一種像章魚一樣會偽裝的新材料

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。長期以來，科學(xué)家一直試圖用合成材料實現(xiàn)這種能夠迅速改變皮膚的顏色和紋理的能力。

在一項于近期發(fā)表在《自然》雜志的研究中，一個研究團隊朝著這一目標(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，但幾乎沒有材料能夠彼此獨立地實現(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)色機制，這意味著顏色來源于微米、納米級的尺度結(jié)構(gòu)與光的相互作用；還有一些工程材料在受到拉伸時會形成褶皺，從而產(chǎn)生動態(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：一種會改變表面粗糙度的形變，往往也會同時改變反射顏色，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，想要實現(xiàn)類似章魚那樣對顏色和紋理進行彼此獨立調(diào)控的能力，一直是自適應(yīng)材料設(shè)計中的核心挑戰(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，是因為它在與水接觸時會發(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，它會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電子束照射來改變PEDOT:PSS的吸水性，接受低劑量電子束照射的區(qū)域會吸收水分并發(fā)生膨脹，而受到高劑量照射的區(qū)域則保持相對平坦。因此，通過向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，研究團隊使用掃描電子顯微鏡，來觀察他們在PEDOT: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試中，那些經(jīng)過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，一小部分光會透過頂部金層進入腔體，并在兩層金屬之間多次反射。其中一部分光會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。腔體厚度的不同會使特定波長的光相較于其他波長被更強烈地增強或抑制，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，會改變兩層金膜之間的距離，從而調(diào)節(jié)反射顏色。通過將薄膜浸入異丙醇中，可以逆轉(zhuǎn)其在水中的膨脹過程，從而使相應(yīng)的光學(xué)變化恢復(fù)原狀。

動態(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現(xiàn)偽裝。

為了實現(xiàn)這一點，研究人員將PEDOT:PSS薄膜分別附著在一個透明襯底的兩側(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。通過將這個裝置的每一側(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、既無紋理也無顏色圖樣，

2、僅有紋理圖樣，

3、僅有顏色圖樣，

4、同時呈現(xiàn)紋理和顏色圖樣。

潛在應(yīng)用

這項研究成果有望為人類和機器人系統(tǒng)帶來更高效的動態(tài)偽裝，并可能推動用于可穿戴技術(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)域打開了新的機遇。納米光子學(xué)通過對光和光學(xué)過程的精確操控，推動電子學(xué)、加密、生物學(xué)等多個領(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，研究團隊希望未來能通過引入計算機視覺系統(tǒng)，使其能夠自動調(diào)節(jié)薄膜的膨脹程度，從而與多種不同背景實現(xiàn)自適應(yīng)融合。

研究人員還對其他應(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，這可以決定一個小型機器人是能夠附著在表面上，還是會從表面滑過。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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Siddharth Doshi