（g, h）水印图案识别鲁棒性验证。
该水印图案能够与成熟的计算机视觉特征比对方法良好兼容。采用计算机视觉算法提取水印图案的细节特征，并与数据库中已注册标签进行比对：若相似度超过预设阈值，则判定为“真品”，否则为“赝品”。同一批次20个水印样品的认证结果显示，样本内相似度接近100%，样本间相似度低于40%，充分证明水印图案的唯一性与随机性。此外，该算法具备良好的鲁棒性，即使面对旋转、明暗变化或部分残缺的水印图案，仍能实现精准识别与认证。
图5. 防伪水印的应用便携性与稳定性展示。（a-f）基于手机或扫描仪的水印特征采集与认证结果。（g）水印标签的环境稳定性测试。（h）水印标签的透明性和柔韧性展示。（i）水印标签在实际物品上的贴附应用示例。
该水印图案的特征采集与识别无需依赖高分辨率光学或电子显微镜，仅使用智能手机或家用扫描仪即可完成图像采集，且不影响识别与认证效果，显著降低了使用门槛。此外，水印防伪标签具备优异的耐紫外光、耐高温和耐水性能，同时兼具良好的透明度与柔韧性，可贴附于各类物品表面，实现高效、低成本的便携式防伪认证。
综上所述，本研究在防伪标签的安全性、成本与实用性之间取得了关键突破，推动了PUF防伪技术的发展，为构建稳健、易用且广泛适用的防伪认证体系提供了创新设计思路。
文章链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202515860
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