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，設計出一種可因應刺激作出反應而改變顔色的像素化變色軟體系統，研究成果已於《先進科學》發表。
可在熱量、濕度和溶劑等環境刺激下作出響應式變色的軟體系統，一直是科學家研發的焦點，用以實現智慧軟設備，應用於軟機器人的偽裝皮膚、可穿戴設備中的顯色傳感器，以至醫療上可隨感染變色的藥用繃帶等方面極具開發潛力。
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，並由港大機械工程系潘益博士主導。
團隊研發的像素化變色軟體系統，名爲「可控形變的凹面陣列」（Morphable Concavity Array, MoCA），靈感來源於蝴蝶翅膀上被稱為雙色微腔的結構，這種結構能產生鮮豔的「炫彩」，彩光澤隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化。
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性結構。蝴蝶翅膀上的凹坑可以反射特定波長的光線，根據光線的角度和觀眾的視角產生兩種不同的顏色。
團隊製備的MoCA是一種薄（厚度約為3根頭髮絲）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）注入乙醇膨脹後，由此產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。空腔形成後，像素的可見光顏色由紅色變為藍色。（見圖）
MoCA的變色策略是通過改變其局部形態實現的，特別是通過控制 "平面 "和 "凹面 "狀態之間的轉換。
「MoCA 再現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生不同顏色的像素化變色系統，它具有革命性的意義。 這使得MoCA有別於其他像素化變色系統。」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，讓軟體系統可像素化操作展示出多彩顔色。
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，乙醇通過管道系統輸送，每個像素都與單獨的 "管道系統 "相連，讓操作可像素化，這為傳統的電致變色方法提供了一種補充。」
這種像素化的變色軟體系統為智慧軟體設備開創更多可能，包括前述的軟體機器人的偽裝皮膚和可穿戴設備中的顯色傳感器，或可作為防偽標籤，在服裝等產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。
「對於利用形變來調控光學器件性能的例子我們並不陌生，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製成陣列，那麽類似昆蟲複眼的功能即可實現。」岑教授說。
複眼包含多個光處理結構，與非複眼相比具有多種優勢，例如視野更寬，能夠同時聚焦於多個物體。團隊的長遠目標是利用MoCA背後的原理，構建模仿甚至超越昆蟲複眼功能的光學設備，未來會把這種通過操縱表面形貌實現的像素化策略，引用於仿生學和軟體機器人的分層介面和多重光學系統的設計當中。
研究團隊亦將繼續致力於軟物質與微流體的基礎研究、積極探索應用於構建新型光學器件等前沿用途。
聲明:本文所使用的材料來自論文(Yi Pan, Chang Li, Xiaoyu Hou, Zhenyu Yang, Mingzhu Li, Ho Cheung Shum. Pixelating Responsive Structural Color via a Bioinspired Morphable Concavity Array (MoCA) Composed of 2D Photonic Crystal Elastomer Actuators. Advanced Science, 2023, 10, 2300347.)，並遵循其CC BY 4.0許可條款(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)，所有材料均未經任何更改。
論文連結： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202300347
