研究人员使用液晶聚合物网络实现类似章鱼的“主动伪装术”

现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员正从这种主动伪装中获得灵感。利用由液晶聚合物网络制成的薄而灵活的膜，这些研究人员已经开发出一种人工色团，可以根据指令瞬间改变颜色--从近红外到可见光到紫外光。

由于每个人工色团就像一个像素，研究人员的原型能够与周围的颜色和纹理相匹配，以达到伪装的效果

这些膜位于排列成网格的微小空腔上，每个空腔都可以通过气动方式充气到一个精确的压力。当一个空腔充气时，膜被拉伸，收缩其厚度并改变其表面颜色。

最重要的是，这些膜不需要被拉伸很多来达到这种效果。使用相当于轻轻触摸的压力，它们的颜色可以被改变为可见光谱内的任何东西。使用类似机制的变色材料在历史上需要变形75%才能从红色转变为蓝色，这使得它们无法在有固定尺寸的环境中使用，如显示器或窗户。

由于研究人员的人造发色体需要不到20%的变形就可以达到同样的效果，它们可以像液晶显示器中的像素一样排列，而且，由于研究人员的系统中的分层液晶有自己的反射颜色，它们不需要背光，因此不需要持续的电源来维持其固有的鲜艳外观。

Shu Yang和Se-Um Kim

虽然研究人员的原型显示器每个只有几十个像素，但一项展示其变色能力背后原理的研究概述了其在各种伪装技术中的潜力，以及在建筑、机器人、传感器和其他领域的应用。

这项研究发表在《自然-材料》杂志上，由材料科学与工程系约瑟夫-波多格纳教授兼系主任杨舒和当时在其实验室做博士后研究的Se-Um Kim领导。Yang实验室的成员Young-Joo Lee、Jiaqi Liu、Dae Seok Kim和Haihuan Wang也对这项研究做出了贡献。

"我们实验室一直对结构颜色感兴趣，包括如何通过使用机械力来改变它，"Yang说。"例如，我们之前证明了一种变色的聚合物可能对士兵和运动员的脑部创伤发出信号。在研究一些动物如何进化出结构性颜色时，我们意识到它们有像显示器中的像素一样工作的弹性细胞，我们有可能采取类似的方法。"

结构性色彩，即赋予蝴蝶翅膀和孔雀羽毛彩虹色的现象，通常比颜料或基于染料的颜色更亮，是在光线与表面的微观特征相互作用时产生的。在研究人员的显示器中，这些特征存在于一类被称为"主链手性线型液晶弹性体"或MCLCEs的材料中。液晶是内在的各向异性材料，这意味着它们的特性根据其方向性而变化。MCLCE的螺旋形状允许大的弹性各向异性，因为螺旋的间距可以轻易改变。

显示器中的一个空腔被充气时，其MCLCE膜被拉伸，就像压缩弹簧一样，这减少了膜内液晶螺旋的间距，改变了反射到观看者身上的光的波长。通过绘制出使每个人工色团达到所需颜色所需的确切压力，研究人员能够像显示器中的像素一样对它们进行编程。即使没有为每个像素单独设置气动泵，这种水平的控制也是可能的。

"我想在一个简单的操作中同时产生红色、绿色和蓝色，"Kim说，"所以我把不同宽度的腔体连接到同一个空气通道上。这意味着，尽管经历了相同的压力，但每个像素的变形程度和颜色都不同，从而降低了整个装置的复杂性"。

多个像素可以连接到同一个气泵上，从而可以实现更复杂的显示

只使用两个空气通道，研究人员的原型可以产生7乘5的棋盘图案，与周围表面的阴影和纹理相匹配。有了七条通道，他们就能以液晶时钟中的七段式彩色显示器的方式呈现数字。

研究人员认为，MCLCEs独特的机械变色性能将激励人们创造新的仿生物光子设备和传感器，尽管这种材料的机制相对简单，但却具有高度敏感性和复杂性。他们还计划进一步展示3D显示器，以及通过改变颜色对环境温度做出反应的"智能"窗户。

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