仿生变色，登上Nature系列综述！

生物体通过多种着色机制（包括色素沉积、生物发光和结构色）来增强生存和繁殖成功率。这些色彩策略在生态系统中发挥着关键作用：伪装帮助躲避捕食者，警戒色用于威慑天敌，而鲜艳的色彩展示则能吸引传粉者和潜在配偶。特别值得注意的是，生物体能够响应环境刺激而动态改变颜色，这种能力使其能够快速调整外观以适应交流、捕食和防御等需求。

受这些自然现象的启发，研究人员开始设计可用于光学、传感和生物医学等领域的动态变色系统。首尔国立大学Seung Hwan Ko教授课题组在《Nature Reviews Bioengineering》发表综述文章，作者首先探讨了自然界中色彩产生和动态变色的生物学机制，随后系统阐述了如何利用光子晶体、液晶、超表面和薄膜等结构化材料在人工系统中重现这些现象。作者特别关注了响应机械力、电场、化学物质、温度和磁场等不同刺激的人工动态变色系统的设计原理，并深入探讨了这些系统在生物医学设备、环境传感和智能显示等领域的应用前景。

自然界的颜色

自然界中的颜色主要通过三种机制形成：色素、发光和结构色（图2a）。色素通过吸收和反射光形成各种颜色，发光则通过生化反应产生光，用于通信或伪装。结构色则通过微观结构与光的相互作用，产生鲜艳的、常常呈现虹彩效果的颜色，这些颜色会随着观察角度的变化而变化。昆虫等无脊椎动物通过表皮细胞合成色素来实现颜色变化，脊椎动物如人类则通过色素细胞合成黑色素和其他色素来改变体色。变色龙的颜色变化则是通过色素与结构色的结合，通过神经信号调节体内的纳米晶体排列来快速改变颜色（图1f）。此外，许多生物依靠发光素和发光酶的化学反应产生光，这种发光现象在海洋生物和萤火虫中很常见（图1g）。结构色则通过生物体表面的微小结构对光的反射和折射作用来实现，如孔雀羽毛中黑色素颗粒通过干涉效应产生丰富的颜色（图1h）。这些色彩变化不仅帮助生物适应环境，还为我们提供了在光学、传感器和生物工程等领域应用的灵感。

图1：自然界的颜色

仿生人工颜色

自然界的色彩变化主要有三种机制：色素色彩、发光和结构色（图2a）。色素色彩通过吸收和反射光形成不同颜色，发光是通过化学反应产生光，广泛存在于生物中。结构色则通过光与微观结构相互作用，如干涉和衍射，产生鲜艳的颜色。科学家们通过模仿这些自然现象，在环境、医学和材料科学等领域开展研究。例如，黑色素在医学上有广泛应用，因为它不仅低毒，还有紫外线保护和抗氧化功能。生物发光则可以用于细胞追踪和传感器，特别是合成的类似物能提高其稳定性和亮度。结构色通过设计微观结构，利用光的干涉、衍射等现象来生成色彩，不需要色素。这种结构色在显示技术、传感器和光学元件中有着重要应用（图2b）。接着，本文介绍了几种形成结构色的方法。

超表面（Metasurfaces）：超表面利用纳米结构调控光的传播，通过特定的光学效应（如Mie共振、等离子体效应等）生成结构色（图2f）。这些超表面可以在亚波长尺度上操控光，广泛应用于动态显示和光学传感。

光子晶体（Photonic Crystals）：光子晶体具有周期性的介电或金属元素排列，通过光的衍射和散射产生特定的光学带隙，从而实现结构色（图2d）。这种结构可用于光学过滤和增强光的传输，广泛应用于光通信和高效能源利用。

薄膜干涉（Thin-film interference）：薄膜干涉通过薄膜表面反射的光波相互干涉，产生颜色效果，典型的例子就是肥皂泡中的色彩（图2b）。这项技术被广泛应用于光学显示和涂层材料。

衍射光栅（Diffraction gratings）：衍射光栅利用一系列平行的线条或凹槽对光进行衍射，产生色彩效果。其特点是可以通过改变衍射角度来调节颜色，广泛应用于光谱分析和激光设备中（图2c）。

图2：颜色机制

刺激响应性动态色彩变化

自然界中的结构色会随着刺激发生变化。这种变化基于结构元素之间间距的改变，当间距变小时，颜色通常会向短波长（例如紫外线）移动，而间距增大时，颜色会向长波长（例如红外线）移动。例如，Morpho蝶的翅膀表面有纳米结构产生结构色，这些翅膀可以与工程化的心脏组织结合，响应心肌细胞的形变周期，产生动态的颜色变化。接着，作者介绍了几种刺激诱导颜色变化的方法。

机械刺激：通过机械变形（如压缩和拉伸），可以调整结构元素的间距，从而诱发颜色变化（图3a）。压缩使间距缩小，颜色向短波长移动；而拉伸则增加间距，颜色向长波长移动。机械刺激的响应受材料和设计影响，可以通过拉伸或压缩调节结构颜色。

热刺激：热刺激可以调整热敏感材料的晶体结构或分子排列。例如，热致变色液晶在温度升高时会导致螺距减小，从而产生蓝移（图3b）。热响应聚合物在特定温度下发生相变，也能引起结构颜色变化。热致变色材料可用于光学元件和热敏显示技术。

磁刺激：磁场可以控制含有磁性纳米颗粒的胶体排列，进而调整结构颜色（图3c）。例如，氧化铁纳米颗粒可以通过超顺磁性调节排列，使其响应外部磁场进行颜色变化。此方法不需要接触，可快速调整结构色。

电刺激：电刺激可以通过调节电压和频率触发颜色变化，已在电子显示中得到应用（图3d）。通过电泳、原子移动或电介质弹性体驱动器，材料的结构变化可以实现颜色变换。电刺激具有快速响应和局部应用的优势，但仍面临能量消耗和稳定性问题。

化学刺激：化学刺激通过溶剂、气体或离子引起结构色的变化（图3e）。例如，pH响应的光子晶体和氢氧化反应可以实现颜色变化。化学变化能够在生物兼容材料中应用，如纤维素或黑色素，通过这些反应材料的颜色变化可用于环境监测或生物传感器。

其他刺激机制，如光响应材料和不同刺激类型的组合，也被探索用于结构色变化。

图3：响应刺激的颜色变化

应用

自然色彩的再现已经被广泛应用于生物医学设备、显示技术、传感器、安全系统、伪装材料和能源管理等多个领域。

在生物医学设备中，仿生色彩可用于实时监控某些生理事件。例如，生物发光成像可以通过表达荧光素酶来实现实时深层组织成像，监控肿瘤位置和生长，并可用于神经活动的高分辨率可视化（图4a）。此外，光子晶体可用于无标签地监测细胞附着和与表面的相互作用，也可应用于细胞力学研究。

在显示技术中，仿生结构色彩不依赖于化学颜料或染料，因此广泛应用于智能纺织品和显示屏中，提供高分辨率和动态显示（图4b）。通过纳米结构的精准控制，可以实现高像素化显示，并设计可擦写、可重写的显示屏。此外，结构色可以响应外部刺激（如电场、机械应力或环境变化），用作动态显示。

在传感器领域，仿生动态色彩可以用于设计传感器，实时反馈机械、温度或化学刺激（图4c）。例如，基于光子晶体结构的传感器能够感知压力变化，并通过颜色变化提供高分辨率的应力映射。这种传感器可应用于复杂的体动解码，也可以用于温度监测，便于制作柔性和可穿戴的温度传感器。

在安全领域，仿生色彩可用于隐写和防伪技术（图4d）。通过特定的结构模式编码信息，这些信息只有在特定刺激下才能解密，例如温度变化或光的极化。此方法可以应用于可穿戴设备，进行身份验证和防伪。

在伪装方面，通过模拟昆虫皮肤的微结构和纳米结构，可以实现被动伪装，帮助物体在环境中隐藏（图4e）。同时，结合环境感应和像素级色彩变化，可以实现动态伪装，应用于军事服装等领域。此外，热伪装也可以通过调节红外反射或吸收来实现。

在能源管理方面，结构色可以通过反射、吸收和辐射光来调节温度。例如，通过模仿热带甲虫的三角形绒毛结构，可以开发辐射冷却膜，用于高效散热（图4f）。此外，自然界中的光管理机制也能提高光伏电池的性能，模仿黑色蝴蝶翅膀的微观结构，增强太阳能电池的光吸收能力，提升其效率。

图4：生物启发的动态色彩变化的应用

展望

自然色彩的再现，特别是动态色彩变化，需要深入理解其背后的机制。结构色彩依赖纳米级精度，因此涉及高成本的制造技术，目前大多局限于实验室应用。要实现大规模应用，需要解决低成本、可扩展的制造工艺问题。三维打印和激光技术虽具潜力，但在颜色控制、分辨率和稳定性方面仍需改进。此外，动态色彩系统的精确时空控制面临挑战，尤其是由于材料复杂性和执行器缩小的技术难度。同时，刺激响应材料的慢反应和低能效问题也限制了其广泛应用。因此，发展更精确、快速且可持续的控制系统是实现大规模应用的关键。

来源：高分子科学前沿

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