章魚和烏賊都是偽裝高手，它們能夠瞬間改變自身皮膚的顏色和紋理。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直試圖用合成材料實(shí)現(xiàn)這種能夠迅速改變皮膚的顏色和紋理的能力。

在一項(xiàng)于近期發(fā)表在《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)朝著這一目標(biāo)邁出了重要一步：他們開發(fā)出一種新的柔性材料，能夠在短短幾秒內(nèi)膨脹成不同的紋理和顏色，并形成分辨率比人類頭發(fā)還要精細(xì)的圖樣。

如何獨(dú)立控制顏色與紋理

許多工程材料都能夠改變顏色，也有許多材料可以改變形狀，但幾乎沒(méi)有材料能夠彼此獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)這兩種變化。

例如，一些人造的變色表面通常采用結(jié)構(gòu)色機(jī)制，這意味著顏色來(lái)源于微米、納米級(jí)的尺度結(jié)構(gòu)與光的相互作用；還有一些工程材料在受到拉伸時(shí)會(huì)形成褶皺，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)紋理。然而，這些光學(xué)響應(yīng)與力學(xué)響應(yīng)通常是彼此相互影響的：一種會(huì)改變表面粗糙度的形變，往往也會(huì)同時(shí)改變反射顏色，使得很難在不干擾另一種性質(zhì)的情況下調(diào)控其中一種性質(zhì)。

因此，想要實(shí)現(xiàn)類似章魚那樣對(duì)顏色和紋理進(jìn)行彼此獨(dú)立調(diào)控的能力，一直是自適應(yīng)材料設(shè)計(jì)中的核心挑戰(zhàn)。

用電子束制造可逆紋理

為了達(dá)成這一目標(biāo)，在新的研究中，研究人員使用了一種名為PEDOT:PSS的導(dǎo)電聚合物。之所以選擇這種材料，是因?yàn)樗谂c水接觸時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹，而且這種膨脹是可逆的；而當(dāng)這種材料暴露在其他液體中時(shí)，它會(huì)釋放所吸收的水分并重新收縮。

此外，這種材料的膨脹程度可以通過(guò)電子束照射來(lái)改變PEDOT:PSS的吸水性，接受低劑量電子束照射的區(qū)域會(huì)吸收水分并發(fā)生膨脹，而受到高劑量照射的區(qū)域則保持相對(duì)平坦。因此，通過(guò)向PEDOT:PSS薄膜照射電子束，研究人員就能調(diào)控材料特定區(qū)域的膨脹程度。

此前，研究團(tuán)隊(duì)使用掃描電子顯微鏡，來(lái)觀察他們?cè)赑EDOT:PSS薄膜表面制備的納米結(jié)構(gòu)。通常，這些樣品在完成成像后就會(huì)被丟棄，但研究人員決定將它們重新利用，而不是重新制備新樣品。

而就在隨后的一組測(cè)試中，那些經(jīng)過(guò)了掃描電子顯微鏡成像的薄膜區(qū)域，表現(xiàn)出了不同的行為，并呈現(xiàn)出不同的顏色。這一偶然的發(fā)現(xiàn)讓研究人員意識(shí)到，可以利用這些電子束在非常精細(xì)的尺度上控制表面形貌。

用于調(diào)色的光學(xué)腔

為了控制薄膜表面的顏色，研究人員還將一層PEDOT:PSS薄膜夾置于兩層金膜之間，構(gòu)建出一種稱為光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)光照射到這一結(jié)構(gòu)上時(shí)，一小部分光會(huì)透過(guò)頂部金層進(jìn)入腔體，并在兩層金屬之間多次反射。其中一部分光會(huì)再次從頂部表面逸出，并與從頂部金層直接反射的光發(fā)生干涉。腔體厚度的不同會(huì)使特定波長(zhǎng)的光相較于其他波長(zhǎng)被更強(qiáng)烈地增強(qiáng)或抑制，從而產(chǎn)生清晰可控的反射顏色。

PEDOT:PSS薄膜在水中發(fā)生膨脹，會(huì)改變兩層金膜之間的距離，從而調(diào)節(jié)反射顏色。通過(guò)將薄膜浸入異丙醇中，可以逆轉(zhuǎn)其在水中的膨脹過(guò)程，從而使相應(yīng)的光學(xué)變化恢復(fù)原狀。

動(dòng)態(tài)可能性

尤為令人振奮的成果是，研究人員制造了一種“光子皮膚”，其顏色和紋理可以彼此獨(dú)立地加以控制，使其幾乎可以像章魚一樣靈活地與背景圖樣實(shí)現(xiàn)偽裝。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員將PEDOT:PSS薄膜分別附著在一個(gè)透明襯底的兩側(cè)。其中一層PEDOT:PSS薄膜被夾于兩層金膜之間，構(gòu)成光學(xué)腔結(jié)構(gòu)；而另一層PEDOT:PSS薄膜則僅覆蓋一層金膜。

人造光子皮膚。（圖/Nature）

帶有單一金膜層的一側(cè)負(fù)責(zé)控制光子皮膚的可見紋理，而光學(xué)腔所在的一側(cè)則用于調(diào)控其顏色。通過(guò)將這個(gè)裝置的每一側(cè)分別暴露于水或異丙醇中，研究人員展示了四種彼此區(qū)分的視覺狀態(tài)：

1、既無(wú)紋理也無(wú)顏色圖樣，

2、僅有紋理圖樣，

3、僅有顏色圖樣，

4、同時(shí)呈現(xiàn)紋理和顏色圖樣。

潛在應(yīng)用

這項(xiàng)研究成果有望為人類和機(jī)器人系統(tǒng)帶來(lái)更高效的動(dòng)態(tài)偽裝，并可能推動(dòng)用于可穿戴技術(shù)的柔性變色顯示器的開發(fā)。此外，它也為納米光子學(xué)領(lǐng)域打開了新的機(jī)遇。納米光子學(xué)通過(guò)對(duì)光和光學(xué)過(guò)程的精確操控，推動(dòng)電子學(xué)、加密、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

目前，要讓薄膜精確匹配背景圖樣，研究人員仍需手動(dòng)調(diào)節(jié)水與溶劑的配比，以獲得合適的表面形貌和顏色。因此，研究團(tuán)隊(duì)希望未來(lái)能通過(guò)引入計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，使其能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)薄膜的膨脹程度，從而與多種不同背景實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)融合。

研究人員還對(duì)其他應(yīng)用前景充滿興趣。例如，精細(xì)尺度的紋理變化可用于增加或降低摩擦力，這可以決定一個(gè)小型機(jī)器人是能夠附著在表面上，還是會(huì)從表面滑過(guò)。納米尺度的結(jié)構(gòu)還可以影響細(xì)胞的響應(yīng)方式，因此這些技術(shù)也可能在生物工程領(lǐng)域發(fā)揮作用。

#參考來(lái)源：

https://news.stanford.edu/stories/2026/01/flexible-material-changes-color-texture-camouflage-robotics-research

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03984-8

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09948-2

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Siddharth Doshi