长期以来，科学家和工程师们一直在追求模仿生物学变形和变色来开发新的功能材料，拓展软体机器人的环境自适应性以及信息交互能力。到目前为止，开发一种快速响应、宽色域动态调节、无线操控、可编程变形-变色的软体机器人结构仍然是一个巨大的挑战。
中科院上海硅酸盐研究所孙静团队的王冉冉研究员和程荫副研究员，与新加坡国立大学Ho Ghim Wei教授进行合作研究，通过模拟变色龙鸟嘌呤纳米晶体的晶格调谐机制，设计了一种由光子晶体(PC)薄膜和磁驱动器构成的柔性磁致变形变色结构(SoMMeC)。磁-力-色的耦合机制使得SoMMeC机器人具有同步形态-颜色可调性，在无线驱动下能够实现快速（0.1秒）、宽色域（全可见光波段）、可动态编程的形态-颜色转换。展示了SoMMeC智能结构的应用，包括动态彩虹色和伪装软体机器人，视觉传感软抓手，以及信息隐藏和多级加密编码器。相关研究以“Programmable robotic shape shifting and color morphing dynamics through magneto-mechano-chromic coupling”为题发表在最新一期国际期刊《Advanced Materials》。论文第一作者是黎雪玲硕士与程荫副研究员，通讯作者为程荫副研究员、Ho Ghim Wei教授和王冉冉研究员。
图文解析
图1. 磁-力-色（MMC）耦合的SoMMeC结构设计受变色龙的主动变色启发，SoMMeC结构由光子晶体层和磁性驱动层组成(图1)。在磁刺激下，表面压缩或拉伸横向应变，导致PC晶格间距的主动调节，实现光子带隙的移动。开发了预测模型分析协同耦合作用，物理推导建立了依赖于应变的形状-颜色演变图。该模型有利于不同用途的SoMMeC结构设计参数的理论优化。与最先进的变色机器人相比，SoMMeC机器人在色调变化的响应时间和稳定获取多色调方面处于最高水平。非紧密堆积的光子晶体采用SiO2纳米颗粒在聚合物前驱体中自组装形成。光子晶体的反射波长在70%的应变下跨越160 nm，实现了从红色到蓝色的连续变色，建立了薄膜的颜色随应变变化的演化轨迹。经过2000次循环拉伸、高温（80℃）和低温（-18℃）的苛刻环境测试后，光子晶体薄膜的颜色仍具有优异的可逆性（图2）。在长达一年时间里无任何褪色现象产生，证明了其长时间稳定性。可编程磁驱动器采用钕铁硼（NdFeB）复合材料，调整NdFeB微粒含量以调控其磁响应性能。实验表明当PDMS中单体与固化剂的比例为30：1，NdFeB的体积分数为15%时，磁弹性体表现出良好的柔性（伸长率超过200%）和较高的磁矩密度（101.87 kA/m-1），在2000次的循环刺激下依然保持稳定的磁响应性（图3）。模仿动物主动改变皮肤颜色的技能，设计了基于SoMMeC的履带式机器人和滚动机器人（图4）:履带式机器人在起伏的爬行运动伴随着不断变化的彩虹色皮肤；滚动机器人由平坦的黄色转变为凹形红色或凸形蓝色的半球形。这种均匀的颜色转换可利用于机器人伪装策略。机器人部署在模拟森林环境中，动态变色与红色花瓣融为一体。抓握感知是实现抓握精确控制的必要条件，与颜色相关的视觉传感可以补充传统的数字传感，从而减少对复杂的电子或机械传感器的需求。组装了一个SoMMeC软夹持器，由于夹持器弯曲可引起表面颜色变化。使用简单的成像工具（如智能手机），采用HSV色彩空间的色相通道进行量化。SoMMeC夹持器通过夹持臂的PC像素色调组合来识别不同的大小和形状的货物。
SoMMeC以其灵活性和可设计的光学特性为图像隐藏和信息加密提供了一种极具潜力的选择。磁性图像信息使用NdFeB-PDMS作为磁性墨水写入CB-PDMS薄片。预设图案在磁场控制下转换为显示或隐藏两种状态，并且还可以使用振荡磁场擦除。图像显示顺序可以通过调节钕铁硼的体积分数和外加磁场强度进行编程。设计了基于SoMMeC的像素编码器（PE-disk），将字母信息隐藏在颜色中，通过不同颜色的组合进行解码。通过调整每个像素的磁化方式，将国际紧急信号“SOS”的三组颜色编码到PE-disk中，获得解密信息的授权个人通过对PE-disk施加向上的磁场得到解密信息。进一步提高机密信息的安全级别，开发了双密钥包括环形阵列磁场和PE-disk旋转角度。因此只有正确磁体组合及旋转角度才能解密正确的目标信息。而多级模式加密系统在接收到不正确的密钥或不正确的解密顺序时，会产生虚假信息（图6）。在软结构中集成形态和颜色变化的有望应用于复杂机器人及传感领域，但目前仍面临着响应速度缓慢、可调颜色单一、易受环境干扰、缺乏可编程性等问题。在这项工作中，研究人员成功地模拟了变色龙的调色机制，提出了一种由光子膜和磁驱动膜组成的双层SoMMeC结构。协同MMC耦合实现了快速、动态、无线和可编程的形态-颜色可调性。在结构上，优异的机械性能可承受拉伸、弯曲和扭曲变形。在功能上，经过上千次循环测试，磁响应性和变色性能保持稳定响应。论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202406714