创新汇｜像章鱼一样“变装”的仿生材料

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    人民日报记者 李墨
    在深邃的海底世界，章鱼是当之无愧的“伪装大师”。当它游过珊瑚礁时，皮肤几乎在瞬间就能从米色变得灰褐，质感也从光滑变得粗糙，与周围岩石的纹理和色彩“完美融合”。人工材料能否像章鱼一样，拥有魔术般的“变装”能力？近日，《自然》杂志发表了美国斯坦福大学研究团队的一项新成果，受章鱼、乌贼等头足类动物启发，团队开发出一种新型聚合物材料，首次实现在单一器件上对表面视觉纹理和结构色彩的独立、动态调控。这项技术有望为动态伪装、自适应显示、智能建筑以及互动艺术等领域，提供全新的解决方案。
    “头足类动物能够通过调控皮肤的乳突（皮肤上可伸缩的微小突起）和色素细胞改变自身纹理和颜色，这是它们实现惊人伪装能力的关键。”该论文的共同通讯作者、斯坦福大学博士生西达尔特·多希在接受本报记者采访时表示，研究团队一直希望能在工程材料上复现这一精妙的自然机制。一次偶然的发现让他们找到了突破口。“我们发现，一块曾在扫描电子显微镜下观察过的PEDOTSS（一种导电聚合物）样品，其被电子束照射的区域，溶胀行为（指材料接触溶剂时因溶剂分子渗透而发生的膨胀现象）与未照射区域截然不同。受到电子束照射的区域，其结构变得紧致，遇水后的膨胀能力被大大抑制；而未照射的区域则能自由吸水大幅隆起。”多希说。
    这一发现激发了研究团队的探索热情。在对材料的纹理控制上，他们利用高精度的电子束光刻工具，在聚合物薄膜上“微雕”出各种图案。当薄膜被浸入不同液体中时，会发生可逆的局部膨胀或收缩，从而隐藏或显示预设的纹理图案。在颜色控制上，则采用了一种精巧的光学结构，将薄膜夹在两个极薄的金属层之间，使之构成一个“法布里—珀罗谐振腔”（一种光学谐振装置）。这一结构如同给材料装上了精密的“调音器”，可精确控制薄膜不同区域的溶胀程度，改变器件对特定颜色光的反射率，从而呈现不同的结构色。
    更关键的创新在于对纹理与颜色的独立调控。“我们将‘纹理层’和‘色彩层’分别制备在超薄玻璃基板的两面，通过向基板两侧独立导入不同溶剂，便能对纹理和颜色进行实时、独立的调控。”多希介绍，这种设计就像为物体表面装上了两套可以独立开关的系统，一套控制“浮雕”，一套控制“灯光”。
    这种仿生材料的适用性究竟如何？实验表明，其响应速度令人惊喜——完整的纹理和颜色切换可在短短20秒内完成，并能承受超过250次循环使用而性能不减。这种适应性和耐久性可以促其运用于多种场景。比如，在动态伪装方面，这种材料不仅能精准匹配背景颜色，还能生动复刻背景的纹理质感，从而达到更深层次的视觉融合。在显示与交互领域，它可用来创造能改变物体表面质感的“实体像素”，或开发新型防伪标签，只需滴加特定液体，标签背后隐藏的信息便会悄然浮现。“我们本质上是在调控光的颜色、反射和散射等基本属性。”多希表示，该技术还可用于控制建筑物表皮对阳光的吸收与反射，实现智能节能，也可创作出能随环境或情绪变化的动态面料或艺术品。
    不过，从实验室走向现实，这项技术仍面临不少挑战。目前其驱动方式依赖液体浸泡，在一定程度上限制了便携性与环境适应性。“我们已发现电化学手段也能驱动类似薄膜发生溶胀。”多希表示，“未来若能实现全电子化控制，将极大拓展应用场景。”此外，目前制备工艺所需的电子束光刻技术成本高昂。研究团队正在探索更经济的制备方法，如紫外光刻或大面积热加工技术，以期推动规模化应用。
    北京大学工学院教授喻俊志表示，这项技术的核心创新在于：一是通过电子束预先“编程”材料内部的溶胀差异，让图案在溶剂环境变化中可控显示与隐藏；二是采用双层结构设计，实现了“形变”与“变色”的独立调控。喻俊志认为，“这种受头足类动物启发的表面动态调控新方法，不仅为智能材料设计提供了新思路，还为仿生机器人的外观自适应与伪装技术开辟了新途径。”

来源：人民日报