斯坦福研发新型柔性材料，让机器人成为拟态大师

当章鱼游过珊瑚礁时，它的皮肤几乎在瞬间就能从米色变得灰褐，质感也从光滑变得粗糙，与周围岩石的纹理和色彩完美融合。这种魔术般的伪装能力，一直让科学家们着迷却又难以复制。

图 | 藏在珊瑚中的拟态章鱼（来源：scholastic）

近日，斯坦福大学的研究团队在 Nature 杂志上发表的最新研究，让人类距离这个目标又近了一大步。从章鱼、墨鱼等头足类动物身上获得灵感，他们开发出了一种柔性聚合物薄膜，能够在数秒内同时改变表面的纹理和颜色，分辨率达到纳米级别。

（来源：Nature）

这项发表于1 月 8 日的研究，由斯坦福大学材料科学与工程系教授 Mark L. Brongersma 领衔，博士生 Siddharth Doshi 担任第一作者。研究团队开发的这种“光子皮肤”（photonic skin）采用了一种看似简单却巧妙的设计：它是一层可以吸水膨胀的聚合物薄膜，通过遇水膨胀来呈现出预先编程的图案与色彩。

这一材料的诞生带有几分偶然性。在早前的一个项目中，Doshi 曾用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM），一种利用聚焦电子束来生成高分辨率图像的设备，来检查他们在聚合物薄膜表面制作的纳米结构。

原本，利用电子束只是为了放大观察。但团队意外发现，在观察过程中，这些电子束实际上改变了聚合物的吸水性。具体来说，电子束引发了聚合物链的“交联”（crosslinking）反应，就像把松散的海绵纤维捆绑在一起。

受到高剂量电子束照射的区域，其结构变得紧致，遇水后的膨胀能力被大大抑制；而未照射或低剂量照射的区则能自由吸水大幅隆起。这种反向控制机制，让研究人员可以在薄膜上“雕刻”出高分辨率的起伏图案。

于是，研究团队决定将这一意外发现转化为可控技术。他们采用了电子束光刻（electron－beam lithography, EBL）技术，也就是在半导体制造业中广泛应用的图案化技术。并将其与一种能够吸水膨胀的聚合物薄膜相结合。

这种材料叫做 PEDOT:PSS，即聚（3,4－乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（poly(3,4－ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）。它是一种导电聚合物，可以应用在太阳能电池板和可印刷电子产品中。在材料吸水膨胀后，通过改变电子束的强度，就像调节画笔的力度一样，研究人员可以在薄膜上刻写高分辨率图案，控制不同区域的膨胀程度。

图 | PEDOT:PSS结构（来源：encyclopedia）

但若要达成微缩模型般细腻的连续起伏，仅靠单纯“吸水膨胀”是无法实现的。 研究团队引入了异丙醇（IPA）作为调节剂，它能有效抑制聚合物的膨胀。通过调节流过表面的液体中水与 IPA 的比例，就像旋转调光旋钮一样，可以精准控制膨胀的幅度。为了展示这种精度，团队甚至将高耸的美国约塞米蒂国家公园的“酋长岩”在薄膜上完美重现。

（来源：Nature）

在掌握了“变形”之后，团队利用光的干涉原理，让这层皮肤拥有了“变色”的能力。 他们在聚合物薄膜两侧沉积了极薄（20nm）的金原子层，构建出“法布里－珀罗谐振腔”（Fabry–Pérot cavities）。

这就好比一个微型的光学三明治：当中间的聚合物吸水膨胀变厚时，两层金膜（镜子）的间距被推远，反射光的颜色便随之改变。这意味着，无需更换材料，仅靠调节混合溶剂引发的膨胀程度，就能让原本单色的薄膜瞬间变幻出色彩斑斓的图案。

然而，真正的伪装大师需要随心所欲地组合这两项技能，而不是让颜色被迫随着纹理改变。为此，研究团队设计了一种双层装置，将产生纹理的层和产生颜色的层分别置于透明基底的两侧，并让它们接触独立的液体通道。这样，研究人员就能像章鱼一样，根据环境需求单独开启纹理、变换颜色，或者两者同时配合。

（来源：Nature）

论文数据来看，这种转变不仅迅速（90% 的颜色转换在 10 秒内完成），而且极具耐用性，在经历数百次循环后性能依然稳定。

那么这项技术的应用前景是什么呢？最直观的应用当然是伪装。无论是用于军事领域的动态伪装系统，还是用于软体机器人的自适应外观，这种能够快速改变颜色和纹理的材料都能发挥重要作用。

想象一个搜救机器人，它可以根据环境自动调整外观，在废墟中穿行时模仿周围的碎石和混凝土，避免惊扰受困人员；或者一个野生动物观察设备，能够完美融入森林或海洋环境而不干扰动物的自然行为。

但研究团队的视野远不止于伪装。纹理的细微变化可以用来增加或减少摩擦力，这对于确定小型机器人是否能附着在光滑的玻璃表面上，或是快速滑过障碍物非常关键。而在生物工程领域，纳米级结构能够改变细胞的反应方式——细胞就像有触觉的微小生物，会对接触表面的纹理做出不同反应。因此这些技术可能在组织工程和再生医学中找到用武之地。

显示技术是另一个极具潜力的应用方向。当前的屏幕技术主要依赖发光像素，很难再现从光泽到哑光的各种质感效果。你可能注意到，即使是最先进的显示器，也很难真实展现丝绸的光泽或天鹅绒的柔和质感，因为它们只能改变颜色和亮度，无法改变表面纹理。而这种结构色材料恰恰能够填补这一空白。

研究团队设想，未来的可穿戴设备可能配备这种柔性、可变色的显示屏，不仅能显示信息，还能改变质感，提供更丰富的触觉和视觉体验。Doshi 强调：“纹理对于我们体验物体的方式至关重要，无论是它们的外观还是触感。这些动物能够在接近微米尺度上物理改变自己的身体，而现在我们可以在同样的尺度上动态控制材料的表面形貌——以及与之相关的视觉特性。”

（来源：Nano Banana Pro）

艺术领域也对这项技术表现出浓厚兴趣。研究团队已经开始与斯坦福大学的艺术家合作，计划用这些材料创作展览。一个能够随着环境湿度变化而改变外观的雕塑，或是一面能够呈现动态图案的墙面，将为艺术表达提供全新的媒介。Melosh 教授对此充满期待：“我认为会有很多令人兴奋的事情即将到来。”

当然，任何新技术在走向大规模应用之前都面临挑战。例如对电子束光刻来制作材料以及使用微流控技术来驱动它，增加了复杂性，可能会限制制造和可扩展性。

不过 Brongersma 对此持乐观态度，他指出光刻和微流控技术在半导体和显示器行业已经相当成熟。事实上，电子控制液体已经应用于 Kindle 等电子阅读器的电子墨水屏中，一些初创公司也正在将其他基于液体的电润湿显示器商业化。Doshi 补充说，这些技术在行业中已经是常规手段，并非实验室条件才能做到。

目前这项技术确实还有局限性。每件装置目前只能呈现单一的预先编程图案，无法像真正的章鱼那样实时响应环境变化并生成任意图案。但研究团队表示，未来版本有望实现多图案显示、电子控制以及大规模生产。他们正在探索如何将多个不同图案层叠在一起，或是开发电控液体系统来实现更灵活的图案切换。

当软体机器人披上这层变色外衣，当我们的电子设备能够像生物一样灵活地改变外观，当建筑物的外墙可以根据季节自动调节色彩与质感……这些曾经属于科幻小说的场景，正在逐步变为触手可及的现实。届时，这不仅是材料科学的进步，更是人类向自然学习、与自然和谐共处智慧的体现。

https://www.ft.com/content/c142ca88-ae15-4300-a045-47802c534fad

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09948-2

排版：KIK