港大工程團(tuán)隊研發(fā)像素化變色軟件系統(tǒng)

美麗的蝴蝶翅膀上的鱗片，顏色隨著陽光散落的角度變化，散發(fā)出絢麗色彩。

香港大學(xué)（港大）的研究人員受蝴蝶翅膀中雙色微腔結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計出一種可因應(yīng)刺激作出反應(yīng)而改變顏色的像素化變色軟件系統(tǒng)，研究成果已于《先進(jìn)科學(xué)》發(fā)表。

仿生形變凹面陣列（MoCA）：一種像素化的變色軟件系統(tǒng)

可在熱量、濕度和溶劑等環(huán)境刺激下作出響應(yīng)式變色的軟件系統(tǒng)，一直是科學(xué)家研發(fā)的焦點，用以實現(xiàn)智能軟設(shè)備，應(yīng)用于軟機器人的偽裝皮膚、可穿戴設(shè)備中的顯色傳感器，以至醫(yī)療上可隨感染變色的藥用繃帶等方面極具開發(fā)潛力。

這項研究由港大機械工程系的岑浩璋教授和中國科學(xué)院化學(xué)研究所的李明珠研究員共同指導(dǎo)，并由港大機械工程系潘益博士主導(dǎo)。

團(tuán)隊研發(fā)的像素化變色軟件系統(tǒng)，名為"可控形變的凹面陣列"（Morphable Concavity Array， MoCA），靈感來源于蝴蝶翅膀上被稱為雙色微腔的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生鮮艷的"炫彩"，彩光澤隨著人眼觀看角度的不同而出現(xiàn)些微變化。

蝴蝶翅膀表面有一行行排列整齊的細(xì)小凹坑，微觀下是納米尺寸的光子晶體組成的規(guī)則結(jié)構(gòu)。 "光子晶體"的概念在1987年提出，是由兩種或以上折射率不同的介質(zhì)交替排列所形成的系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)。 蝴蝶翅膀上的凹坑可以反射特定波長的光線，根據(jù)光線的角度和觀眾的視角產(chǎn)生兩種不同的顏色。

團(tuán)隊制備的MoCA是一種?。ê穸燃s為3根頭發(fā)絲）的橡膠狀結(jié)構(gòu)，上層是光子晶體彈性體致動器（PC-EA）薄膜，下層是孔陣列 - 一個有規(guī)則間隔圓孔的格子。

MoCA的凹面來自PC-EA 薄膜的雙層結(jié)構(gòu)，當(dāng)PC-EA薄膜下層的水凝膠層（pNIPAM）注入乙醇膨脹后，由此產(chǎn)生的張力把上層彈性體層（GPDMS）向下拉入陣列中的小孔， 形成一個碟形凹面，稱為可變形空腔 （MoC），起到像素化的作用。 空腔形成后，像素的可見光顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)色。 （見圖）

MoCA的變色策略是通過改變其局部形態(tài)實現(xiàn)的，特別是通過控制 "平面 "和 "凹面 "狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

"MoCA 再現(xiàn)了蝴蝶翅膀上的光子晶體，作為第一個依靠平面和凹面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同顏色的像素化變色系統(tǒng)，它具有革命性的意義。 這使得MoCA有別于其他像素化變色系統(tǒng)。 "潘博士說。

每個像素的顏色變化可以單獨操控，是今次研究的另一重大突破，讓軟件系統(tǒng)可像素化操作展示出多彩顏色。

潘博士說："我們利用多通道微流體技術(shù)引入和移除溶劑來操縱MoCA，乙醇通過管道系統(tǒng)輸送，每個像素都與單獨的 "管道系統(tǒng) "相連，讓操作可像素化，這為傳統(tǒng)的電致變色方法提供了一種補充。 "

這種像素化的變色軟件系統(tǒng)為智能軟件設(shè)備開創(chuàng)更多可能，包括前述的軟件機器人的偽裝皮膚和可穿戴設(shè)備中的顯色傳感器，或可作為防偽標(biāo)簽，在服裝等產(chǎn)品中隱藏而只有在特定條件下才能看到的圖案或二維碼等。

"對于利用形變來調(diào)控光學(xué)器件性能的例子我們并不陌生，例如我們眼球中的晶狀體。 它能通過形狀的調(diào)整來幫助我們對焦不同距離的物體。 倘若能輕易地把這類可獨立調(diào)控每一個形變單元的光學(xué)器件制成陣列，那么類似昆蟲復(fù)眼的功能即可實現(xiàn)。 " 岑教授說。

復(fù)眼包含多個光處理結(jié)構(gòu)，與非復(fù)眼相比具有多種優(yōu)勢，例如視野更寬，能夠同時聚焦于多個物體。 團(tuán)隊的長遠(yuǎn)目標(biāo)是利用MoCA背后的原理，構(gòu)建模仿甚至超越昆蟲復(fù)眼功能的光學(xué)設(shè)備，未來會把這種通過操縱表面形貌實現(xiàn)的像素化策略，引用于仿生學(xué)和軟件機器人的分層接口和多重光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中。

研究團(tuán)隊亦將繼續(xù)致力于軟物質(zhì)與微流體的基礎(chǔ)研究、積極探索應(yīng)用于構(gòu)建新型光學(xué)器件等前沿用途。