仿生聚合物材料实现动态变色变纹理 科研突破为智能应用开辟新路径

问题:如何让材料像章鱼一样“会变装” 在海洋环境中,章鱼、乌贼等头足类动物能够同时改变皮肤的表面起伏与颜色分布,从而实现与背景纹理、明暗和色彩的快速匹配。

这种“颜色+质感”同步伪装能力,长期以来是仿生材料研究的重要目标。

传统可变色材料多聚焦于色彩变化,而对触感与视觉纹理的可控调节相对薄弱;即便能实现形貌改变,也常与颜色调控相互耦合,难以在同一器件中实现“各管各的”。

原因:材料内部“可编程溶胀差异”带来关键突破 据论文介绍,研究团队在实验中发现,一种常见导电聚合物薄膜在接受电子束照射后,局部结构会变得更致密,遇水等溶剂时溶胀受到明显抑制;未照射区域则更易吸液膨胀。

基于这一现象,团队利用高精度电子束工具对薄膜进行图案化处理,相当于在材料内部预先“写入”不同的溶胀响应。

薄膜置于不同液体环境时,特定区域发生可逆隆起或回落,预设纹理即可实现隐藏与显现的切换。

在颜色调控方面,团队引入光学谐振结构:在薄膜两侧设置极薄金属层,构成法布里—珀罗谐振腔。

该结构可通过溶胀程度的变化调节对特定波段光的反射,从而呈现不同结构色。

更具代表性的创新在于器件结构设计:研究人员将“纹理层”和“色彩层”分别制备在超薄玻璃基板两面,并通过向两侧分别导入不同溶剂,实现纹理与颜色的实时独立控制,避免相互牵制。

影响:从“变色”走向“变色+变形”的新路径 实验结果显示,该器件完成一次纹理与颜色切换约需20秒,并能在超过250次循环中保持性能稳定。

这意味着材料有望从单一视觉效果迈向更接近自然伪装的综合呈现:不仅匹配背景色,还能复刻粗糙、颗粒、条纹等表面质感,增强视觉融合度。

业内人士认为,这一思路对多个应用场景具有启发意义。

在显示与交互方面,可构建兼具颜色与触觉暗示的“实体像素”,推动新型人机交互界面探索;在防伪领域,可利用特定液体触发隐藏信息显现,提高伪造门槛;在建筑与工业设计中,若能精细调控反射与散射特性,有望用于调节表皮对太阳辐射的吸收与反射,服务节能与环境适配。

对策:破解“液体驱动”和“高成本工艺”两道关 从实验室走向应用落地,仍需跨越关键工程化障碍。

其一,目前器件主要依赖液体浸泡或导液实现响应,便携性、密封性与复杂环境适应能力有待提升。

研究团队表示,已观察到电化学方式同样可以驱动薄膜产生溶胀响应,下一步若实现全电子化控制,有望显著拓展应用边界,满足穿戴、车载、户外等场景需求。

其二,电子束光刻精度高但成本昂贵、效率有限,制约大面积制造。

团队正尝试以紫外光刻、大面积热加工等更经济路线替代部分工序,以提高产能并降低单位成本,推动规模化验证与产业化对接。

前景:仿生表面工程或打开“自适应外观”产业空间 北京大学工学院教授喻俊志表示,该成果的核心价值在于两点:一是通过预先“编程”材料内部溶胀差异,使纹理图案可控显示与隐藏;二是以双层结构实现形变与变色的解耦控制,提升了系统设计自由度。

业内预计,随着驱动方式电控化、制造工艺规模化以及耐久性进一步提升,此类仿生动态表面有望在自适应显示、智能建材、柔性交互与高等级防伪等方向形成新的技术平台,并带动材料、器件与系统集成的协同创新。

这项跨学科研究的突破,不仅展现了仿生学对材料创新的深远影响,更揭示了自然界进化智慧与现代科技融合的巨大潜力。

正如深海章鱼用伪装艺术演绎生存智慧,人类正通过学习自然法则,在智能材料领域开辟新的可能。

该技术的发展轨迹,或将重新定义未来人与环境的互动方式。