26岁上海交大青年研发仿生迷彩材料，自适应可见光伪装，有望用于战时装备与人员保护
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“真的是拍得我汗流浃背，” 26 岁的上海交大博士生马天骄回忆称。
2020 年的上海盛夏，他蹲在烈日下和树荫下去拍摄伪装效果。有时条件不好把握，拍摄出的效果总是不太好，前后大概摸索了一俩月。
图 | 马天骄（来源：马天骄）
这些汗水没白流，11 月 22 日，其担任一作的论文以《光驱动的动态表面褶皱，应用于自适应的可见光伪装》（Light-driven dynamic surface wrinkles for adaptive visible camouflage）为题发表在 PNAS 上，他的导师姜学松教授担任通讯作者[1]。
研究中，他设计出一种新型伪装技术，仅使用光即可改变一个人的外貌。通过借鉴头足类动物的生物学并借助彩色薄膜，这种光驱动技术可产生褶皱，从而实现散射颜色信息。目前，他已实现对多种动物的伪装，比如伪装虫子和蝴蝶。
（来源：PNAS）
给点阳光，就能工作
在自然世界，很多动物都具备伪装技能。鱿鱼把身体颜色变为海底的颜色，以避免成为其他动物的嘴下猎物。变色龙则更强大，一天之内可连续几次变色，其主要依靠色素细胞和虹色细胞这两种细胞的变色来进行伪装。
但是，人类在伪装艺术并不是很有天赋。比如，一个隐秘的野生动物摄影师固然可以穿上绿棕色的斑点夹克，但仍然无法像鱿鱼或章鱼那样灵活。
从外表模仿学到精髓，是否可以从变色动物的生物原理上进行模仿？
（来源：PNAS）
基于此，该研究中使用的褶皱图案，也借鉴了变色龙的颜色原理，这种图案也有一个基底和表层结构色，两者结合之后即可进行颜色上的伪装。
由于动态表面褶皱可让材料按需控制反射光信号，并可提供自适应形式的伪装。因此马天骄在研究中，展示了一种基于光驱动的动态表面褶皱的自适应可见伪装策略。
迄今为止，已经报道了许多自适应伪装材料和系统，因此设计伪装技术并不是一个新想法，而该研究的与众不同之处，在于低成本的技术。大多数动态伪装系统都以主动形式工作，同时需要额外机械或电刺激，有时甚至需要外部传感器，这些要求增加了设计的复杂性和质量，做出来的设备也比较笨拙。
（来源：PNAS）
此外，高电源电压会增加能源耗用。如果使用透明材料，仍旧需要外部能源进行光驱动。而该团队的技术无需依赖额外的电源或传感器，只需使用阳光即可工作，即依靠自然光作为驱动力。
马天骄表示，之前的伪装类研究大多采用主动式控制。而该研究采用的技术手段比较新颖，即采用了被动式控制。
他所在的课题组主要是研究褶皱，受到相关启发之后，他发现褶皱图案可用于伪装领域。
在此之前，该团队就做出了依靠光驱动的褶皱图案，但一直没有跟伪装联系起来。后来受到自然界的启发，联想到褶皱图案也可用于光学领域。同时也注意到，通过褶皱图案可对红外信号进行调控。于是，马天骄开始思考，这个图案是否也能对可见光信号进行调控？
接下来，他开始探索在伪装方面的应用，并开始研究不同条件下的伪装。一开始使用比较简单的背景比如黑色，后来丰富到其他背景例如绿色等。再后来丰富到在太阳光下的伪装，最后丰富到可在透明环境在内的任何条件下的伪装。
两种 “双层结构”
具体来说，他使用一个包含蒽共聚物（PAN）和含色素的聚二甲基硅氧烷（色素-PDMS）的双层系统。
在该系统中，光热效应诱导的色素-PDMS的热膨胀可以消除褶皱，而多波长光驱动的动态表面褶皱则能调节光的散射、以及蒽共聚物薄膜干涉颜色的可见性。
据介绍，马天骄捕捉到的颜色，可在与背景不同的曝光状态、以及与周围环境相似的伪装状态之间切换。这类面向自适应可见伪装的双层褶皱系统，不仅配置简单，而且操作方便、用途广泛，且具有没有任何外部传感器和额外刺激的原位动态特性。
（来源：PNAS）
为了更好地显示这种伪装技术制备出的动物般的 “皮肤”，他制备了一种双层结构：刚性聚合物薄膜、以及混合颜料的软基材层。
材料的每一层都有不同的热膨胀率。一层注入混合颜色的颜料，另一层与背景颜色相同。当材料冷却时，各层具有不同的收缩应力，从而在表面形成细小的皱纹和折痕。照射在表面上的光线使这些层升温，使它们以不同的速度膨胀，并使两种材料再次变得光滑。
创建和消除这些皱纹可以控制任何颜色反射光的可见性：在起皱状态下，反射出明亮颜色的混合光谱，但当材料变平滑时，反射的颜色与背景相匹配，材料中的任何包层都会被伪装。
（来源：PNAS）
当受到光波撞击时，这种柔软的有色层会膨胀和收缩，而这两层状态之间的“不匹配”会在皮肤上产生可逆的皱纹。其中涉及到散射光的科学原理，它能决定皮肤是彩色还是隐藏。
当所有的东西都皱缩起来时，他发现光线强烈地从表面散射出来，这可能是因为表面有更高的粗糙度可以散射，这和切割玻璃的光散射是同样道理。在这种皱纹状态下，皮肤呈现出鲜艳的色彩。然而，当皱纹变平时，皮肤反而呈现出周围环境的颜色，这意味着伪装十分有效。
概括来说，在没有任何外部传感器和额外刺激的被动控制下，该材料表现出了原位动态特性，甚至可在自然条件下实现完全的适应性伪装。因此，该研究提供了一种低成本、配置简单、易于操作、有效的适应性可见伪装的策略。
（来源：PNAS）
更 “亲民” 的应用：检测动物生活状态
马天骄表示，研究中无时无刻不在克服困难，一开始染料和背景很难匹配到比较好的状态，只好暂停研究转而学习色彩知识。
再就是做透明条件下的伪装时，一开始很想做但就是做不出来，后来借用其他团队的透明材料，终于达到目的，他表示，这是一种在可见光下透明、同时又可以吸红外光的材料。不过其他材料在造价上都比较低廉，使用的都是市面上能买到的橡胶或塑料。
此外，想要让伪装达到比较好的效果，在染料用量、褶皱形貌、光的强度、背景、拍照设备等方面，都需要一定时间的摸索。
（来源：PNAS）
目前，这项技术的主要应用是有望为军方开发一种可选择的伪装技术，这有助于减少战斗中的生命损失。伪装使设备或机器人能够无缝融入其环境，以进行有效的环境和物种监测。此外，侦察和反侦察在战场上的目标生存能力方面发挥着重要作用。而伪装有助于军事目标避免被敌人发现，从而减少伤亡。
更“亲民”的应用，是用在动物园或野生动物保护区，去监测动物的生活状态。如果使用更能和自然环境融为一体的设备，那么在监测时就不至于打扰动物。要想具备更好的落地前景，还需解决稳定性，以及避免材料升温等问题。但是，单就依靠外界刺激可以变色这一成果，还可用于智能显示和防伪系统等领域。
下一步，他打算继续在伪装领域探索，还将设法让材料实现不同颜色的变化。目前只是伪装和暴露两种状态之间的切换，如果加一些可变色染料，或者让薄膜厚度可以进行切换，即可实现在不同条件下的环境匹配。
（来源：PNAS）
他认为，该策略有望将热致色颜料和厚度动态可调的薄膜应用到双层体系中，使颜色更丰富，以适应更多的背景。此外，还可以通过波长控制的温度来创建多态颜色，从而实现多态伪装。
接下来，他打算增加这款褶皱皮肤的颜色感知和动态适应性。现在，平面皮肤默认的背景颜色是预先编程好的，为的是可以匹配周围环境。未来，这项技术或可对周围环境进行智能化颜色匹配。
图 | 马天骄（来源：马天骄）
据介绍，马天骄是河北保定人，生于 1994 年，高中就读于河北衡水高中，通过化学竞赛拿到省一等奖，并被保送至上海交大化学化工学院，后又被保送读直博，博士就读于上海交通大学化学化工学院印杰-姜学松课题组。明年即将毕业，未来仍打算从事科研。
-End-
1、Tianjiao Ma, Jing Bai, Tiantian Li, Shuai Chen, Xiaodong Ma, Jie Yin, and Xuesong Jiang. Light-driven dynamic surface wrinkles for adaptive visible camouflage. PNAS 2021, 118 (48), e2114345118. https://www.pnas.org/content/118/48/e2114345118
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