广西大学曾林涛，张世明AOM：一种基于光子晶体的刺激响应型光电子皮肤

Wiley

2025-06-12

研究背景

自然界中，许多生物通过自主调节颜色信号来适应环境，其中自主检测颜色变化并实现与环境的精确匹配是关键。然而，传统力致变色材料因依赖单一机械反馈，无法实时监测颜色状态，限制了其应用范围。近年来，尽管智能变色材料（如力致变色、光致变色、电致变色和热致变色材料）发展迅速，但在颜色管理方面仍存在不足，缺乏刺激响应能力和依赖低效且主观的外部视觉检测，导致其在自动化和智能系统中的应用受限。特别是在仿生机器人和人工变色龙皮肤等领域，材料不仅需要响应外部刺激并同步变色，更需实时感知并反馈自身的颜色状态。例如，仿生机器人需模拟变色龙的颜色变化机制，实现颜色与电信号的同步输出。因此，开发一种能够实时感知和反馈颜色状态的人工皮肤，对于推动仿生技术的发展具有重要意义。

文章概述

近日，广西大学曾林涛课题组与清华大学丁艳军教授合作，开发了一种集成三维光子晶体的导电水凝胶，模拟变色龙的颜色自主调节机制。该材料兼具了优异的柔韧性和电学响应能力，其三维光子晶体通过可调节的层间距实现了广泛的变色功能。此外，通过建立电学电阻与反射光强度的定量关系，进一步提升了材料在复杂环境中的刺激响应性和颜色调节能力。这种将颜色响应与电信号监测相结合的双重功能，为开发多功能智能材料提供了新思路，展示了其在智能系统和仿生技术中的潜在应用价值。2022级硕士研究生许杰为本文的第一作者，曾林涛教授与张世明助理教授为本文的通讯作者，北卡州立大学姚宇歌博士、清华大学丁艳军教授等参与研究。

图文导读

研究通过调控TAA与Zn(NO₃)₂·6H₂O的比例，合成了不同直径大小的ZnS纳米颗粒，并通过调节TEOS和NH₃·H₂O的用量，在ZnS表面包覆了不同厚度的SiO₂壳层。所制备的ZnS@SiO₂核壳结构展现出优异的光学性能，能够覆盖红、绿、蓝三基色（图1）。

图1 光子晶体纳米粒子的合成。

研究人员将刚性的氧化纤维素纳米纤维（TOCNF）和LiCl引入PAM凝胶中。TOCNF与PAM之间的氢键相互作用为柔性水凝胶聚合物网络提供了刚性支撑，从而显著增强了其机械性能和导电性能。如图2所示，添加TOCNF后，水凝胶的拉伸断裂应力超过100 kPa，最大拉伸应变接近400 %，这表明TOCNF有效地提升了水凝胶的拉伸性能。在此基础上，研究人员进一步将ZnS@SiO₂光子晶体以密堆积的形式嵌入纤维素基水凝胶中，成功开发出一种新型光子晶体水凝胶。该材料集优异的力学、电学和光学性能于一体，展现出良好的综合应用潜力。

图2 光子晶体水凝胶的制备。

鉴于其卓越的柔韧性和导电性，这种光子水凝胶在人体运动监测应用中展现出显著的潜力。将PAM-TOCNF-PCs水凝胶被集成到一个带有LED显示屏的电路中，作为滑动电阻，用于监测电导率的变化。在模拟手指弯曲的实验中在不同角度下，光子晶体凝胶会根据弯曲程度显示不同的颜色，表明在拉伸过程中可以多维度监测电阻的变化。在实际应用测试中，该光子晶体水凝胶能够实时、准确地监测人体动态运动，并在多种复杂形变后快速恢复初始力学性能，为人体健康监测提供了一种高效、可靠的解决方案（图3）。

图3 光子晶体水凝胶运动传感。

受变色龙通过神经系统控制皮肤颜色变化的机制启发，对光子晶体水凝胶在不同形变条件下的力学形变量、电阻变化率以及反射波长偏移值进行了多维度耦合分析。结果表明，这些参数之间存在良好的线性关系，成功模拟了变色龙的变色过程（图4）。

图4 光子晶体水凝胶的多维耦合。

在当今社会，听和视障人士由于感官的限制，在交流过程中面临着巨大的障碍。为了打破这种沟通壁垒，研究人员提出了一种创新的解决方案。研究人员利用光电皮肤的电学信号与最大反射光谱之间的数学相关性，将电阻变化与光谱位移之间的比例关系整合到定制的系统中通过结合颜色与电阻的耦合采集装置，光电子皮肤在变形过程中产生的光信号和电信号可以被转化为一个光电器件信息交换系统。这一技术不仅能够有效促进听障人士和视障人士之间的交流，还能极大地增强这些人群之间的信息交换效率（图5）。

图5 光电耦合用于促进人体系统内的信息交互。

结论

本研究开发了一种模拟变色龙颜色调节机制的智能材料，能够实时响应颜色和电信号。该材料由嵌入三维ZnS@SiO2光子晶体的PAM-TOCNF水凝胶基质和掺杂导电性LiCl的聚合物网络组成。光子晶体提供广泛的光谱反射范围，而导电性添加剂使其在拉伸应变下快速、可逆地改变电阻，从而精确监测外部刺激下的颜色和形变响应。通过建立电学电阻与反射光强度的定量关系，增强了材料在复杂环境中的响应性和适应性。这种将颜色响应与电信号监测相结合的双重功能，为开发多功能智能材料开辟了新途径，有望在智能系统和仿生机器人等领域实现广泛应用。这些领域需要实时适应环境变化和复杂的功能集成。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。