動物王國中充滿了具有主動偽裝功能的生物。看起來像一堆單調的沙子和岩石，實際上可能是一隻色彩鮮艷的烏賊，它們擴大和收縮皮膚內的結構，以顯示出棕色和灰色的色調，而不是充滿活力的藍色和黃色。這些細胞被稱為色團，它們可以根據外部刺激擴大和縮小內部反射板，使動物能夠與周圍環境的顏色和圖案相匹配，並在瞬間消失。
現在，賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員正從這種主動偽裝中獲得靈感。利用由液晶聚合物網絡製成的薄而靈活的膜，這些研究人員已經開發出一種人工色團，可以根據指令瞬間改變顏色–從近紅外到可見光到紫外光。
由於每個人工色團就像一個像素，研究人員的原型能夠與周圍的顏色和紋理相匹配，以達到偽裝的效果
這些膜位於排列成網格的微小空腔上，每個空腔都可以通過氣動方式充氣到一個精確的壓力。當一個空腔充氣時，膜被拉伸，收縮其厚度並改變其表面顏色。
最重要的是，這些膜不需要被拉伸很多來達到這種效果。使用相當於輕輕觸摸的壓力，它們的顏色可以被改變為可見光譜內的任何東西。使用類似機制的變色材料在歷史上需要變形75%才能從紅色轉變為藍色，這使得它們無法在有固定尺寸的環境中使用，如顯示器或窗戶。
由於研究人員的人造發色體需要不到20%的變形就可以達到同樣的效果，它們可以像液晶顯示器中的像素一樣排列，而且，由於研究人員的系統中的分層液晶有自己的反射顏色，它們不需要背光，因此不需要持續的電源來維持其固有的鮮艷外觀。
Shu Yang和Se-Um Kim
雖然研究人員的原型顯示器每個只有幾十個像素，但一項展示其變色能力背後原理的研究概述了其在各種偽裝技術中的潛力，以及在建築、機器人、傳感器和其他領域的應用。
這項研究發表在《自然-材料》雜誌上，由材料科學與工程系約瑟夫-波多格納教授兼系主任楊舒和當時在其實驗室做博士后研究的Se-Um Kim領導。Yang實驗室的成員Young-Joo Lee、Jiaqi Liu、Dae Seok Kim和Haihuan Wang也對這項研究做出了貢獻。
“我們實驗室一直對結構顏色感興趣，包括如何通過使用機械力來改變它，”Yang說。”例如，我們之前證明了一種變色的聚合物可能對士兵和運動員的腦部創傷發出信號。在研究一些動物如何進化出結構性顏色時，我們意識到它們有像顯示器中的像素一樣工作的彈性細胞，我們有可能採取類似的方法。”
結構性色彩，即賦予蝴蝶翅膀和孔雀羽毛彩虹色的現象，通常比顏料或基於染料的顏色更亮，是在光線與表面的微觀特徵相互作用時產生的。在研究人員的顯示器中，這些特徵存在於一類被稱為”主鏈手性線型液晶彈性體”或MCLCEs的材料中。液晶是內在的各向異性材料，這意味着它們的特性根據其方向性而變化。MCLCE的螺旋形狀允許大的彈性各向異性，因為螺旋的間距可以輕易改變。
顯示器中的一個空腔被充氣時，其MCLCE膜被拉伸，就像壓縮彈簧一樣，這減少了膜內液晶螺旋的間距，改變了反射到觀看者身上的光的波長。通過繪製出使每個人工色團達到所需顏色所需的確切壓力，研究人員能夠像顯示器中的像素一樣對它們進行編程。即使沒有為每個像素單獨設置氣動泵，這種水平的控制也是可能的。
“我想在一個簡單的操作中同時產生紅色、綠色和藍色，”Kim說，”所以我把不同寬度的腔體連接到同一個空氣通道上。這意味着，儘管經歷了相同的壓力，但每個像素的變形程度和顏色都不同，從而降低了整個裝置的複雜性”。
多個像素可以連接到同一個氣泵上，從而可以實現更複雜的顯示
只使用兩個空氣通道，研究人員的原型可以產生7乘5的棋盤圖案，與周圍表面的陰影和紋理相匹配。有了七條通道，他們就能以液晶時鐘中的七段式彩色顯示器的方式呈現數字。
研究人員認為，MCLCEs獨特的機械變色性能將激勵人們創造新的仿生物光子設備和傳感器，儘管這種材料的機制相對簡單，但卻具有高度敏感性和複雜性。他們還計劃進一步展示3D顯示器，以及通過改變顏色對環境溫度做出反應的”智能”窗戶。