使用变色材料研制的花朵

本报讯 近日，中国科学院深圳先进技术研究院纳米调控与生物力学研究中心副研究员杜学敏团队研发出仿变色龙软体驱动器。科研团队首次发表了能同时通过颜色和形状改变，进而与环境实时交互的软体爬行机器人学术成果。相关研究成果于美国时间7月31日在线发表在《细胞》（Cell）姊妹刊Matter上。

自然界中的许多生物为了在复杂的环境中得以生存，进化出了一系列能感知环境变化并能及时做出反应的智能特性。如较低等的生物含羞草在受到外界触碰时，会及时闭合叶子以避免受到伤害。对于高等的生物，如变色龙，在受到威胁时，不仅可以逃之夭夭，而且还可以通过改变皮肤颜色恐吓天敌或是伪装自己。

杜学敏介绍，变色龙之所以能够改变皮肤颜色源于其身上的结构色。“变色龙的皮肤中存在一个个规整排列的纳米颗粒，当皮肤舒张或收缩时，纳米颗粒的间距会发生改变，进而会影响光的反射效果，最终呈现出肉眼可见的颜色变化，这种由微纳结构与光相互作用产生的颜色就是所谓的结构色。”

生物这类环境自适应行为，启发了科学家们研究并开发能感知环境适应性、改变自己性能的软体驱动器和机器人。然而，传统的软体驱动器或机器人由于欠缺诸如兼具变形与变色的多功能特性，难以像自然界中的生物（变色龙、章鱼等）一样自主感知环境变化并及时做出反应，极大影响了人机交互和机器与环境交互效果。

于是，杜学敏研究团队基于前期通过仿生含羞草等实现材料可控形变设计经验，以周期性排布的纳米颗粒为模板，注入特殊材料并固化后，通过移除纳米颗粒模板，进而获得具有周期性纳米孔洞结构的变色薄膜。在模仿变色龙的皮肤结构后，溶剂蒸气刺激是实现变色的关键要素。

“薄膜中填充有溶剂蒸气后，一方面能够使纳米孔洞迅速膨胀，从而改变间距。另一方面，也能改变材料的折射率，从而实现颜色的快速改变。”杜学敏介绍道，该薄膜在溶剂氛围中的颜色变化速度可快至0.2秒，并且通过调控薄膜暴露在溶剂蒸气中的时间长短，实现不同颜色变化。

此外，该薄膜还能响应不同的溶剂，在乙醇、丙酮、氯仿等溶剂蒸气中产生相应的颜色变化。这种通过特定化学或生物分子等刺激实现变色的技术，未来有望应用于身体健康监测及环境污染监测领域等。

这项研究的另一大突破在于快速变色的同时，结合可控变形与可控运动的材料，实现了仿变色龙的驱动。“通过模仿自然界中蛇和蚯蚓等爬行生物的运动方式，我们设计出了既能变色又能定向爬行的软体机器人，其运动速度达到了0.16 厘米/秒（一分钟可以爬行逾6倍自己身长的距离）。”杜学敏指出，这一成果有望在传感、通信及机器人伪装等方面实现应用。

他解释道，我们开展此研究最大的难点在于同时集成了变色与变形两种功能。“传统的软体驱动器难以兼具变形与变色的多功能特性，而我们研发的爬行机器人能够像自然界中的生物一样，自主感知环境变化并及时作出反应。”

单独实现变色或变形相对容易，但想获得一种既能实现快速变色又能实现变形的材料难之又难。为此，杜学敏团队对材料进行了独具匠心的合成与设计。实验表明，该爬行机器人的变色与变形持续逾100个循环后，仍然能保持优良的驱动特性。此外，团队还将该材料设计成了风车、花朵等各式复杂形状。

该研究首次报道了能与环境实时交互的仿变色龙柔体结构色驱动器，不仅为传统驱动器多功能设计提供了新思路，而且极大地拓展了仿变色龙驱动器在柔体机器人等领域的广泛应用。

对于该成果的未来应用，杜学敏还有更颠覆性的设想。他希望将这种材料特性与人形机器人相结合，做成机器人的“皮肤”，赋予机器人更拟人的情绪表达。

他说：“现在的机器人虽然在语言等方面拟人程度非常高，但仍然给人一种冰冷的感觉，如果能将变色材料应用于服务机器人，使它们害羞时面部绯红、生气时脸色发青，将极大提升人机交互的效果。”

（沈春蕾 丁宁宁）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.012