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仿生“變色龍”：與環(huán)境實(shí)時(shí)交互的快速變色
發(fā)布時(shí)間：
2019-08-12 13:28
來源：
m.sjfbxg.com
微納結(jié)構(gòu)顯色，好像是一個(gè)百寶箱，里面藏著無窮的寶藏。無墨印品用它來實(shí)現(xiàn)無油墨印刷，以期達(dá)到更環(huán)保、安全、無污染的綠色印品；iCeMS的研究人員已經(jīng)制作出最小的結(jié)構(gòu)顯色蒙娜麗莎的微笑；自然雜志上前段時(shí)間也刊發(fā)了以結(jié)構(gòu)著色來實(shí)現(xiàn)色彩印刷。不論哪種方式，結(jié)構(gòu)色這個(gè)名詞，正越來越多的出現(xiàn)在大眾眼中。
（蘇州印象無油墨印包裝）
今天我們要講的，同樣也是利用結(jié)構(gòu)色，來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的仿生變色效果。
在今年新上映的美國(guó)科幻電影《驚奇隊(duì)長(zhǎng)》中，女主角身著性感靚麗的超級(jí)套裝，而且非常有意思的是衣服的顏色可以隨意變換。其實(shí)這種變色元素，在美國(guó)眾多科幻電影中都有跡可循，包括通過改變顏色隱身等。
試想下，未來將這種變色設(shè)計(jì)到生活中，我們可以通過顏色變化來實(shí)時(shí)感知環(huán)境變化，比如將這種變色設(shè)計(jì)用到仿人機(jī)器人皮膚中，有可能未來機(jī)器人還可以給我們“臉色”看呢。
關(guān)于結(jié)構(gòu)色薄膜
研究亮點(diǎn)：
1. 結(jié)構(gòu)色薄膜具備溶劑致變色與變形雙重功能；
2. 結(jié)構(gòu)色驅(qū)動(dòng)器展現(xiàn)出快速變色與持久變形能力；
3. 結(jié)構(gòu)色驅(qū)動(dòng)器能與環(huán)境實(shí)時(shí)交互。
傳統(tǒng)的軟體驅(qū)動(dòng)器或機(jī)器人由于欠缺諸如兼具變形與變色的多功能特性，難以像自然界中的生物（變色龍，章魚等）一樣自主感知環(huán)境變化并及時(shí)做出反應(yīng)，極大影響了人機(jī)交互和機(jī)器與環(huán)境交互效果。
（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）
鑒于此，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地仿生自然界中變色龍通過膚色改變與環(huán)境實(shí)時(shí)交互的結(jié)構(gòu)原理：皮膚中存在周期性排列的微納顆粒，當(dāng)皮膚舒張或收縮時(shí)，皮膚中微納顆粒間距會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而反射光之間的干涉效果就隨著改變，最終呈現(xiàn)出肉眼可見的皮膚顏色變化，這種源于周期性微納結(jié)構(gòu)的顏色稱之為結(jié)構(gòu)色，并將這種周期性的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到可控形變與可控運(yùn)動(dòng)的材料中，成功實(shí)現(xiàn)能與環(huán)境實(shí)時(shí)交互的仿變色龍驅(qū)動(dòng)。
要點(diǎn)一：快速變色
杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)采用周期性微納顆粒陣列為模板，將丙烯酸酯類預(yù)聚單體澆筑到模板中并聚合固化，隨后移除微納顆粒模板，即可獲得具有周期性微納孔洞的聚丙烯酸酯（PTMPTA）。正是由于獨(dú)具匠心的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得這類薄膜在溶劑氛圍中實(shí)現(xiàn)快速的顏色變化（僅需0.2 s即可實(shí)現(xiàn)反射光譜紅移37 nm），這是因?yàn)榧{米尺度多孔結(jié)構(gòu)能促進(jìn)溶劑蒸汽的吸附與冷凝，進(jìn)而快速溶脹聚丙烯酸酯分子并改變周期性微納孔洞間距，從而實(shí)現(xiàn)顏色快速變化。
（圖 1 溶劑致快速變色）
要點(diǎn)二：可控變形與變色
杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將薄膜厚度降低到38 μm，并在薄膜無周期性結(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)去陣列化排布且溶脹程度小的聚丙烯酸酯高分子條帶時(shí)，由于不對(duì)稱性溶脹，薄膜在溶劑氛圍中不僅可快速變色，而且還能實(shí)現(xiàn)定向變形，這類變色與變形持續(xù)逾100個(gè)循環(huán)后，仍然保持優(yōu)良驅(qū)動(dòng)特性。
（圖 2 可控變形與變色）
要點(diǎn)三：與環(huán)境實(shí)時(shí)交互
進(jìn)一步，杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)把這類快速變色與變形的材料設(shè)計(jì)成風(fēng)車、花朵，當(dāng)環(huán)境中溶劑蒸汽濃度變化時(shí)，這類風(fēng)車與花朵即可呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)與變色，這類肉眼可見的變色可用于檢測(cè)身體健康狀況及環(huán)境污染情況等。
更有趣的是，通過模仿自然界中可爬行的生物，將不對(duì)稱性摩擦設(shè)計(jì)到兼具可運(yùn)動(dòng)與變色的驅(qū)動(dòng)器中，成功設(shè)計(jì)出能隨環(huán)境變化進(jìn)而改變自身顏色的爬行機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到0.16 cm/s（一分鐘可以爬行逾6倍自己身長(zhǎng)的距離）。這類可控變色與運(yùn)動(dòng)的爬行機(jī)器人有望用于傳感、通訊及機(jī)器人偽裝等方面。
（圖 3 與環(huán)境實(shí)時(shí)交互）
小結(jié)：
該工作不僅為傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器多功能設(shè)計(jì)提供了新方法，而且還為人-機(jī)-環(huán)境友好交互提供了新思路。
另一種應(yīng)用在膜上的結(jié)構(gòu)色是指，當(dāng)膜的表面被刻上極其微小的納米級(jí)的結(jié)構(gòu)時(shí)， 即可使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉， 進(jìn)而產(chǎn)生各種肉眼可辨的色彩和圖案。因?yàn)槲⒓{光學(xué)結(jié)構(gòu)色具有不褪色、環(huán)保和虹彩效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在顯示、裝飾、防偽等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
（利用微結(jié)構(gòu)條紋顯示真彩色3D立體圖像，來源蘇州印象）
目前，微納結(jié)構(gòu)色已經(jīng)被越來越多的企業(yè)、科學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究、應(yīng)用，結(jié)構(gòu)顯色也必將是未來更環(huán)保、更安全的色彩表達(dá)方式。無墨印品、微納紋理結(jié)構(gòu)顯色已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包裝、證件、電子電器外觀裝飾等領(lǐng)域，相信未來會(huì)有更廣的市場(chǎng)。
參考文獻(xiàn)：Yunlong Wang, Qilong Zhao, Huanqing Cui, Xuemin Du*, Chameleon-inspired structural color actuators, Matter, 2019,10.1016/j.matt.2019.05.012.https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30037-2
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