变色龙仿生材料的研究进展
发布时间：2022-03-23
摘 要：自然界中变色龙可以根据周围环境的变化主动改变自身的保护色，文中详细介绍了变色龙体表根据环境的变色机制，变色龙仿生在变色皮肤、变色软体机器人、变色器件以及变色复合薄膜等领域的应用。在纺织领域变色龙仿生材料目前主要用作变色服装、变色纤维、变色龙涂料等。
关键词：变色龙;仿生;纺织品
0 前言
在自然界中，适者生存，弱者淘汰，为了使自己的种群在残酷的自然界中生存下来，许多生物都进化出了与当地环境相符的独特的保护色。如狮子、猎豹等，它们的颜色和自然环境相类似，在捕食时可以很好地融入到自然环境中，这样便可以隐匿行踪，出其不意地对猎物发起攻击。许多处于食物链底端的动物为了免遭捕食者的伤害，它们身上也拥有着独特的可以融入周围环境的色彩。动物的保护色可以分为以下三类：与背景相符的单一颜色、与背景相符的多种迷彩色，以及与背景有较大区别的花纹或斑点。
除了以上被动地适应环境的生物之外，还有一些动物，它们可以主动根据周围环境的变化去改变身体的保护色，如根据光照强度、湿度、温度等改变颜色。这样多变的色彩不仅有助于其免遭捕食者的毒口，还能很好地帮助其在危险的环境中获得生存所必需的食物或能量。
其中，变色龙和章鱼等动物便是变色生物中的佼佼者，它们具有高超的变色技巧。随着环境光照强度、温度、湿度和自身心理情绪的改变，其表皮内各种色素细胞，以及虹细胞便会发生结构变化、堆积分布，使表皮颜色发生改变，以适应环境变化。这种生物调控的颜色变化速度快，且颜色多样，具有很强的主动性，符合人们对于最优异的变色伪装技术的期望。
虽然在二十世纪七八十年代人们对于变色生物的生理学变色机理已经进行了大量的调查和研究，但是对于其变色机理未能够从分子层面进行更多的探索。随着变色伪装需求的增加，直到近些年相关仿生变色技术才再次回到人们的视野，尽管在仿生变色方面还存在着许多问题需要解决，但其发展和应用的前景仍然值得人们去探索和研究。
1 变色龙简介及其变色原理
变色龙从属于蜥蜴，学名避役，其拥有高超的变色技巧，能在很短的时间内通过改变体表的颜色进而适应周围环境的变化。其可以产生多种颜色，如红色、蓝色、黑色等[4-6] 。变色龙的变色机制十分复杂，涉及到多个生物系统、生物感官和生物细胞[7-10] 。
变色龙可以根据环境的变化主动调节体表的颜色，即它的体表颜色变化是完全自主且可控的。这主要是因为在变色龙的皮肤内部存在着多种与其颜色变化相关的细胞，分别为色素细胞、虹细胞及黑色素细胞[11-14] 。这些细胞广泛分布在变色龙皮肤内部的真皮层(见图2)。
上面所述的三种细胞在变色龙体表颜色变化的过程中发挥不同的作用。
①黑色素细胞：黑色素细胞内部含有大量黑色素，这些黑色素可以调控其体表颜色的明暗变化：当大量的黑色素转移堆积到黑色素细胞的储囊内部时，其体表颜色的明度就会大大增强;与之相反，当大量的黑色素聚集到皮肤表层时，这些黑色素会破坏其他两种调控颜色的细胞所发出的光信号，使得皮肤表面的明度大大减弱，造成皮肤变暗[13-15] 。还有研究者分析了cAMP浓度对于黑色素扩散的影响，结果表明，当黑色素细胞内的 cAMP 浓度降低时，黑色素会出现扩散现象。而当 cAMP 的浓度升高时，黑色素会发生聚集。有研究者发现，当黑色素细胞内含有 cAMP 合成酶抑制剂或者促肾上腺激素时，就可以很好地阻碍 cAMP的产生，进而促进黑色素的扩散[16] 。
②色素细胞：真皮表层存在着黄色素细胞和红色素细胞，其分别表现为黄色和红色。这两种细胞的颜色差异是由于它们含有的嘌呤及类胡萝卜素的种类、比例不同所引起的[17] 。这两种细胞主要是通过吸收太阳光来使体表颜色发生改变，具体过程为：当两种细胞吸收了太阳光中的紫外光和蓝光后，它们所含的嘌呤以及类胡萝卜素就会发生转移，从而引起细胞内的彩色部分发生收缩或扩张，分别显示为黄色或红色。这两种颜色可以按不同的比例自由分配组合，形成其他各种颜色[18] 。在整个变化过程中，细胞内的钙离子发挥着重要的作用。钙离子浓度的增加会引起色素细胞发生聚集收缩，并且当钙离子浓度降低到正常状态时，色素细胞的收缩状态也不能够马上恢复[19] 。
③虹细胞：虹细胞内部含有大量鸟嘌呤，当虹细胞受到太阳光照射时，可以调节其内部大量鸟嘌呤排布的方向和间隔，使得照射的太阳光发生分裂，形成反射和折射光线。折射光线进入到虹细胞的细胞间质中，通过不断地循环上述过程，直至被彻底弱化[20-24] 。在这一过程中，会产生不同颜色的反射光，甚至形成彩虹色。还会有一部分反射光穿过真皮层到达体表，影响体表色彩的纯度，同时还会加强或者补充红色素细胞和黄色素细胞的混色色相，并使体表颜色的明度有微小改变。
虽然与变色龙体表颜色变化相关的三种细胞对于颜色变化的影响各有不同，但它们存在着一定的合作关系。其中，黄色素细胞和红色素细胞主要参与形成体表颜色的基本色相，如黄、红色，同时还可调节体表颜色的饱和度和明暗度;虹细胞主要负责形成彩虹色，控制体表颜色的饱和度，并与上层色素细胞混色，进而扩大整个体表颜色的色相范围;黑色素细胞主要通过黑色素的转移和聚集来调控体表的明度[25] 。
2 变色龙仿生材料的应用
2.1 变色龙仿生器材及材料的开发
目前，根据变色龙变色原理所制备的仿生器材及材料还较少，但也有一些研究者在变色龙仿生领域获得了一些成果。
斯坦福大学的科研团队[26] 通过变色原理，将压力感应器与电致变色材料相结合，成功开发出一种可以变换色彩的仿生皮肤。该皮肤首先利用压力感应器将其所承受的压力转化为电信号，然后通过碳纳米管将电信号传递到电致变色材料中，能够实现颜色的改变。该仿生变色皮肤的主要优点是能够通过感应压力信号的变化而使其颜色随之发生改变，不过它的缺陷是只模仿了变色龙色素细胞的变色原理，没有涉及到虹细胞及黑色素细胞，仿生层次较低，并且其只能在电致变色材料的两种颜色之间转化，色彩变化单一，丰富度不高。中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队，通过研究变色龙的变色原理，成功开发出能够根据环境变化而改变自身色彩的软体爬行机器人[27] 。该机器人的变色功能主要依赖于一款新的变色薄膜。当受到光的照射时，薄膜内部通过填充溶剂蒸气，使得材料的折射率改变，进而使光的反射效果发生变化，最终展示出不同的颜色效果。试验结果表明，该变色薄膜在溶剂环境下的颜色变化灵敏度很高，可以快至0.2 s，并且可以通过控制薄膜在溶剂环境下暴露的时间长短，使得颜色发生不同的变化。
ZHAO P F[28] 等人通过模仿变色龙的变色原理，采用纳米压印技术制备了一种基于SMAC的电致变色器件。该器件能把电能转化为机械能并驱动可伸缩光子晶体变色，试验测试了该器件在不同电压下的电致变色性能。结果表明，在 1.0~1.5 V电压下，该器件可以在整个可见光范围内实现变色，所需的总变形量小于 30%。比较分析了基于 SMAC的可伸缩电致变色器件与其他电致变色器件或结构的性能，发现该可伸缩电致变色器件具有驱动电压低、柔顺性好、变色范围宽、响应时间短、有效变色面积大等特点，并且还以特殊图案展示了可伸缩电致变色器件优异的软动态显示和伪装功能，验证了该器件的高抗冲击性能。
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田甜[29] 还对变色龙的变色机理进行了模拟，并在此基础上进行了一定的仿生研究，使用介孔材料如二氧化硅以及光致变色活性分子制备了光致变色复合薄膜。试验结果表明，该复合薄膜在太阳光照下具有优异的变色性能，且该薄膜不易被破坏，在太阳光下具有良好的稳定性。该复合薄膜的研究为军事伪装研究奠定了一定的基础，也为变色龙仿生工作的进行提供了有力的支持。
2.2 变色龙仿生材料在纺织领域的应用
据报道，复旦大学的科研团队[30] 通过研究变色龙的变色原理，成功研制出一款先进的复合纤维。该复合纤维由碳纳米管和聚二炔材料组成，在通电时可以快速地改变颜色。该特性可以使得该复合纤维应用于多个领域，如霓虹灯、显色器、太阳能电池等。
除了模仿变色龙制造的变色纤维之外，也有一些变色服装被开发出来。美国康涅狄格的科研团队[31] 发明了能够在电场作用下变换颜色的服装。据报道，该服装是由一种特殊的丝线纺成，其在电场作用下具有优异的电致变色性能。该服装变色的具体过程为：当丝线受到一定的电压作用时，丝线中的电子可以吸收一定波长的光线，并且随着电压的升高或降低，电子能量会发生改变，导致所吸收光的波长发生变化，进而使服装呈现不同的颜色。但是目前这种服装的颜色变化范围还比较狭窄，实用性不强，仅能实现几种简单颜色的转换。
受到变色龙的启发，加拿大的科学家[32] 开发出一款智能的变色服装，该服装可以根据穿戴者运动的变化改变自身的颜色和形状。其变色功能主要通过一种特殊的电子纤维来实现，当穿戴者进行不同的运动时，纤维可以储存身体运动产生的能量，利用这些能量改变衣物的颜色。该服装的制造过程不是简单的将电子纤维编织到衣物上，而是将具有特殊功能的元件直接植入到织物中，当织物随着穿戴者的运动而发生拉伸时，便能够储存产生的能量。虽然该产品的研发还处于起步阶段，但其创意还是给了人们很多的启发。
在纺织领域，还出现了一种新型的变色龙涂料，可以使服装达到变色的功能。变色龙涂料[33] 主要是利用温感变色材料制备而成。温感变色材料存在电子给予体和电子接受体，并且两者的氧化还原电位相差不大，当外界的温度升高或降低时，氧化还原反应的方向会随之改变，使得参与反应的电子发生不同方向的转移，在这个过程中，电子会吸收或放出一定波长的光，从而使颜色产生不同的变化。
目前，虽然变色龙的变色原理在纺织领域得到了一定的应用，但是大多停留在光致变色、温致变色、电致变色材料来达到变色的效果，对于变色龙更深层次的研究还比较少，如何使衣物能够根据环境变化而变换色彩的问题还没有得到根本的解决。
3 结论与展望
近几年，人们对于仿生变色材料的开发已经取得了较大的进步，但在变色伪装技术的研发与应用方面还存在着一些需要改进的问题。首先是理论方面，对变色生物的变色机理研究的还不够透彻，研发工作受到很大的阻碍。其次，实际的研发工作深度和广度不够，只停留在概念仿生的阶段和层次，没有把已有的动物生理学模型应用到实践中。最后，是对于目前已有的仿生变色伪装材料，其各种性能还需要很大的提升，在稳定性方面，需要加强变色材料的稳定性，使其具有长期变色的能力。在变色性能方面，需要提高其变色的效率，以及所变颜色和所变色彩图案的多样性，并且最重要的一点是要提高其主动性、智能化的性能，使其能够在复杂的环境变化中主动、智能地识别环境所发生的微小改变，从而变化出与环境相符的伪装色。——论文作者:杨浩伟，王 瑞，郑振荣
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