港大工程团队研发像素化变色软件系统

香港 - Media OutReach - 2023 年 9 月 25 日 - 美丽的蝴蝶翅膀上的鳞片，颜色随着阳光散落的角度变化，散发出绚丽色彩。

香港大学（港大）的研究人员受蝴蝶翅膀中双色微腔结构的启发，设计出一种可因应刺激作出反应而改变颜色的像素化变色软件系统，研究成果已于《先进科学》发表。

仿生形变凹面阵列（MoCA）：一种像素化的变色软件系统

可在热量、湿度和溶剂等环境刺激下作出响应式变色的软件系统，一直是科学家研发的焦点，用以实现智能软设备，应用于软机器人的伪装皮肤、可穿戴设备中的显色传感器，以至医疗上可随感染变色的药用绷带等方面极具开发潜力。

这项研究由港大机械工程系的岑浩璋教授和中国科学院化学研究所的李明珠研究员共同指导，并由港大机械工程系潘益博士主导。

团队研发的像素化变色软件系统，名为"可控形变的凹面阵列"（Morphable Concavity Array, MoCA），灵感来源于蝴蝶翅膀上被称为双色微腔的结构，这种结构能产生鲜艳的"炫彩",彩光泽随着人眼观看角度的不同而出现些微变化。

蝴蝶翅膀表面有一行行排列整齐的细小凹坑，微观下是纳米尺寸的光子晶体组成的规则结构。 "光子晶体"的概念在1987年提出，是由两种或以上折射率不同的介质交替排列所形成的系统性结构。 蝴蝶翅膀上的凹坑可以反射特定波长的光线，根据光线的角度和观众的视角产生两种不同的颜色。

团队制备的MoCA是一种薄（厚度约为3根头发丝）的橡胶状结构，上层是光子晶体弹性体致动器（PC-EA）薄膜，下层是孔阵列 - 一个有规则间隔圆孔的格子。

MoCA的凹面来自PC-EA 薄膜的双层结构，当PC-EA薄膜下层的水凝胶层（pNIPAM）注入乙醇膨胀后，由此产生的张力把上层弹性体层（GPDMS）向下拉入阵列中的小孔， 形成一个碟形凹面，称为可变形空腔 （MoC），起到像素化的作用。 空腔形成后，像素的可见光颜色由红色变为蓝色。 （见图）

MoCA的变色策略是通过改变其局部形态实现的，特别是通过控制 "平面 "和 "凹面 "状态之间的转换。

"MoCA 再现了蝴蝶翅膀上的光子晶体，作为第一个依靠平面和凹面结构产生不同颜色的像素化变色系统，它具有革命性的意义。 这使得MoCA有别于其他像素化变色系统。 "潘博士说。

每个像素的颜色变化可以单独操控，是今次研究的另一重大突破，让软件系统可像素化操作展示出多彩颜色。

潘博士说："我们利用多通道微流体技术引入和移除溶剂来操纵MoCA,乙醇通过管道系统输送，每个像素都与单独的 "管道系统 "相连，让操作可像素化，这为传统的电致变色方法提供了一种补充。 "

这种像素化的变色软件系统为智能软件设备开创更多可能，包括前述的软件机器人的伪装皮肤和可穿戴设备中的显色传感器，或可作为防伪标签，在服装等产品中隐藏而只有在特定条件下才能看到的图案或二维码等。

"对于利用形变来调控光学器件性能的例子我们并不陌生，例如我们眼球中的晶状体。 它能通过形状的调整来帮助我们对焦不同距离的物体。 倘若能轻易地把这类可独立调控每一个形变单元的光学器件制成阵列，那么类似昆虫复眼的功能即可实现。 " 岑教授说。

复眼包含多个光处理结构，与非复眼相比具有多种优势，例如视野更宽，能够同时聚焦于多个物体。 团队的长远目标是利用MoCA背后的原理，构建模仿甚至超越昆虫复眼功能的光学设备，未来会把这种通过操纵表面形貌实现的像素化策略，引用于仿生学和软件机器人的分层接口和多重光学系统的设计当中。

研究团队亦将继续致力于软物质与微流体的基础研究、积极探索应用于构建新型光学器件等前沿用途。

声明：本文所使用的材料来自论文（Yi Pan, Chang Li, Xiaoyu Hou, Zhenyu Yang, Mingzhu Li, Ho Cheung Shum. Pixelating Responsive Structural Color via a Bioinspired Morphable Concavity Array （MoCA） Composed of 2D Photonic Crystal Elastomer Actuators. Advanced Science, 2023, 10, 2300347.），并遵循其CC BY 4.0许可条款（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/），所有材料均未经任何更改。

论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202300347