像章魚(yú)皮膚一樣“會(huì)變形、會(huì)變色”的光子皮膚來(lái)了

在自然界中，章魚(yú)、烏賊等頭足類動(dòng)物能夠在極短時(shí)間內(nèi)改變皮膚的顏色與紋理，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境高度匹配的偽裝。這種能力并非只靠“變色”，而是同時(shí)調(diào)控顏色與表面形貌：皮膚可以從光滑瞬間變得粗糙隆起，反射光線的方式也隨之改變。相比之下，人造材料在“顏色可調(diào)”方面已有諸多進(jìn)展，但要實(shí)現(xiàn)可逆、可編程、且相互獨(dú)立的顏色與紋理動(dòng)態(tài)調(diào)控，依然是材料科學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)可變色材料往往依賴納米結(jié)構(gòu)共振，只能改變光譜成分；而可變形軟材料雖然能產(chǎn)生形貌變化，卻難以做到高對(duì)比度、精細(xì)圖案化和快速切換。如何像章魚(yú)皮膚一樣，讓一種柔性材料在“平整—立體”“無(wú)色—多彩”之間自由切換，并且做到可設(shè)計(jì)、可集成，是擺在研究者面前的一道難題。

今日，斯坦福大學(xué)Mark L. Brongersma教授聯(lián)合Siddharth Doshi共同報(bào)道了一種仿章魚(yú)皮膚的柔性光子“皮膚”材料。研究者利用導(dǎo)電高分子 PEDOT:PSS 在不同溶劑中的可逆溶脹特性，結(jié)合電子束精細(xì)寫(xiě)入技術(shù)，在材料內(nèi)部“預(yù)埋”形貌與顏色信息，使其在不同液體環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)從完全平整到三維紋理、從無(wú)對(duì)比到多彩結(jié)構(gòu)色的快速切換。更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)還通過(guò)多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了紋理與顏色的獨(dú)立調(diào)控，為動(dòng)態(tài)偽裝、可穿戴顯示和軟體機(jī)器人表面材料提供了全新思路。相關(guān)成果以“Soft photonic skins with dynamic texture and colour control”為題發(fā)表在《Nature》上，Siddharth Doshi為通訊兼一作。

章魚(yú)皮膚的靈感，正是這項(xiàng)研究的起點(diǎn)。圖1a中展示了烏賊皮膚乳突在短短1.3秒內(nèi)從平坦到隆起的變化過(guò)程，這種“平—立”切換讓皮膚在視覺(jué)和觸覺(jué)上都發(fā)生巨大改變。研究者希望在人造材料中復(fù)刻這一過(guò)程，于是將目光投向了一種常見(jiàn)卻“潛力被低估”的導(dǎo)電高分子——PEDOT:PSS（圖1b）。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)不同劑量電子束照射后，這種聚合物在水中會(huì)發(fā)生不同程度的溶脹，而在異丙醇中則幾乎保持原狀。也就是說(shuō)，只要在材料中提前寫(xiě)入“溶脹地圖”，再切換溶劑，就能讓隱藏的三維結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出來(lái)（圖1c）。

圖1：章魚(yú)皮膚快速隆起的生物學(xué)啟發(fā)，以及 PEDOT:PSS 薄膜在不同溶劑中實(shí)現(xiàn)“平—立”可逆轉(zhuǎn)變的基本原理示意。

順著這一思路，團(tuán)隊(duì)首先量化了電子束劑量與溶脹高度之間的關(guān)系（圖2a）。結(jié)果顯示，在低劑量區(qū)域，PEDOT:PSS 的體積溶脹可超過(guò)原來(lái)的8倍，而高劑量區(qū)域則被電子束“交聯(lián)鎖定”，溶脹顯著受限。這種連續(xù)可調(diào)的高度差，為后續(xù)復(fù)雜地形的編碼打下了基礎(chǔ)。研究者甚至將美國(guó)優(yōu)勝美地國(guó)家公園的“酋長(zhǎng)巖”三維地形數(shù)據(jù)寫(xiě)入到薄膜中，材料在水中溶脹后，表面竟然真的“長(zhǎng)”出了一座微縮巖壁（圖2b、2c）。當(dāng)溶劑從水換回異丙醇，這些起伏又完全消失，重新回到平整狀態(tài)（圖2e）。

圖2：電子束劑量調(diào)控 PEDOT:PSS 溶脹高度關(guān)系，以及復(fù)雜三維地形（酋長(zhǎng)巖、斯坦福校徽）的可逆寫(xiě)入與顯現(xiàn)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)尺度來(lái)到肉眼可見(jiàn)的毫米級(jí)時(shí)，材料的視覺(jué)效果開(kāi)始發(fā)生變化（圖3a、3b）。原本看似普通的一片薄膜，在水中會(huì)顯現(xiàn)出波浪狀紋理，明暗交替，仿佛一塊真實(shí)起伏的表面。這并不是顏色變化，而是表面坡度改變后，反射光線進(jìn)入人眼的角度發(fā)生了變化。進(jìn)一步將結(jié)構(gòu)尺度縮小到微米級(jí)后，材料呈現(xiàn)出類似“磨砂”和“鏡面”之間切換的效果（圖3c、3d）。角分布測(cè)量結(jié)果顯示，溶脹后的微結(jié)構(gòu)會(huì)顯著增強(qiáng)漫反射，削弱鏡面反射，使得反射圖像變得模糊（圖3e、3g），這正是“視覺(jué)紋理”被動(dòng)態(tài)調(diào)控的關(guān)鍵。

圖3：不同尺度表面紋理對(duì)視覺(jué)外觀的影響，從宏觀明暗紋理到微觀鏡面—磨砂反射的動(dòng)態(tài)切換。

在此基礎(chǔ)上，研究者又引入了光學(xué)腔結(jié)構(gòu)，將 PEDOT:PSS 夾在兩層金屬膜之間，構(gòu)建出可調(diào)諧的 Fabry–Pérot 腔（圖4a）。在平整狀態(tài)下，腔長(zhǎng)幾乎一致，表面看不出明顯顏色；而一旦材料在水中溶脹，不同區(qū)域的腔長(zhǎng)差異便轉(zhuǎn)化為豐富的結(jié)構(gòu)色（圖4b）。更重要的是，這種顏色變化是連續(xù)可調(diào)的：通過(guò)微流控系統(tǒng)精確控制水與異丙醇的比例，材料可以在多種顏色和對(duì)比度狀態(tài)之間平滑過(guò)渡（圖4c、4l），甚至主動(dòng)“匹配”不同背景，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偽裝（圖4m）。

圖4：基于 Fabry–Pérot 光學(xué)腔的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)色調(diào)控，以及通過(guò)微流控實(shí)現(xiàn)的多背景自適應(yīng)偽裝。

真正接近章魚(yú)皮膚能力的一步，出現(xiàn)在多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。研究團(tuán)隊(duì)在透明基底兩側(cè)分別構(gòu)建了“紋理層”和“顏色層”，并讓它們分別接觸不同溶劑（圖5a）。這樣一來(lái)，材料就可以實(shí)現(xiàn)三種獨(dú)立狀態(tài)切換：只有紋理、只有顏色，或者紋理與顏色同時(shí)出現(xiàn)（圖5b–5e）。這種前所未有的獨(dú)立調(diào)控能力，讓“光子皮膚”不再只是會(huì)變色的材料，而是擁有了更高層級(jí)的視覺(jué)自由度。

圖5：多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)顏色與紋理的獨(dú)立控制，展示三種不同視覺(jué)狀態(tài)的自由切換

小結(jié)

這項(xiàng)工作展示了一種全新的思路：不依賴復(fù)雜機(jī)械驅(qū)動(dòng)，也不需要精密納米執(zhí)行器，僅通過(guò)材料本身的可逆溶脹行為，就實(shí)現(xiàn)了紋理與顏色的高度可編程調(diào)控。借助成熟的電子束圖案化技術(shù)和工業(yè)上廣泛使用的 PEDOT:PSS，這種“軟光子皮膚”在顯示、信息加密、可穿戴設(shè)備以及軟體機(jī)器人等領(lǐng)域都具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用潛力。未來(lái)，若能將溶劑刺激進(jìn)一步替換為電刺激或化學(xué)刺激，真正實(shí)現(xiàn)“通電即變形、變色”，人造材料或許將首次在視覺(jué)層面，真正接近自然界的章魚(yú)皮膚。