上海交大團隊開發視覺偽裝系統:可應用於生態監測等方面

偽裝在自然界中常見，比如章魚、魷魚等頭足類動物和變色龍之類的爬行動物，它們透過面板下肌肉驅動的色素細胞和虹色細胞實現變色，從而使其外觀與周圍環境相匹配、躲避追捕。

受變色動物的啟發，上海交通大學化學化工學院印傑-姜學松教授課題組開發了一種光碟機動的適應性視覺偽裝系統，利用褶皺實現偽裝、暴露兩種狀態之間的切換。

論文第一作者、上海交通大學博士生馬天驕對澎湃新聞（www。thepaper。cn）記者表示，他們已經實現了在不同波長驅動的綠葉和枯葉背景下的偽裝、紅外光碟機動的無序圖案背景下的偽裝、日光下黑色背景下的偽裝，以及透明材料在任意背景下的偽裝。

“具體應用到生活中可能還有很長的路要走。可能會應用到軍事偽裝（避免軍事目標被敵人發現而減少損傷）、生態監測（使裝置融入環境，而不驚擾生物生存）等方面。”馬天驕表示。

相關研究11月30日發表在《美國科學院院報》上，論文標題為“Light-driven dynamic surface wrinkles for adaptive visible camouflage”（用於自適應可見偽裝的光碟機動動態表面褶皺）。

如今，配置簡單、使用者友好、穩定、低成本和節能的偽裝方法的需求日益增加。目前，科學家們已經開發了可見光和紅外偽裝等偽裝技術，能夠隱藏光、電磁、聲音或熱訊號。

不過，大多數現有偽裝材料以主動形式工作，需要額外的機械刺激、電刺激甚至外部感測器。這就會增加設計的複雜性，可能讓偽裝系統的外觀看起來笨拙，而且高壓電源會增加能耗。因此，開發具有色彩多樣性、原位動態特性和高能效的偽裝策略具有必要性。

此項研究中，研究者展示了使用光碟機動動態表面褶皺的自適應可見偽裝的可行策略。

“褶皺圖案在生活中很常見，比如干癟的蘋果皮，人臉上的皺紋，泡脹的手指表面等，而我們研究的是尺度在微奈米級別的表面褶皺圖案。”馬天驕介紹道。

這種廣泛存在的微奈米級的表面褶皺能夠控制光傳播，包括光的反射、吸收和散射，從而可以調整觀察者或檢測裝置的所接收的光訊號。

“關於褶皺圖案的研究，基於線性屈服理論，前人提出了雙層褶皺模型。”馬天驕解釋道，這是指一個軟而厚的基底加上硬而薄的表層，透過加熱-冷卻，溶脹-乾燥，拉伸-釋放等過程，體系內表層與底層存在應力不匹配，體系為了使能量最低、最穩定，便自發形成褶皺。

“變色龍等動物表皮有色素細胞和虹色細胞兩種，所以它們的偽裝是由色素色與結構色兩種共同導致的。受它們啟發，我們的雙層褶皺模型中，基底混合的染料提供本徵色，而表面薄膜干涉提供結構色，這與變色龍的表皮顏色原理比較類似。因而我們猜想：是否也可以實現類似於章魚、變色龍之類的偽裝效果。”馬天驕表示。 他們設計了一種雙層系統，其中基底由含有顏料的聚二甲基矽氧烷 （顏料-PDMS） 組成，可吸收和反射特定波長的可見光，顯示出類似色素的特定顏色。而剛性表層則是一個含蒽共聚物（PAN）的薄膜。

該系統如何實現視覺偽裝？在起皺狀態下，褶皺結構引起強烈的光散射，觀察者能看到表層的干涉色和的基底顏色；而隨著光線照射，顏料-PDMS 的光熱效應引起的熱膨脹消除了褶皺，即褶皺變平滑，觀察者只能看到基底顏色（該顏色被選擇為與背景一致）。

簡而言之，若無光的照射，該表面呈現與背景不同的曝光狀態；若有光的照射，則切換至與周圍環境相似的偽裝狀態。

研究者表示，該系統無需任何外部感測器和額外刺激，可在自然條件下實現完全自適應偽裝。因此，該研究為具有色彩多樣性的自適應可見偽裝提供了一種低成本、易於配置、易於操作且有效的策略。

這種光碟機動的動態表面皺紋可以是一個動態平臺，可能在智慧顯示、資訊儲存和防偽等方面具有潛在應用。

馬天驕表示，由於表面微觀圖案與宏觀圖案可在光刺激下改變，因此能實現智慧顯示；由於褶皺具有類似指紋的獨特細節，可應用到防偽中，而光碟機動的動態褶皺的動態特性，則能進一步增強防偽的安全性，也可以用於資訊儲存，增大儲存容量。

不過，他也認為短期內不太可能實際應用，因為目前還有很多問題要解決。“由於我們利用的是光熱效應帶來的圖案變化，該體系會升溫（雖然溫度不高），這尚未得到很好的解決；再如，雙層體系的機械效能不夠穩定，關於這點我們已經成功製備了許多單層褶皺，它們非常穩定，但尚未應用到偽裝領域。”

未來，他們也可能會探索如何實現多種偽裝狀態之間切換。

據馬天驕介紹，這項研究約用了3年時間。他們很早就設計了多種波長響應的褶皺圖案，後來約花兩年時間探索在不同背景、不同光碟機動的偽裝效果。

“我們最開始只是設計了一種多種波長響應的褶皺圖案。後來，我們一直探索褶皺在光學上的應用，因為它對光的散射或衍射都有很奇妙的效能。偽裝是光學應用的一種。”

“後來，受一篇《科學》（Science）論文啟發，其利用褶皺對紅外光的調控實現了紅外偽裝。我們想，褶皺對可見光也有很強的調節作用，能不能實現可見光偽裝，這相比於紅外偽裝也有很重要的意義。因而，我們開始探索褶皺圖案在可見光偽裝方面的應用。”

馬天驕表示，他們一直在探索褶皺圖案的機制、動態、應用等，未來繼續如此。