當(dāng)章魚游過珊瑚礁時(shí)，它的皮膚幾乎在瞬間就能從米色變得灰褐，質(zhì)感也從光滑變得粗糙，與周圍巖石的紋理和色彩完美融合。這種魔術(shù)般的偽裝能力，一直讓科學(xué)家們著迷卻又難以復(fù)制。

圖 | 藏在珊瑚中的擬態(tài)章魚（來源：scholastic）

近日，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在 Nature 雜志上發(fā)表的最新研究，讓人類距離這個(gè)目標(biāo)又近了一大步。從章魚、墨魚等頭足類動(dòng)物身上獲得靈感，他們開發(fā)出了一種柔性聚合物薄膜，能夠在數(shù)秒內(nèi)同時(shí)改變表面的紋理和顏色，分辨率達(dá)到納米級(jí)別。

（來源：Nature）

這項(xiàng)發(fā)表于1 月 8 日的研究，由斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授 Mark L. Brongersma 領(lǐng)銜，博士生 Siddharth Doshi 擔(dān)任第一作者。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種“光子皮膚”（photonic skin）采用了一種看似簡單卻巧妙的設(shè)計(jì)：它是一層可以吸水膨脹的聚合物薄膜，通過遇水膨脹來呈現(xiàn)出預(yù)先編程的圖案與色彩。

這一材料的誕生帶有幾分偶然性。在早前的一個(gè)項(xiàng)目中，Doshi 曾用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM），一種利用聚焦電子束來生成高分辨率圖像的設(shè)備，來檢查他們?cè)诰酆衔锉∧け砻嬷谱鞯募{米結(jié)構(gòu)。

原本，利用電子束只是為了放大觀察。但團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)，在觀察過程中，這些電子束實(shí)際上改變了聚合物的吸水性。具體來說，電子束引發(fā)了聚合物鏈的“交聯(lián)”（crosslinking）反應(yīng)，就像把松散的海綿纖維捆綁在一起。

受到高劑量電子束照射的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)變得緊致，遇水后的膨脹能力被大大抑制；而未照射或低劑量照射的區(qū)則能自由吸水大幅隆起。這種反向控制機(jī)制，讓研究人員可以在薄膜上“雕刻”出高分辨率的起伏圖案。

于是，研究團(tuán)隊(duì)決定將這一意外發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為可控技術(shù)。他們采用了電子束光刻（electron－beam lithography, EBL）技術(shù)，也就是在半導(dǎo)體制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的圖案化技術(shù)。并將其與一種能夠吸水膨脹的聚合物薄膜相結(jié)合。

這種材料叫做 PEDOT:PSS，即聚（3,4－乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（poly(3,4－ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）。它是一種導(dǎo)電聚合物，可以應(yīng)用在太陽能電池板和可印刷電子產(chǎn)品中。在材料吸水膨脹后，通過改變電子束的強(qiáng)度，就像調(diào)節(jié)畫筆的力度一樣，研究人員可以在薄膜上刻寫高分辨率圖案，控制不同區(qū)域的膨脹程度。

圖 | PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)（來源：encyclopedia）

但若要達(dá)成微縮模型般細(xì)膩的連續(xù)起伏，僅靠單純“吸水膨脹”是無法實(shí)現(xiàn)的。 研究團(tuán)隊(duì)引入了異丙醇（IPA）作為調(diào)節(jié)劑，它能有效抑制聚合物的膨脹。通過調(diào)節(jié)流過表面的液體中水與 IPA 的比例，就像旋轉(zhuǎn)調(diào)光旋鈕一樣，可以精準(zhǔn)控制膨脹的幅度。為了展示這種精度，團(tuán)隊(duì)甚至將高聳的美國約塞米蒂國家公園的“酋長巖”在薄膜上完美重現(xiàn)。

（來源：Nature）

在掌握了“變形”之后，團(tuán)隊(duì)利用光的干涉原理，讓這層皮膚擁有了“變色”的能力。 他們?cè)诰酆衔锉∧蓚?cè)沉積了極?。?0nm）的金原子層，構(gòu)建出“法布里－珀羅諧振腔”（Fabry–Pérot cavities）。

這就好比一個(gè)微型的光學(xué)三明治：當(dāng)中間的聚合物吸水膨脹變厚時(shí)，兩層金膜（鏡子）的間距被推遠(yuǎn)，反射光的顏色便隨之改變。這意味著，無需更換材料，僅靠調(diào)節(jié)混合溶劑引發(fā)的膨脹程度，就能讓原本單色的薄膜瞬間變幻出色彩斑斕的圖案。

然而，真正的偽裝大師需要隨心所欲地組合這兩項(xiàng)技能，而不是讓顏色被迫隨著紋理改變。為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種雙層裝置，將產(chǎn)生紋理的層和產(chǎn)生顏色的層分別置于透明基底的兩側(cè)，并讓它們接觸獨(dú)立的液體通道。這樣，研究人員就能像章魚一樣，根據(jù)環(huán)境需求單獨(dú)開啟紋理、變換顏色，或者兩者同時(shí)配合。

（來源：Nature）

論文數(shù)據(jù)來看，這種轉(zhuǎn)變不僅迅速（90% 的顏色轉(zhuǎn)換在 10 秒內(nèi)完成），而且極具耐用性，在經(jīng)歷數(shù)百次循環(huán)后性能依然穩(wěn)定。

那么這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景是什么呢？最直觀的應(yīng)用當(dāng)然是偽裝。無論是用于軍事領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)偽裝系統(tǒng)，還是用于軟體機(jī)器人的自適應(yīng)外觀，這種能夠快速改變顏色和紋理的材料都能發(fā)揮重要作用。

想象一個(gè)搜救機(jī)器人，它可以根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整外觀，在廢墟中穿行時(shí)模仿周圍的碎石和混凝土，避免驚擾受困人員；或者一個(gè)野生動(dòng)物觀察設(shè)備，能夠完美融入森林或海洋環(huán)境而不干擾動(dòng)物的自然行為。

但研究團(tuán)隊(duì)的視野遠(yuǎn)不止于偽裝。紋理的細(xì)微變化可以用來增加或減少摩擦力，這對(duì)于確定小型機(jī)器人是否能附著在光滑的玻璃表面上，或是快速滑過障礙物非常關(guān)鍵。而在生物工程領(lǐng)域，納米級(jí)結(jié)構(gòu)能夠改變細(xì)胞的反應(yīng)方式——細(xì)胞就像有觸覺的微小生物，會(huì)對(duì)接觸表面的紋理做出不同反應(yīng)。因此這些技術(shù)可能在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中找到用武之地。

顯示技術(shù)是另一個(gè)極具潛力的應(yīng)用方向。當(dāng)前的屏幕技術(shù)主要依賴發(fā)光像素，很難再現(xiàn)從光澤到啞光的各種質(zhì)感效果。你可能注意到，即使是最先進(jìn)的顯示器，也很難真實(shí)展現(xiàn)絲綢的光澤或天鵝絨的柔和質(zhì)感，因?yàn)樗鼈冎荒芨淖冾伾土炼?，無法改變表面紋理。而這種結(jié)構(gòu)色材料恰恰能夠填補(bǔ)這一空白。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想，未來的可穿戴設(shè)備可能配備這種柔性、可變色的顯示屏，不僅能顯示信息，還能改變質(zhì)感，提供更豐富的觸覺和視覺體驗(yàn)。Doshi 強(qiáng)調(diào)：“紋理對(duì)于我們體驗(yàn)物體的方式至關(guān)重要，無論是它們的外觀還是觸感。這些動(dòng)物能夠在接近微米尺度上物理改變自己的身體，而現(xiàn)在我們可以在同樣的尺度上動(dòng)態(tài)控制材料的表面形貌——以及與之相關(guān)的視覺特性?！?/p>

（來源：Nano Banana Pro）

藝術(shù)領(lǐng)域也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始與斯坦福大學(xué)的藝術(shù)家合作，計(jì)劃用這些材料創(chuàng)作展覽。一個(gè)能夠隨著環(huán)境濕度變化而改變外觀的雕塑，或是一面能夠呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖案的墻面，將為藝術(shù)表達(dá)提供全新的媒介。Melosh 教授對(duì)此充滿期待：“我認(rèn)為會(huì)有很多令人興奮的事情即將到來?！?/p>

當(dāng)然，任何新技術(shù)在走向大規(guī)模應(yīng)用之前都面臨挑戰(zhàn)。例如對(duì)電子束光刻來制作材料以及使用微流控技術(shù)來驅(qū)動(dòng)它，增加了復(fù)雜性，可能會(huì)限制制造和可擴(kuò)展性。

不過 Brongersma 對(duì)此持樂觀態(tài)度，他指出光刻和微流控技術(shù)在半導(dǎo)體和顯示器行業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟。事實(shí)上，電子控制液體已經(jīng)應(yīng)用于 Kindle 等電子閱讀器的電子墨水屏中，一些初創(chuàng)公司也正在將其他基于液體的電潤濕顯示器商業(yè)化。Doshi 補(bǔ)充說，這些技術(shù)在行業(yè)中已經(jīng)是常規(guī)手段，并非實(shí)驗(yàn)室條件才能做到。

目前這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)還有局限性。每件裝置目前只能呈現(xiàn)單一的預(yù)先編程圖案，無法像真正的章魚那樣實(shí)時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化并生成任意圖案。但研究團(tuán)隊(duì)表示，未來版本有望實(shí)現(xiàn)多圖案顯示、電子控制以及大規(guī)模生產(chǎn)。他們正在探索如何將多個(gè)不同圖案層疊在一起，或是開發(fā)電控液體系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)更靈活的圖案切換。

當(dāng)軟體機(jī)器人披上這層變色外衣，當(dāng)我們的電子設(shè)備能夠像生物一樣靈活地改變外觀，當(dāng)建筑物的外墻可以根據(jù)季節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)色彩與質(zhì)感……這些曾經(jīng)屬于科幻小說的場(chǎng)景，正在逐步變?yōu)橛|手可及的現(xiàn)實(shí)。屆時(shí)，這不僅是材料科學(xué)的進(jìn)步，更是人類向自然學(xué)習(xí)、與自然和諧共處智慧的體現(xiàn)。

https://www.ft.com/content/c142ca88-ae15-4300-a045-47802c534fad

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09948-2

排版：KIK