港大工程團隊研發(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（港大）的研究人員受蝴蝶翅膀中雙色微腔結構的啟發(fā)，設計出一種可因應刺激作出反應而改變顏色的像素化變色軟件系統(tǒng)，研究成果已于《先進科學》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)境刺激下作出響應式變色的軟件系統(tǒng)，一直是科學家研發(fā)的焦點，用以實現(xiàn)智能軟設備，應用于軟機器人的偽裝皮膚、可穿戴設備中的顯色傳感器，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院化學研究所的李明珠研究員共同指導，并由港大機械工程系潘益博士主導。

團隊研發(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構，這種結構能產(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小凹坑，微觀下是納米尺寸的光子晶體組成的規(guī)則結構。 "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交替排列所形成的系統(tǒng)性結構。 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。

團隊制備的MoCA是一種薄（厚度約為3根頭發(fā)絲）的橡膠狀結構，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 薄膜的雙層結構，當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{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構產(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備中的顯色傳感器，或可作為防偽標簽，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。

"對于利用形變來調控光學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控每一個形變單元的光學器件制成陣列，那么類似昆蟲復眼的功能即可實現(xiàn)。 " 岑教授說。

復眼包含多個光處理結構，與非復眼相比具有多種優(yōu)勢，例如視野更寬，能夠同時聚焦于多個物體。 團隊的長遠目標是利用MoCA背后的原理，構建模仿甚至超越昆蟲復眼功能的光學設備，未來會把這種通過操縱表面形貌實現(xiàn)的像素化策略，引用于仿生學和軟件機器人的分層接口和多重光學系統(tǒng)的設計當中。

研究團隊亦將繼續(xù)致力于軟物質與微流體的基礎研究、積極探索應用于構建新型光學器件等前沿用途。