斯坦福研發新型柔性材料，讓機器人成為擬態大師

當章魚游過珊瑚礁時，它的皮膚幾乎在瞬間就能從米色變得灰褐，質感也從光滑變得粗糙，與周圍巖石的紋理和色彩完美融合。這種魔術般的偽裝能力，一直讓科學家們著迷卻又難以復制。

圖 | 藏在珊瑚中的擬態章魚（來源：scholastic）

近日，斯坦福大學的研究團隊在 Nature 雜志上發表的最新研究，讓人類距離這個目標又近了一大步。從章魚、墨魚等頭足類動物身上獲得靈感，他們開發出了一種柔性聚合物薄膜，能夠在數秒內同時改變表面的紋理和顏色，分辨率達到納米級別。

（來源：Nature）

這項發表于1 月 8 日的研究，由斯坦福大學材料科學與工程系教授 Mark L. Brongersma 領銜，博士生 Siddharth Doshi 擔任第一作者。研究團隊開發的這種“光子皮膚”（photonic skin）采用了一種看似簡單卻巧妙的設計：它是一層可以吸水膨脹的聚合物薄膜，通過遇水膨脹來呈現出預先編程的圖案與色彩。

這一材料的誕生帶有幾分偶然性。在早前的一個項目中，Doshi 曾用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM），一種利用聚焦電子束來生成高分辨率圖像的設備，來檢查他們在聚合物薄膜表面制作的納米結構。

原本，利用電子束只是為了放大觀察。但團隊意外發現，在觀察過程中，這些電子束實際上改變了聚合物的吸水性。具體來說，電子束引發了聚合物鏈的“交聯”（crosslinking）反應，就像把松散的海綿纖維捆綁在一起。

受到高劑量電子束照射的區域，其結構變得緊致，遇水后的膨脹能力被大大抑制；而未照射或低劑量照射的區則能自由吸水大幅隆起。這種反向控制機制，讓研究人員可以在薄膜上“雕刻”出高分辨率的起伏圖案。

于是，研究團隊決定將這一意外發現轉化為可控技術。他們采用了電子束光刻（electron－beam lithography, EBL）技術，也就是在半導體制造業中廣泛應用的圖案化技術。并將其與一種能夠吸水膨脹的聚合物薄膜相結合。

這種材料叫做 PEDOT:PSS，即聚（3,4－乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（poly(3,4－ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate）。它是一種導電聚合物，可以應用在太陽能電池板和可印刷電子產品中。在材料吸水膨脹后，通過改變電子束的強度，就像調節畫筆的力度一樣，研究人員可以在薄膜上刻寫高分辨率圖案，控制不同區域的膨脹程度。

圖 | PEDOT:PSS結構（來源：encyclopedia）

但若要達成微縮模型般細膩的連續起伏，僅靠單純“吸水膨脹”是無法實現的。 研究團隊引入了異丙醇（IPA）作為調節劑，它能有效抑制聚合物的膨脹。通過調節流過表面的液體中水與 IPA 的比例，就像旋轉調光旋鈕一樣，可以精準控制膨脹的幅度。為了展示這種精度，團隊甚至將高聳的美國約塞米蒂國家公園的“酋長巖”在薄膜上完美重現。

（來源：Nature）

在掌握了“變形”之后，團隊利用光的干涉原理，讓這層皮膚擁有了“變色”的能力。 他們在聚合物薄膜兩側沉積了極薄（20nm）的金原子層，構建出“法布里－珀羅諧振腔”（Fabry–Pérot cavities）。

這就好比一個微型的光學三明治：當中間的聚合物吸水膨脹變厚時，兩層金膜（鏡子）的間距被推遠，反射光的顏色便隨之改變。這意味著，無需更換材料，僅靠調節混合溶劑引發的膨脹程度，就能讓原本單色的薄膜瞬間變幻出色彩斑斕的圖案。

然而，真正的偽裝大師需要隨心所欲地組合這兩項技能，而不是讓顏色被迫隨著紋理改變。為此，研究團隊設計了一種雙層裝置，將產生紋理的層和產生顏色的層分別置于透明基底的兩側，并讓它們接觸獨立的液體通道。這樣，研究人員就能像章魚一樣，根據環境需求單獨開啟紋理、變換顏色，或者兩者同時配合。

（來源：Nature）

論文數據來看，這種轉變不僅迅速（90% 的顏色轉換在 10 秒內完成），而且極具耐用性，在經歷數百次循環后性能依然穩定。

那么這項技術的應用前景是什么呢？最直觀的應用當然是偽裝。無論是用于軍事領域的動態偽裝系統，還是用于軟體機器人的自適應外觀，這種能夠快速改變顏色和紋理的材料都能發揮重要作用。

想象一個搜救機器人，它可以根據環境自動調整外觀，在廢墟中穿行時模仿周圍的碎石和混凝土，避免驚擾受困人員；或者一個野生動物觀察設備，能夠完美融入森林或海洋環境而不干擾動物的自然行為。

但研究團隊的視野遠不止于偽裝。紋理的細微變化可以用來增加或減少摩擦力，這對于確定小型機器人是否能附著在光滑的玻璃表面上，或是快速滑過障礙物非常關鍵。而在生物工程領域，納米級結構能夠改變細胞的反應方式——細胞就像有觸覺的微小生物，會對接觸表面的紋理做出不同反應。因此這些技術可能在組織工程和再生醫學中找到用武之地。

顯示技術是另一個極具潛力的應用方向。當前的屏幕技術主要依賴發光像素，很難再現從光澤到啞光的各種質感效果。你可能注意到，即使是最先進的顯示器，也很難真實展現絲綢的光澤或天鵝絨的柔和質感，因為它們只能改變顏色和亮度，無法改變表面紋理。而這種結構色材料恰恰能夠填補這一空白。

研究團隊設想，未來的可穿戴設備可能配備這種柔性、可變色的顯示屏，不僅能顯示信息，還能改變質感，提供更豐富的觸覺和視覺體驗。Doshi 強調：“紋理對于我們體驗物體的方式至關重要，無論是它們的外觀還是觸感。這些動物能夠在接近微米尺度上物理改變自己的身體，而現在我們可以在同樣的尺度上動態控制材料的表面形貌——以及與之相關的視覺特性。”

（來源：Nano Banana Pro）

藝術領域也對這項技術表現出濃厚興趣。研究團隊已經開始與斯坦福大學的藝術家合作，計劃用這些材料創作展覽。一個能夠隨著環境濕度變化而改變外觀的雕塑，或是一面能夠呈現動態圖案的墻面，將為藝術表達提供全新的媒介。Melosh 教授對此充滿期待：“我認為會有很多令人興奮的事情即將到來。”

當然，任何新技術在走向大規模應用之前都面臨挑戰。例如對電子束光刻來制作材料以及使用微流控技術來驅動它，增加了復雜性，可能會限制制造和可擴展性。

不過 Brongersma 對此持樂觀態度，他指出光刻和微流控技術在半導體和顯示器行業已經相當成熟。事實上，電子控制液體已經應用于 Kindle 等電子閱讀器的電子墨水屏中，一些初創公司也正在將其他基于液體的電潤濕顯示器商業化。Doshi 補充說，這些技術在行業中已經是常規手段，并非實驗室條件才能做到。

目前這項技術確實還有局限性。每件裝置目前只能呈現單一的預先編程圖案，無法像真正的章魚那樣實時響應環境變化并生成任意圖案。但研究團隊表示，未來版本有望實現多圖案顯示、電子控制以及大規模生產。他們正在探索如何將多個不同圖案層疊在一起，或是開發電控液體系統來實現更靈活的圖案切換。

當軟體機器人披上這層變色外衣，當我們的電子設備能夠像生物一樣靈活地改變外觀，當建筑物的外墻可以根據季節自動調節色彩與質感……這些曾經屬于科幻小說的場景，正在逐步變為觸手可及的現實。屆時，這不僅是材料科學的進步，更是人類向自然學習、與自然和諧共處智慧的體現。

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

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

排版：KIK