哈工大(深圳)&上海交大《Adv Sci》：受虹膜识别启发的新型结构色防伪标签

随着经济的不断发展，各种高价值产品正逐渐面临着越来越大的防伪安全挑战。这些假冒伪劣产品给个人、企业和社会带来了巨大的经济损失和威胁。为此，研究人员致力于发展新的安全防伪技术，如超表面加密、全息彩色印刷和荧光安全油墨等。然而，这些新技术依赖于确定性的生产过程，存在被伪造的可能性。因此，亟须寻找一种基于随机性的、难以被伪造的防伪技术。物理不可克隆（PUF）提供了一种有前途的替代解决方案，其利用随机物理特征来生成唯一且不可复制的标识符。

目前，研究人员已提出多种PUF防伪方案，根据产生PUF的原理不同，可以分为荧光PUF、拉曼PUF、等离子体PUF等。荧光PUF的产生依赖于荧光的发射作为响应信号，常用的荧光物质有稀土基荧光粉体、荧光蛋白、量子点等。由于荧光发射峰存在宽化现象，这会导致信号的重叠，大大降低了识别响应信号的准确性。此外，荧光材料易受光漂白的影响，这降低了荧光PUFs的实用性。拉曼PUF避免了荧光PUF宽化的问题，其利用拉曼信号的窄光谱特征来防止重叠。但是在拉曼PUF的认证中，需要逐点扫描和复杂的光谱解码设备，这导致其认证过程缓慢和设备昂贵。等离子体PUF在提供窄发射峰的同时，也加快了识别认证的过程。然而其常用的表面等离子体共振对纳米颗粒的结构特征高度敏感，因此，在等离子体PUF的认证系统中，微小的变化都会导致不同的响应，这对传感器的稳定性提出了挑战。除上述问题之外，目前PUF防伪方案还缺乏结构层次的设计。

为解决目前PUF防伪方案存在的这些问题，近日，哈尔滨工业大学（深圳）冯欢欢团队提出了一种基于结构色仿生瞳孔的多层光学物理不可克隆防伪系统。相关研究结果以“Bio-Inspired Structural Color Irises as Physical Unclonable Functions for Anti-Counterfeiting”为题，发表在 Advanced Science上。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202504771

首先，通过实验和模拟证明了“Ring”型胶体光子晶体中的光环结构是由于当液滴表面张力重构之后，接触角减小，三相线被钉扎，使得其中的胶体纳米微球自组装力减弱，更难向中心堆积，因此在周围形成了类环状的有序堆积。通过调控“咖啡环”效应的强弱，可以调控切换“Ring”型胶体光子晶体与“Dot”型胶体光子晶体。其次，通过比特均匀度、信息熵、相似性、NIST测试、Intra-HD、Inter-HD、FAR、FRR等多个特征参数说明，“Ring”型胶体光子晶体图像经过编码后得到的PUF编码具有唯一性与可读性的特点。最后，通过结构色图案，结构色图案中内含的由“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体构成的“摩斯编码”，以及“Ring”型胶体光子晶体光环结构构建的光学PUF标签，这三部分共同构建了一个识别门槛低（宏观到微观多层递进）且防伪性能优异（0 false alarm rate）的多层防伪系统。该系统为打击假冒伪劣产品提供了一种经济有效的解决方案，进一步推动了结构颜色在高价值产品防伪中的实际应用（图1）。

为探究“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体的形成过程，采用高速摄像机对电流体喷印过程进行记录，并对这一过程中液滴接触角的变化进行观察和测量。研究发现“Ring”型液滴和“Dot”型液滴二者的差异在于是否存在液滴表面破碎重构。“Ring”型液滴存在液滴表面破碎重构现象，导致液滴的接触角减小。因此，可以推断“Ring”型胶体光子晶体形成的原因在于电流体喷印后期强电场力导致原本液滴表面张力平衡破坏。为构建新的液滴表面平衡状态，液滴三相线向外移动，通过降低接触角，增大液面与尖端的距离，以到达新的平衡状态。

为更深入探究“Ring”型液滴和“Dot”型液滴蒸发过程中的流场变化，进行了有限元模拟仿真。研究发现“Ring”型液滴中的胶体纳米微球自组装力较“Dot”型液滴小约24%。这说明胶体纳米微球更不容易向内集中运动，而是更倾向于在周围形成环状堆积，构成类似“咖啡环”的结构。（图2）

图2“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体结构色微穹顶的构建过程与机理

为探究胶体光子晶体的结构色单元图案的来源，对胶体光子晶体的微观结构进行观察。观察发现“Ring”型胶体光子晶体在光镜下呈现出环状，其对应的胶体光子晶体微纳结构呈现出“四周高，中间低”的环状结构，而“Dot”型胶体光子晶体在光镜下呈现出点状，其对应的胶体光子晶体微观结构呈现出中间隆起结构。这说明胶体纳米微球的不同排列将直接影响光镜中胶体光子晶体单元的图案。“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体主要来源于胶体纳米微球的有序排列。有序排列的胶体纳米微球阵列构成了对应的“光子禁带”，从而形成了结构色图案单元。而“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体产生区别的原因来自于液滴表面张力重构。这种重构现象使得液滴的“咖啡环”效应被凸显，形成了类环状有序结构。

为定量表征“Ring”型胶体光子晶体中光环结构与“Dot”型胶体光子晶体的差异，对其进行了微区反射光谱表征。对于“Ring”型胶体光子晶体反射光谱强度，从左往右依次选取的五个微区，发现反射光谱强度呈现出先增加，后减弱，再增加，最后减弱的趋势，与环状结构相吻合。并且，同一个光环的两端亮度并不相同，这可能是由于胶体纳米微球堆积的随机性所造成的，这为后续PUF标签编码提供了更多的编码容量。对于“Dot”型胶体光子晶体，从左往右依次选取了三个微区，可以发现“Dot”型胶体光子晶体反射光谱强度呈现出先增加后减弱与点状结构相吻合。上述结果说明“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体存在较大的微区反射光谱特征差异，这将有利于通过其对应的光环状花样和点状花样构建防伪系统（图3）。

图3“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体的调控

为了定量评估物理不可克隆函数（PUF）的防伪性能，对PUF的特性进行了分析。图4展示了“1”出现的概率分布，其比特均匀性接近理想值0.5。信息熵的取值接近理想值1，相关系数接近理想值0。此外，引入了行业标准的NIST测试，发现每个测试的p值均大于0.01。这些都表明PUF编码具有良好的随机性。随后，从不同“环形”胶体光子晶体图像中提取的 PUF 间组（139张PUF码图像）通过相关系数进行表征，可以观察到，不同PUF码之间的相似度始终低于10%，这表明每个对应的PUF码都是独一无二的。PUF内组（在不同时间捕获并遵循相同编码程序）同样通过相关系数进行表征，可以观察到，相同 PUF 码的相似度超80%。这表明每个对应的PUF码具有良好的鲁棒性和可重复性。

为了更直观地说明PUF组间和PUF组内的关系，引入了汉明距离，用于衡量这些PUF组之间的相似性和差异性。组间汉明距离代表不同 PUF 之间的差异，其遵循0.4875为中心的高斯分布，接近0.5的最优值。这表明所有PUF代码都具有显著的随机性。组内汉明距离代表相同 PUF 内部的差异，分布更广泛，但与组间汉明距离的重叠极小。在近20000个分布中，只有 80 个结果出现了错误接受率（FAR）和错误拒绝率（FRR）错误，错误率约为0.4%。这满足了相互可区分性的基本标准。因此，上述PUF代码具有很强的随机性，可有效地用于基于PUF的防伪系统的认证。

图4 PUF编码的随机性评估

最后，本研究通过结构色图案技术，将“摩斯密码”嵌入由“Ring”型胶体光子晶体和“Dot”型胶体光子晶体构成的结构色图案中，并利用“Ring”型胶体光子晶体构建光学PUF标签，成功开发出具有低识别阈值和优异防伪性能的多层防伪系统。通过CNN神经网络学习，该方位系统可以完全识别真样品与假样品（图5）。

图5 基于结构色的仿生瞳孔光学PUF多层防伪系统认证过程

来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持

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