将iPhone拉伸5倍的全新科技，章鱼哥来帮你实现！

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　　编者按：章鱼哥是神奇的，它文能预测世界杯，武可以单挑大白鲨，屈时能挤过狭窄的狭缝，伸时体型可达数十米。它能随时变色隐身，甚至它体内的血液也因为铜基而呈现蓝色。章鱼哥是如此的神奇以至于很多人认为它是外星生物。

　　章鱼哥各种神奇的特性让科学家们觊觎已久，从早先的仿章鱼吸盘，到今年发表的章鱼仿生机器人，人类在不断地用各种方式让章鱼哥的特性为我所用。DT君这次要为大家介绍的是一种全新的章鱼仿生材料，它弹性极佳，能自主发光，很有可能成为未来主要的显示材料。

　　章鱼，又称石居、八爪鱼、坐蛸、石吸、望潮、死牛，属于软体动物门头足纲八腕目（Octopoda）。章鱼有8个腕足，腕足上有许多吸盘；有时会喷出黑色的墨汁，帮助逃跑。

　　它是软绵绵的海洋生物，是足球预测帝（保罗哥），也是国内著名直播平台，更是小编最爱吃的海鲜！！！烤章鱼，章鱼小丸子，凉拌章鱼，清蒸章鱼（一口咬下去，满嘴都是污）。

　　章鱼有三种特殊技能，与我们今天要介绍的最新前沿技术有关！

　　首先，章鱼的身体伸缩自如，拉伸性好！

　　其次，章鱼能根据环境的不同度改变自己表皮的颜色，以达到伪装的效果。章鱼表皮下方长有数以千计的色素细胞，通过色素细胞来调节皮肤的颜色，它还可以利用一系列神经来调节色素细胞的膨胀或缩小，从而使颜色的亮度发生改变。

　　再次，章鱼可控制皮肤上的突起，使皮肤的质地、纹理发生改变，与周围环境完美融合。

　　今年4月初，在《Science》杂志上刊登了一篇名为《高弹性人造电致发光皮肤，可用于光信号发射及人造触觉》（Highly stretchableelectroluminescent skin for opticalsignaling andtactile sensing）的文章，其报道了一种模仿章鱼皮肤三种特性的新型材料。

　　这种材料诞生于康奈尔大学机械与航天工程学系的谢泼德实验室（Shepherd Lab），不仅具有强拉伸性，而且能自主地发射出光线来改变表面的颜色。

　　这种材料全名为强拉伸性发光电容（HyperelasticLight-emitting Capacitor，以下简称HLEC），因其发光蓄电的原理以及层级结构都和电容类似，故因此得名。

　　先谈谈HLEC的应用。如果可以将上述材料的结构以及组份优化，并且将批量生产的产品高度集成起来，就能越来越接近章鱼，再加上这类材料本身对环境无害且生物适应性良好，可能的应用将是不可限量的。

　　首先，想象下章鱼哥，HLEC必然其对表面压力十分敏感！这项材料技术已开始应用于一些柔性机器人和柔性电子产品上，或作为压力探测器，或作为柔性触控显示设备。

　　试想一下，一个正常大小只有5寸的iPhone手机，在拉伸五倍后，依旧能够显示正常，而且几乎完全不怕摔，如果真的有卖，笔者表示自己也不一定能按住钱包。

　　不仅仅是智能手机，罗伯·谢泼德（Rob Shepherd）教授的研究团队也已将这种材料系统像素网格应用于柔性机器人的皮肤，以达到反馈控制和视觉沟通的效果。

　　伊利诺斯大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，简称UIUC）的约翰·罗杰斯（John A. Rogers）教授将这种材料比作材料科学和力学领域的一个里程碑，并表示HLEC将成为推动下一代可穿戴电子的研究核心材料。

　　

　　其次，凭借自身的可拉伸性以及自主发光的特性，HLEC也无疑将推动皮肤类的电子产品的设计、研发和产品面世，例如各式各样的变化形状和颜色的衣物，真正做到一生只去两次优衣库就可以了。

　　更加早的产品或许会出现在军方，比如强化现有的个人伪装系统。或者，做得再逆天一些，将探测环境这一点运用进去，也许能实现哈利波特迷的愿望——隐身衣。

　　

　　接下来的问题是，那么此新型材料为何如此厉害？

　　下图是其结构示意图，我们可以看到，这是一个五层的结构，就像一个巨无霸的汉堡，ZnS荧光粉发光层外包水凝胶电极，然后最外层是透明的有机硅塑料（Silicone）外壳。

　　

　　图 HLEC结构示意图（“Ecoflex00-30”为有机硅塑料外壳，“PAM-LiClHydrogel”为水凝胶电极，Ecoflex00-30-ZnS为荧光粉发光层）

　　首先，我们来看看HLEC超赞的拉伸性能，其拉伸极限为487±59%，也就是说，我们能将这种材料拉伸至其原尺寸的5倍，简直就是“有机低配版的金箍棒”。

　　其中，组成HLEC材料的拉伸性能都特别好：水凝胶的拉伸程度能到达原材料尺寸的2000%，而有机硅塑料的拉伸程度能达到400%至700%。

　　而这样的五层材料整合在一起，拉伸的极限浮动在487±59%，如图所示：

　　

图 HLEC拉伸极限测试

　　其中充当电极的水凝胶（Hydrogel）是常用的生物仿生材料，它们可以由99%的水以及1%的水溶性高分子构成，形状很像一块块果冻。

　　水凝胶作为生物材料的优点之一是它的生物适应性，因为含水很多，所以不会在人体内部产生过多的排斥反应。

　　许多移植器官都可以采用水凝胶，加拿大最新的研究显示，水凝胶不仅有利于干细胞（Stem cell）移植，也可加速眼睛与神经损伤的修复。

　　研究团队指出，像果冻般的水凝胶是干细胞移植的理想介质，可以帮助干细胞在体内存活，修复损伤组织。

　　而且，水凝胶的可拉伸性也增大了它作为移植器官的适应性，如图所示，是水凝胶制成的“创口贴”，能十分方便地贴在创口，且能适应皮肤的微小形变。

　　

　　很难想象吧，把一块果冻拉长拉长拉长，而且还不会断，然后味道还很好。不过，我很负责任地告诉你，拉果冻是肯定会断的，这种材料还是有它的拉伸极限的！

　　谢泼德实验室的这种新材料HLEC中使用的水凝胶有别于果冻，采用的是“高弹性高强度水凝胶（Highly Stretchable and Tough Hydrogels）”，进行过特殊加工。

　　其中的水溶性高分子之间有复杂的网络连接，类似的结构如下图所示。

　　

图水凝胶中PAM分子间的交错连接

　　这些高分子交错相连，组成一张复杂的“网”，强度和拉伸性就大大增强了。就好像，拉断一条线是很容易，但是拉破一张交错的网就很难了。

　　这种加强了以后的水凝胶强度很大，甚至能托起自由下落的铁球：

　　因为水凝胶在其中的用处主要是作为电极，研究团队还往里面加了氯化锂（LiCl），增加其导电性。

　　其实，往里头加入一些金属离子基团，也能一定程度地增加其强度，而更加美妙的是，经过这样处理的水凝胶就具有了“再生”的能力。

　　如下图所示，离子间的作用力就像组成了一条条拉链，材料受力的时候，这些“拉链”就会首先断裂，而之后只需要将水凝胶浸泡在电解质溶液中就可以恢复之前的结构了。

　　

　　虽然这项技术此次没有应用到HLEC中，但是仿造章鱼的“可再生性”，这也是一个备选的方案。

　　另一方面，用在外壳和发光层的材料主体是有机硅塑料，这种材料耐高低温、耐水性好、高频绝缘性好，耐辐射、耐臭氧性好适于制作电工、电子组件及线圈的灌封与固定，是完美的电容介质材料，也因为其拉伸性好作为仿人体模型的常用材料。

　　而选择发光层和外壳材料一样的设定主要是为了增加材料之间结合的契合度，而实验结果表明这五层结构之间的契合度十分好，如图所示，HLEC与外壳材料和发光层材料的压力曲线都十分契合。

　　

图 HLEC材料系统的压力区县测试

　　说到真正的难点就是模仿章鱼能改变表面颜色和纹理。

　　章鱼皮肤分三层，第一层为色素层，第二层为虹彩层，第三层为白色层。

　　章鱼变色的原理就藏在这三层细胞中：最上面的色素层，有很多色素囊，每一个色素囊周围都有一圈肌肉，当大脑通过神经系统发出命令时，环状肌肉伸展或收缩，使色素细胞的颜色变深或变浅。

　　中间的虹彩层则是由细胞水平排列成很多薄层，在神经讯号刺激下，透过调整角度和厚度，反射、偏振出很像亮片的光泽；最底下的白色层最简单，就是细胞里有超白的反光蛋白，可以几乎反射所有可见光（话说这种细胞以及发光蛋白绝对是各大化妆品生产厂家梦寐以求的东西，变白神器咧！）。

　　总之，章鱼就是通过改变色素细胞的颜色，然后再经虹彩层细胞的偏振以及白层细胞的反射来自主发光，达到改变颜色的效果。

　　既然是仿生学，HLEC采用的方法也是自主发出光线来改变表面颜色，简单而言是利用发光层中的颗粒掺杂元素发光。

　　这些元素在交流电场的作用下会受到激发，并发出特定波长的光线，例如低和高浓度的铜掺杂剂会分别产生绿光和蓝光，而锰掺杂剂则能产生黄光。

　　若将这些掺杂剂组合使用，混合掺杂剂也可产生白光（跟三原色原理无关），也就是说根据不同的配比能产生各种颜色。

章鱼皮肤结构图以及发光原理

HLEC发光原理

　　这一点和章鱼控制色素细胞的原理差不多，只不过章鱼用的是肌肉细胞的挤压，而HLEC用的则是交变电场。正如上图所示，在两个相对的水凝胶电极组成的电容中间，发光层的惨杂颗粒就能在交流电的作用下激发并发光。

　　基于这样的发光原理，研究团队就能顺利地做出能自主发光的单元了。利用模板复制技术（Replica Molding），则可以批量生产HLEC，若将他们有序排列，就能成为一个单色的显示屏。如下图所示，HLEC点阵呈现不同的光强以及不同的颜色。

　　

图经模板复制技术制成的HLEC多像素点显示

　　借助LED彩色电子屏的灵感，研究团队将能发出三种光的HLEC组合起来成为一个能发光的柔性显示屏，如下图所示：

　　图 HLEC像素点单元演示

　　三色的发光单元点能通过改变不同颜色HLEC的形态来改变单元点发出的光。

　　而改变HLEC的形态来改变发光是因为HLEC的发光机理和作用于发光层的电场有关，当HLEC发生形变时，由水凝胶电极组成的电容值会产生变化，这也势必会引起电场的变化，而发光层的发光情况也会相应地改变。

　　总之，HLEC发生横向纵向的形变时，发光强度什么的都会发生改变，如下图所示，显示出用不同力度使用铅笔头戳HLEC所发出的光强度的不同。

　　这种对压力敏感的特性使得HLEC能成为良好的压力探测器，能给人一种很直观的“压力感”——光越亮压力越大。

　　

图用铅笔头戳HLEC的发光状况

　　HLEC能基本实现自主发光的能力，并且还具有强拉伸性。这些都是章鱼皮肤所具有的性能。

　　我们拆开来看，这些性能都是相当接近章鱼既能变色又能改变形态的能力了，但是加在一起的组合技却依然比不过章鱼。

　　其实，章鱼的“拟态”能力不仅仅是由于某种特殊的材料，更多的是在材料背后的控制原理。要知道，这是大自然的鬼斧神工造就的“外星人”般的章鱼，能在一秒之内变换形态和皮肤颜色，不仅仅是一个色素点哦，是整个身体协同而作，与环境融为一体，并且毫无差池，这确实是神一般的能力。

　　参考文献：

　　[1]Larson, C.,Peele, B., Li, S., Robinson, S., Totaro, M., &Beccai, L., et al.(2016).Highly stretchable electroluminescent skin for optical signaling andtactile sensing. Science, 351(6277).

　　[2]Sun, J. Y.,Zhao, X., Illeperuma, W. R., Chaudhuri, O., Oh, K. H., & Mooney, D. J., etal. (2012). Highly stretchable and tough hydrogels.Nature, 489(7414), 133-6.

投稿：deeptech@mittrchina.com

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