天津大学AM综述：仿生智能纳米复合液晶材料

近日，天津大学材料科学与工程学院封伟教授、王玲教授团队在国际材料领域权威期刊《Advanced Materials》发表题为 “ Bioinspired Intelligent Nanocomposite Liquid Crystal Materials: From Soft Actuators and Adaptive Camouflage to Transformative Optics” 的综述文章。文章从自然界丰富多彩的智能行为出发，系统梳理了纳米复合液晶材料近年来在智能软体驱动、自适应伪装和变革性光学等领域的发展，并进一步讨论了材料如何由简单的“刺激—响应”，逐步走向具有感知、反馈和自我调节能力的智能系统。天津大学材料科学与工程学院为论文第一单位，天津大学博士研究生毕然、陈森胜、刘欢为论文共同第一作者，封伟教授、王玲教授为通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金区域创新发展联合基金和天津市杰出青年科学基金等项目支持。

为什么向日葵总能追着太阳转？为什么章鱼和乌贼可以在复杂环境中迅速改变自己的颜色和纹理？为什么人的肌肉既能够输出力量，又能够感知自身运动状态？这些看似截然不同的生命现象，背后其实有一个共同特征— —生物不仅能够感受到环境变化，还能根据变化不断调整自身状态。这也是自然界“智能”最迷人的地方。真正的智能并不只是“受到刺激以后发生变化”。一块材料受热后变形，或者受到电场以后改变颜色，只能说明它具有刺激响应能力；而像生物一样，能够感知环境、传递信息，并根据自身状态产生反馈和调节，才意味着材料正在从简单的“会响应”，进一步走向“会适应”。该综述正是围绕这一变化，重新审视了液晶与纳米材料结合后所展现出的智能化发展路径。论文将智能概括为对环境变化进行感知、信息转换并产生反馈响应，从而实现按需自我调节。

提到液晶，很多人首先想到的是电视、手机和电脑显示屏。事实上，液晶的应用远不止此。液晶是一类介于传统液体和晶体之间的特殊物质。它既具有液体的流动性，又保持着类似晶体的有序排列。正因为这种“既能动、又有序”的特点，液晶分子的排列能够对光、热、电场、磁场以及机械力等外界刺激作出敏锐响应，并进一步改变材料的颜色、透光、折射、形状甚至力学性能。如果说液晶赋予了材料一副“会变化的身体”，那么纳米材料则可以进一步为这副身体加入不同的“功能模块”。碳纳米管、石墨烯、MXene、金纳米棒、量子点等纳米材料可以增强液晶材料的力学性能，也可以帮助其吸收光、传导电流、感知形变或调控光场。二者结合后，原本只会对刺激发生变化的液晶，就有机会获得更丰富的感知、驱动和反馈能力。论文将这种跨尺度结合归纳为智能纳米复合液晶材料，并将其应用集中到软体驱动、手性光子学和可重构超表面等前沿领域（图1）。

图1. 仿生智能纳米复合液晶材料的广泛应用潜力

会动，也能“感知”：像肌肉一样工作的智能软体材料

人类的肌肉远不只是一个“发动机”。当我们拿起一个杯子时，肌肉一边产生力量，一边不断将自身伸缩和受力信息传递出去，神经系统再根据这些信息调整下一步动作。正是这种“感知—反馈—驱动”的协同作用，使人体能够完成稳定而精细的运动。液晶弹性体具有与肌肉十分相似的大幅、可逆形变能力。受到热、光或电等刺激后，内部液晶分子的有序程度发生改变，可以带动整个材料发生收缩、弯曲甚至复杂的三维运动。因此，研究人员已经利用这类材料设计出能够爬行、游动、跳跃、滚动和飞行的软体机器人。但“能动”并不意味着“智能”。在传统液晶弹性体中加入导电纳米材料之后，材料在形变过程中，其电阻或其他电学信号会随之改变，于是软体驱动器可以在运动的同时“知道自己动了多少”。这类自感知人工肌肉已经被用于机器人手指、可穿戴交互系统等，使驱动器不再只是被动接受命令，而能够向控制系统实时反馈自身状态。论文特别指出，自感知是走向智能的重要一步，但仅仅能够输出一个传感信号仍然不等于自主智能，因为后续判断往往仍然需要外部电路和算法完成。更进一步的是，如何让材料不仅能够“感知自己”，还能够根据感知到的信息主动完成后续响应。自然界中的含羞草在受到触碰后，局部刺激能够沿着植株传递，引起相邻叶片依次闭合；人体的神经肌肉系统则可以在受到外界刺激后迅速完成感知、信号传递和肌肉收缩，形成类似膝跳反射的快速反馈。受这些生物智能行为启发，研究人员将感知、信号处理与驱动功能集成到液晶智能材料中，构筑出能够自主传递信息并产生连续动作的人工“含羞草”，局部触碰即可触发多个驱动单元依次响应；同时，通过将液态金属与液晶弹性体结合，还构建了类似神经肌肉纤维的智能驱动器，当受到外界刺激时，材料内部的电信号能够自行重新分配，并进一步驱动纤维快速收缩，实现类似人体膝跳反射的自主动作（图2）。从“会变形”，到“能感知”，再到将感知、信号处理和反馈驱动集成于同一材料体系之中，纳米复合液晶软体驱动器正在由传统刺激响应材料逐步迈向具有自适应行为的智能材料。未来，这类材料有望用于柔性机器人、人工肌肉、人机交互、智能假肢以及自适应能源系统等领域。

图2. 仿生纳米复合液晶弹性体及其自感知、自反馈与自适应行为

会变色，还要“藏得更聪明”：从变色皮肤到多光谱自适应伪装

章鱼、乌贼和变色龙是自然界著名的“伪装大师”。它们面对不同背景时，可以迅速改变身体颜色、图案甚至表面形貌，从而降低被捕食者或猎物发现的概率。对于人工材料而言，仅仅变换一种颜色并不困难，真正困难的是：当环境不断发生变化时，材料能否主动调节自己的光学特征，并同时在不同波段中“融入”环境？手性液晶为这一问题提供了独特的解决方案。手性液晶内部具有类似螺旋楼梯一样的周期结构，可以选择性反射特定波长和偏振状态的光，因此能够产生鲜艳的结构色。通过机械拉伸、温度、电场或者光照改变螺旋结构，材料颜色也可以随之连续改变。这使它成为构筑仿生变色皮肤的重要候选材料。但在现代探测技术面前，“肉眼看不见”已经远远不够。可见光摄像机之外，还有红外热成像和电磁探测设备。因此，真正面向复杂环境的自适应伪装，不只是改变可见颜色，还需要同时调控热辐射和电磁特征。综述介绍了将MXene等二维纳米材料与手性液晶弹性体结合的研究，通过材料形变，可以同步改变可见结构色、红外发射特征以及电磁波响应。以仿生章鱼模型为例（图3），同一套柔性“皮肤”可以在不同状态下改变可见、热和雷达特征，实现从单一变色向多光谱伪装的跨越。这种变化意味着，未来的智能伪装材料不应该只是“换一种颜色”，而应当像生命体一样，将环境感知和光谱调节联系起来，形成一个持续的“感知—调节”过程。它们有望进一步发展为智能可穿戴设备、柔性机器人皮肤以及多光谱自适应伪装系统。手性液晶的意义还不仅限于“变色”。它独特的螺旋结构还可以像一个微观模板，引导纳米颗粒排列成具有手性的有序结构，从而显著增强圆偏振发光和等离激元圆二色性。这类材料未来可应用于三维显示、光学信息加密、防伪、手性识别与生物传感等领域。

图3. 仿生纳米复合手性液晶材料及其自适应多波段伪装应用

会聚焦，也会切换：让一片超薄光学元件拥有“可变的眼睛”

眼睛能够根据观察对象的远近调节焦距，在不同环境中快速改变视觉状态；昆虫复眼则依靠大量微小视觉单元同时采集不同方向的信息，从而获得宽广而快速的视觉感知能力。人工光学系统一直希望获得类似的灵活性。传统透镜一旦加工完成，焦距和光学功能往往就被固定下来。近年来兴起的“超表面”可以通过大量亚波长纳米结构精确操控光，却同样面临一个问题——许多超表面在制造完成以后仍是一种静态器件。液晶的加入改变了这一局面：其分子的方向能够在电场等刺激下重新排列，因此，原本固定的纳米光学超表面就可以获得动态调节能力。比如，一片很薄的液晶金属透镜可以在不同焦距之间快速切换，用于自动对焦和变焦；液晶超全息器件可以通过电压、温度甚至触摸，在不同全息图像之间切换；此外，液晶超表面还可以实时改变光束传播方向，形成可重新编程的波束。这意味着，未来的一块超薄光学器件，有望同时承担传统透镜、显示器和光束扫描器的部分功能，并根据外界输入动态改变自己的工作状态。这样的“可重构光学”在AR/VR近眼显示、微型相机、动态全息显示、激光雷达、无线通信、信息加密和智能传感等领域具有重要潜力。本章重点介绍了面向液晶可重构超表面的动态聚焦、全息显示和波束操控等光场调控策略，以及其在自适应光学与智能光子器件中的最新研究进展。

图4. 液晶可重构超表面及其动态波前调控应用

总结与展望

从人工肌肉到变色皮肤，再到可以动态调节光场的超薄光学器件，这些看似分散的研究实际上指向同一个方向：材料正在从被动承担某种功能，向主动感知环境并适应环境转变。这也是该综述希望厘清的一个重要概念——“刺激响应”“自感知”“自适应”和“智能”并不是完全相同的事情。受到外界刺激以后改变形状或颜色，是智能材料发展的物理基础；能够读取自身状态，则进一步获得了“感知”；只有当这种感知继续参与后续调节，形成反馈甚至自我调控时，材料才真正向适应性和自主行为迈进。换句话说，未来智能材料竞争的不仅是谁“变得更快、变得更多”，还包括谁能够感知得更准确、反馈得更直接、适应得更自主。对于越来越复杂的纳米复合体系，人工智能辅助材料筛选也有望成为重要工具，通过机器学习、贝叶斯优化和主动学习，在实验之前快速筛选更有希望的材料组合；在可重构超表面领域，深度学习与端到端优化也正在帮助研究人员从传统的“反复试参数”走向计算驱动设计。最终，材料本身的响应能力，还需要进一步与传感、计算、反馈和自适应控制相结合。届时，一块材料或许不再只是机器中的一个“零件”，而有可能同时成为它的皮肤、肌肉、眼睛甚至部分神经反射系统。从自主软体机器人、自适应光子系统到可重构超光学和智能人机界面，仿生智能纳米复合液晶材料正在为下一代具有生命特征的智能系统提供新的材料基础。值得一提的是，团队近期还在《Matter》和《Angewandte Chemie International Edition》分别报道了面向全彩立体3D显示的高通量液晶丝网印刷技术，以及湿度驱动的可见结构色—红外发射率协同调控液晶材料，进一步拓展了液晶材料在先进显示、自适应伪装和智能热管理等领域的应用。

【通讯作者简介】

王玲 教授，天津大学讲席教授，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家，英国皇家化学会会士（FRSC），天津市杰出青年基金获得者和国家海外高层次优秀青年人才。主要致力于功能液晶智能材料的设计与制备及其在变色隐身、软体机器人、高速通信、能源和安全等领域的应用研究。

封伟 教授，天津大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。

文章信息：

Ran Bi, Sensheng Chen, Huan Liu, Yuan Liu, Yanzhao Yang, Wei Feng* and Ling Wang*. Bioinspired Intelligent Nanocomposite Liquid Crystal Materials: From Soft Actuators and Adaptive Camouflage to Transformative Optics. Advanced Materials, 2026, e75064. DOI: 10.1002/adma.75064.

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.75064

Yue Wu, Ran Bi, Yufan Feng, Yuan Liu, Yanzhao Yang*, Wei Feng* and Ling Wang*. High-throughput screen printing of solution-processable cholesteric liquid crystal materials enables full-color stereoscopic 3D displays. Matter, 2026, 9, 102998. DOI: 10.1016/j.matt.2026.102998.

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102998

Yuan Liu, Zhilong Cao, Yufan Feng, Cristian Valenzuela, Ran Bi, Xuan Zhang, Yi Hao, Yiqi Zhang, Yanzhao Yang, Tongfei Zhang, Dong Ki Yoon, Huai Yang, Wei Feng and Ling Wang*. Humidity-Driven Dynamic Structural Color and Infrared Emissivity of MXene-Integrated Supramolecular Cholesteric Liquid-Crystal Materials. Angewandte Chemie International Edition, 2026, e5314674. DOI: 10.1002/anie.5314674.

全文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.5314674