在自然界中，章鱼、乌贼等头足类动物能够在极短时间内改变皮肤的颜色与纹理，实现与环境高度匹配的伪装。这种能力并非只靠“变色”，而是同时调控颜色与表面形貌：皮肤可以从光滑瞬间变得粗糙隆起，反射光线的方式也随之改变。相比之下，人造材料在“颜色可调”方面已有诸多进展，但要实现可逆、可编程、且相互独立的颜色与纹理动态调控，依然是材料科学与光子学领域的一大挑战。传统可变色材料往往依赖纳米结构共振，只能改变光谱成分；而可变形软材料虽然能产生形貌变化，却难以做到高对比度、精细图案化和快速切换。如何像章鱼皮肤一样，让一种柔性材料在“平整—立体”“无色—多彩”之间自由切换，并且做到可设计、可集成，是摆在研究者面前的一道难题。近日，斯坦福大学Mark L. Brongersma教授联合Siddharth Doshi共同报道了一种仿章鱼皮肤的柔性光子“皮肤”材料。研究者利用导电高分子 PEDOT:PSS 在不同溶剂中的可逆溶胀特性，结合电子束精细写入技术，在材料内部“预埋”形貌与颜色信息，使其在不同液体环境下，实现从完全平整到三维纹理、从无对比到多彩结构色的快速切换。更进一步，团队还通过多层结构设计，实现了纹理与颜色的独立调控，为动态伪装、可穿戴显示和软体机器人表面材料提供了全新思路。相关成果以“Soft photonic skins with dynamic texture and colour control”为题发表在《Nature》上，Siddharth Doshi为通讯兼一作。章鱼皮肤的灵感，正是这项研究的起点。图1a中展示了乌贼皮肤乳突在短短1.3秒内从平坦到隆起的变化过程，这种“平—立”切换让皮肤在视觉和触觉上都发生巨大改变。研究者希望在人造材料中复刻这一过程，于是将目光投向了一种常见却“潜力被低估”的导电高分子——PEDOT:PSS（图1b）。他们发现，经过不同剂量电子束照射后，这种聚合物在水中会发生不同程度的溶胀，而在异丙醇中则几乎保持原状。也就是说，只要在材料中提前写入“溶胀地图”，再切换溶剂，就能让隐藏的三维结构显现出来（图1c）。图1：章鱼皮肤快速隆起的生物学启发，以及 PEDOT:PSS 薄膜在不同溶剂中实现“平—立”可逆转变的基本原理示意。顺着这一思路，团队首先量化了电子束剂量与溶胀高度之间的关系（图2a）。结果显示，在低剂量区域，PEDOT:PSS 的体积溶胀可超过原来的8倍，而高剂量区域则被电子束“交联锁定”，溶胀显著受限。这种连续可调的高度差，为后续复杂地形的编码打下了基础。研究者甚至将美国优胜美地国家公园的“酋长岩”三维地形数据写入到薄膜中，材料在水中溶胀后，表面竟然真的“长”出了一座微缩岩壁（图2b、2c）。当溶剂从水换回异丙醇，这些起伏又完全消失，重新回到平整状态（图2e）。图2：电子束剂量调控 PEDOT:PSS 溶胀高度关系，以及复杂三维地形（酋长岩、斯坦福校徽）的可逆写入与显现。当结构尺度来到肉眼可见的毫米级时，材料的视觉效果开始发生变化（图3a、3b）。原本看似普通的一片薄膜，在水中会显现出波浪状纹理，明暗交替，仿佛一块真实起伏的表面。这并不是颜色变化，而是表面坡度改变后，反射光线进入人眼的角度发生了变化。进一步将结构尺度缩小到微米级后，材料呈现出类似“磨砂”和“镜面”之间切换的效果（图3c、3d）。角分布测量结果显示，溶胀后的微结构会显著增强漫反射，削弱镜面反射，使得反射图像变得模糊（图3e、3g），这正是“视觉纹理”被动态调控的关键。图3：不同尺度表面纹理对视觉外观的影响，从宏观明暗纹理到微观镜面—磨砂反射的动态切换。在此基础上，研究者又引入了光学腔结构，将 PEDOT:PSS 夹在两层金属膜之间，构建出可调谐的 Fabry–Pérot 腔（图4a）。在平整状态下，腔长几乎一致，表面看不出明显颜色；而一旦材料在水中溶胀，不同区域的腔长差异便转化为丰富的结构色（图4b）。更重要的是，这种颜色变化是连续可调的：通过微流控系统精确控制水与异丙醇的比例，材料可以在多种颜色和对比度状态之间平滑过渡（图4c、4l），甚至主动“匹配”不同背景，实现动态伪装（图4m）。图4：基于 Fabry–Pérot 光学腔的动态结构色调控，以及通过微流控实现的多背景自适应伪装。真正接近章鱼皮肤能力的一步，出现在多层结构设计中。研究团队在透明基底两侧分别构建了“纹理层”和“颜色层”，并让它们分别接触不同溶剂（图5a）。这样一来，材料就可以实现三种独立状态切换：只有纹理、只有颜色，或者纹理与颜色同时出现（图5b–5e）。这种前所未有的独立调控能力，让“光子皮肤”不再只是会变色的材料，而是拥有了更高层级的视觉自由度。图5：多层结构实现颜色与纹理的独立控制，展示三种不同视觉状态的自由切换这项工作展示了一种全新的思路：不依赖复杂机械驱动，也不需要精密纳米执行器，仅通过材料本身的可逆溶胀行为，就实现了纹理与颜色的高度可编程调控。借助成熟的电子束图案化技术和工业上广泛使用的 PEDOT:PSS，这种“软光子皮肤”在显示、信息加密、可穿戴设备以及软体机器人等领域都具备现实应用潜力。未来，若能将溶剂刺激进一步替换为电刺激或化学刺激，真正实现“通电即变形、变色”，人造材料或许将首次在视觉层面，真正接近自然界的章鱼皮肤。
