像章魚一樣“變裝”的仿生材料（創(chuàng)新匯）

本報(bào)記者 李 墨

在深邃的海底世界，章魚是當(dāng)之無(wú)愧的“偽裝大師”。當(dāng)它游過(guò)珊瑚礁時(shí)，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”。人工材料能否像章魚一樣，擁有魔術(shù)般的“變裝”能力？近日，《自然》雜志發(fā)表了美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新成果，受章魚、烏賊等頭足類動(dòng)物啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型聚合物材料，首次實(shí)現(xiàn)在單一器件上對(duì)表面視覺紋理和結(jié)構(gòu)色彩的獨(dú)立、動(dòng)態(tài)調(diào)控。這項(xiàng)技術(shù)有望為動(dòng)態(tài)偽裝、自適應(yīng)顯示、智能建筑以及互動(dòng)藝術(shù)等領(lǐng)域，提供全新的解決方案。

“頭足類動(dòng)物能夠通過(guò)調(diào)控皮膚的乳突(皮膚上可伸縮的微小突起)和色素細(xì)胞改變自身紋理和顏色，這是它們實(shí)現(xiàn)驚人偽裝能力的關(guān)鍵。”該論文的共同通訊作者、斯坦福大學(xué)博士生西達(dá)爾特·多希在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示，研究團(tuán)隊(duì)一直希望能在工程材料上復(fù)現(xiàn)這一精妙的自然機(jī)制。一次偶然的發(fā)現(xiàn)讓他們找到了突破口。“我們發(fā)現(xiàn)，一塊曾在掃描電子顯微鏡下觀察過(guò)的PEDOT:PSS(一種導(dǎo)電聚合物)樣品，其被電子束照射的區(qū)域，溶脹行為(指材料接觸溶劑時(shí)因溶劑分子滲透而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象)與未照射區(qū)域截然不同。受到電子束照射的區(qū)域，其結(jié)構(gòu)變得緊致，遇水后的膨脹能力被大大抑制；而未照射的區(qū)域則能自由吸水大幅隆起。”多希說(shuō)。

這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)的探索熱情。在對(duì)材料的紋理控制上，他們利用高精度的電子束光刻工具，在聚合物薄膜上“微雕”出各種圖案。當(dāng)薄膜被浸入不同液體中時(shí)，會(huì)發(fā)生可逆的局部膨脹或收縮，從而隱藏或顯示預(yù)設(shè)的紋理圖案。在顏色控制上，則采用了一種精巧的光學(xué)結(jié)構(gòu)，將薄膜夾在兩個(gè)極薄的金屬層之間，使之構(gòu)成一個(gè)“法布里—珀羅諧振腔”(一種光學(xué)諧振裝置)。這一結(jié)構(gòu)如同給材料裝上了精密的“調(diào)音器”，可精確控制薄膜不同區(qū)域的溶脹程度，改變器件對(duì)特定顏色光的反射率，從而呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)色。

更關(guān)鍵的創(chuàng)新在于對(duì)紋理與顏色的獨(dú)立調(diào)控。“我們將‘紋理層’和‘色彩層’分別制備在超薄玻璃基板的兩面，通過(guò)向基板兩側(cè)獨(dú)立導(dǎo)入不同溶劑，便能對(duì)紋理和顏色進(jìn)行實(shí)時(shí)、獨(dú)立的調(diào)控。”多希介紹，這種設(shè)計(jì)就像為物體表面裝上了兩套可以獨(dú)立開關(guān)的系統(tǒng)，一套控制“浮雕”，一套控制“燈光”。

這種仿生材料的適用性究竟如何？實(shí)驗(yàn)表明，其響應(yīng)速度令人驚喜——完整的紋理和顏色切換可在短短20秒內(nèi)完成，并能承受超過(guò)250次循環(huán)使用而性能不減。這種適應(yīng)性和耐久性可以促其運(yùn)用于多種場(chǎng)景。比如，在動(dòng)態(tài)偽裝方面，這種材料不僅能精準(zhǔn)匹配背景顏色，還能生動(dòng)復(fù)刻背景的紋理質(zhì)感，從而達(dá)到更深層次的視覺融合。在顯示與交互領(lǐng)域，它可用來(lái)創(chuàng)造能改變物體表面質(zhì)感的“實(shí)體像素”，或開發(fā)新型防偽標(biāo)簽，只需滴加特定液體，標(biāo)簽背后隱藏的信息便會(huì)悄然浮現(xiàn)。“我們本質(zhì)上是在調(diào)控光的顏色、反射和散射等基本屬性。”多希表示，該技術(shù)還可用于控制建筑物表皮對(duì)陽(yáng)光的吸收與反射，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)能，也可創(chuàng)作出能隨環(huán)境或情緒變化的動(dòng)態(tài)面料或藝術(shù)品。

不過(guò)，從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)仍面臨不少挑戰(zhàn)。目前其驅(qū)動(dòng)方式依賴液體浸泡，在一定程度上限制了便攜性與環(huán)境適應(yīng)性。“我們已發(fā)現(xiàn)電化學(xué)手段也能驅(qū)動(dòng)類似薄膜發(fā)生溶脹。”多希表示，“未來(lái)若能實(shí)現(xiàn)全電子化控制，將極大拓展應(yīng)用場(chǎng)景。”此外，目前制備工藝所需的電子束光刻技術(shù)成本高昂。研究團(tuán)隊(duì)正在探索更經(jīng)濟(jì)的制備方法，如紫外光刻或大面積熱加工技術(shù)，以期推動(dòng)規(guī)模化應(yīng)用。

北京大學(xué)工學(xué)院教授喻俊志表示，這項(xiàng)技術(shù)的核心創(chuàng)新在于：一是通過(guò)電子束預(yù)先“編程”材料內(nèi)部的溶脹差異，讓圖案在溶劑環(huán)境變化中可控顯示與隱藏；二是采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“形變”與“變色”的獨(dú)立調(diào)控。喻俊志認(rèn)為，“這種受頭足類動(dòng)物啟發(fā)的表面動(dòng)態(tài)調(diào)控新方法，不僅為智能材料設(shè)計(jì)提供了新思路，還為仿生機(jī)器人的外觀自適應(yīng)與偽裝技術(shù)開辟了新途徑。”

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2026年03月02日 13 版)