撰稿 | 陈明远
导读
动物可以根据环境的变化来调整它们的体型，颜色，以保护、伪装和交流。这种适应性激发了对结构色执行器的研究。该执行器能赋予软机器人更多的功能和应用。利用液晶材料制备结构色执行器是一个很有前途的方法。近日，来自荷兰埃因霍温科技大学的Albert P. H. J. Schenning课题组，联合华南师范大学研究组综述了基于液晶材料的结构色执行器的现状，以及这些结构色执行器在软机器人设备中的潜在应用。
研究背景
伪装是许多野生动物重要的生存技能。一些动物为此已经进化出了改变其整体外观（颜色和形状）的能力，以便在危险的环境中发出信号或生存。例如，头足类动物能够调整其体型和颜色以进行伪装：章鱼可以重新排列其整个身体的形状，以看起来像另一个物种，如比目鱼或带状海蛇，以欺骗捕食者。一些动物，如变色龙，可以主动改变它们的颜色进行伪装。这些特征激发了具有可调颜色的软执行器的发展，因为随环境改变颜色的能力可以增加更多的交互性和反馈行为，允许伪装，自我感知和沟通。
颜色是对特定波长的光的感知。反射特定颜色的光，主要有两种机制。一种是材料对光的选择性吸收。第二种是光和特定微纳结构的相互作用。这两种机制都被用于制作结构色执行器。其中对环境响应十分敏感的一类材料是液晶。基于液晶的结构色执行器是目前极有前景的材料。本文是基于手性液晶的结构色执行器研究进展的综述。
创新研究
文章回顾了基于手性液晶的结构色执行器的最新进展。首先介绍了液晶自身的性质，手性液晶微纳结构对散射光的影响，以及基于手性液晶的结构色执行器的基本原理：当温度、溶液浓度改变时，液晶会进入不同的相，拥有不同的温度，浓度响应。液晶的结构也发生改变，从而改变了散射光的波长。这种依赖环境改变波长的特性是制造结构色执行器的基础。接着重点分析了以下几种材料制成的执行器：胆固醇液晶（CLCs），纤维素纳米晶体（CNC），蓝相液晶（BPLCs），具有蛋白石/逆蛋白石结构的向列液晶，以及具有其他微观结构的向列液晶（见图1）。每一大类材料又都有自身的优势和缺陷。在每个大类上又添上许多改良的材料，共同组成了一张表格。以上这些材料总共可以组成四张表格，分别是基于胆固醇液晶（CLCs）和蓝相液晶（BPLCs）的结构色执行器；基于纤维素纳米晶体（CNCs）的结构色执行器；具有结构色和表面形貌变化的结构色执行器和基于蛋白石/逆蛋白石结构和其他微观结构的向列液晶的结构色执行器。这四张表构成了文章的主线。文章回顾了每类材料具体的优势和劣势，详细比较了材料的响应参数。并对每类材料都给出了在软机器人领域中的应用。
最后，作者在充分总结现有实验结果的基础上，提出了对该领域的总结和展望。作者认为，目前在软机器人中使用结构颜色执行器进行伪装的例子很少，主要是因为，在迄今为止的大多数结构彩色执行器中，颜色变化是由光子结构的晶格距离和/或折射率的变化引起的，因此与形状变化相结合。这对于实现按需伪装来说是不可取的，因为需要正交形状和颜色变化。解决这个问题将使光子材料在保持独立致动的同时实现更复杂的逼真伪装。另外，为了在软机器人设备中转向相互作用的执行器，有必要找到实现软执行器之间或软执行器与其周围环境之间的通信/交互的方法。光调节能力，即结构颜色执行器中的自感性，可用于实现局部相互作用。然而，挑战在于物体遇到的微弱光信号，必须找到放大光信号或提高软执行器灵敏度的解决方案，以实现通信/交互。最后，利用软执行器与环境之间的相互作用来实现自我调节，感知环境和自主反应的能力，最重要的激励信号就是光。所以设计一个足够灵敏，能够自行移动的结构色执行器组件至关重要。目前的结构色执行器还没有达到足够的灵敏度。这需要科研人员持之以恒的努力。
图1 用于制造结构彩色执行器的光子LC材料概述以及相应的致动和结构颜色变化机制。左：具有手性光子结构的LC，包括CLC，CNC和BPLC。当暴露于刺激时，光子LC的间距/晶格间距增加，导致尺寸和结构颜色变化。中：LC 与蛋白石/反向蛋白石结构;球体代表纳米颗粒或空气空隙。右图：具有两种介质交替层的 LC，具有不同的折射率。当暴露于刺激时，LC的无序变化引起各向异性变形，导致晶格间距和结构颜色变化。Δλmax代表在报道的文献中实现的最大结构色移。
图2 CLC液滴分散的PVA薄膜。（a）扁形-CLC-液滴分散的PVA薄膜的示意图，其扁形CLC液滴的梯度分布垂直于薄膜平面，因此当扁形CLC液滴被加热到各向同性相时，垂直于薄膜平面的梯度热膨胀。（b）黑色岩石上的“章鱼”在加热和冷却时可逆地从蓝色变为无色，形状从平坦变为弯曲，以进行伪装。
图3 基于CLCE的温度响应型双层结构彩色执行器。(a) 用于制备CLCE层的单体的分子结构的温度响应型双层结构颜色执行器。(b) 说明用于制备层压CLCE/N LCE的层压技术。(c) 双层薄膜在形状变换过程中的拓扑剖面图（左）和实物图（右），表现出并发的颜色变化。
论文信息：
相关研究成果以“Liquid crystal-based structural color actuators”为题发表在《Light: Science & Applications》。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00937-y
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