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  自然界中，陸地上的變色龍、色彩斑斕的蝴蝶，以及海洋中的章魚、烏賊等頭足類生物，均進化出了令人驚嘆的變色能力來適應外界環(huán)境。它們的變色機制兼具多樣性與精準性：色素色依賴色素細胞內(nèi)黑色素、類胡蘿卜素等物質(zhì)的聚集與擴散，實現(xiàn)顏色深淺的快速調(diào)節(jié)；結構色則通過體表的微納結構（如蝴蝶鱗片的光柵、頭足類皮膚的膠原纖維）對可見光的散射、干涉作用，呈現(xiàn)出虹彩般的光澤；部分深海生物還能通過生物發(fā)光機制，利用熒光素與熒光素酶的化學反應產(chǎn)生特定波長的光。這些變色機制使生物能精準響應光照強度、溫度變化、天敵逼近等環(huán)境刺激，在實現(xiàn)體表顏色快速切換的同時，同步調(diào)整肢體姿態(tài)與行為模式，進而高效完成偽裝捕獵、警戒御敵、交流溝通及求偶展示等關鍵生存任務。受此啟發(fā)，研究人員利用聚合物薄膜、彈性體以及凝膠等材料設計開發(fā)了多種具有變色能力的軟驅(qū)動器和機器人。其中，高分子水凝膠因具有其類生命體組織的模量，固有的濕軟特性、以及對外界刺激的可調(diào)響應能力，從而引發(fā)了人們的極大興趣，成為該領域的重要優(yōu)選材料之一。近年來，具有協(xié)同變色/變形能力的水凝膠驅(qū)動器/機器人在功能單元構筑、復雜3D驅(qū)動與智能變色協(xié)同以及刺激響應機制等方面取得諸多突破，其在偽裝抓手，仿生爬行/游泳機器人和信息加密等領域展現(xiàn)出了巨大的應用前景和研究價值。

近期，中國科學院寧波材料所海洋關鍵材料全國重點實驗室陳濤研究員和路偉研究員在Advanced Materials上發(fā)表題為“Bioinspired Color-Changing Polymeric Hydrogel Actuators/Robots”的綜述文章，系統(tǒng)總結了仿生變色高分子水凝膠驅(qū)動器/機器人的最新進展，以仿生變色高分子水凝膠驅(qū)動器/機器人為對象（圖1），詳細介紹了色素色、結構色、熒光色三種變色水凝膠驅(qū)動器的構筑方法、變色機理、和變形-變色協(xié)同機制，并深入討論了其在當前的應用價值和存在的問題，以及未來的機遇與挑戰(zhàn)。期待本綜述能夠吸引跨學科的合作創(chuàng)新，為變色高分子水凝膠驅(qū)動器/機器人性能的提升和應用的擴展提供新思路。

圖1 受生物啟發(fā)的色素色、結構色和熒光色變色高分子水凝膠驅(qū)動器/機器人及其應用

  色素色是物質(zhì)中具有特定化學結構的色素吸收可見光（400-700 nm）中特定波長的光，反射其余波長的光，從而被人眼感知而呈現(xiàn)的顏色。其本質(zhì)是分子中電子躍遷能級與可見光能量的匹配（圖2a），這一過程受分子結構（如共軛度、取代基、金屬配位）或聚集態(tài)等因素的影響。通過施加外界刺激改變電子躍遷進是調(diào)控色素色的有效策略包括光誘導的順-反異構、熱誘導開環(huán)-閉合反應，質(zhì)子化/去質(zhì)子化誘導的共軛體系電子分布變化，電誘導的氧化還原反應。這些具有響應的色素通常可以通過物理摻雜的方式引入水凝膠驅(qū)動器中，在外界刺激下為水凝膠驅(qū)動器提供自然光下穩(wěn)定的顏色變化。本章重點介紹了基于色素色的變色高分子水凝膠驅(qū)動器，詳細闡述了有機色素和無機色素兩種變色水凝膠驅(qū)動器的變色過程，變色機理和驅(qū)動行為。考慮到存在大量具有豐富變色特性的有機/無機染料，更先進的色素色變色柔性驅(qū)動器/機器人有望被開發(fā)出來，以探索它們在傳感或生物成像等方面的重要應用。

  結構色屬于物理色，其顏色產(chǎn)生不依賴于物質(zhì)自身的化學性質(zhì)對光的吸收，而是源于物質(zhì)內(nèi)部周期性微納結構與光之間的相互作用（如干涉、衍射、散射或反射）。常見的結構色材料為光子晶體，通常以蛋白石或反蛋白石結構通過包埋、物理沉積及界面復合等物理作用方式引入水凝膠基質(zhì)中。由于光子晶體的顏色取決于光子帶隙，且其受晶格間距、觀測角度及介質(zhì)折射率的影響。因此，對于結構色水凝膠驅(qū)動器而言改變晶格間距是實現(xiàn)顏色轉變的一種直接和有效的方式。這種變色的最常見的機制是外界刺激誘導水凝膠網(wǎng)絡發(fā)生收縮或舒張從而帶動內(nèi)部周期性結構晶格距離變化，以實現(xiàn)宏觀顏色的調(diào)節(jié)（圖2b）。本章探討了構筑結構色變色水凝膠驅(qū)動器的策略以及它們變形-變色協(xié)同機制。結構色水凝膠的驅(qū)動器設計的巧妙之處在于形變和色變的內(nèi)在耦合。通常可以在單一的外界刺激下誘導結構色水凝膠驅(qū)動器發(fā)生宏觀形貌變化，導致內(nèi)部規(guī)整排列的光子晶體晶格間距發(fā)生改變，從而改變了水凝膠驅(qū)動器的表觀顏色。這種獨特的自反饋機制，使得水凝膠驅(qū)動器無需外部輔助，僅通過肉眼可見的顏色變化，就可以直觀地反應其自身的變形程度與實時狀態(tài)。因此，這種與生俱來的協(xié)同性使其在可視化傳感領域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。

  熒光色通常是指物質(zhì)吸收特定波長的光（多為紫外光）發(fā)射出波長更長、能量更低的可見光，從而呈現(xiàn)出的鮮艷色彩。這種顏色具有光致發(fā)光的特點，且色彩通常比普通顏色更明亮、飽和度更高，且在黑暗環(huán)境中經(jīng)激發(fā)后可產(chǎn)生明亮鮮艷的光學信號，這一特性使其在光線不足的環(huán)境（尤其是海洋環(huán)境）中展現(xiàn)出潛在應用價值。。熒光材料可以分為多種類型包括有機熒光團、鑭系配合物和發(fā)光納米粒子等。它們可以通過物理摻雜或是化學接枝、共聚的方法引入水凝膠骨架中，賦予水凝膠驅(qū)動器熒光性能。當熒光水凝膠驅(qū)動器受到紫外光照射后，其內(nèi)部熒光團中的電子會吸收能量從基團躍遷至激發(fā)態(tài)再通過輻射躍遷回到基態(tài)并伴隨光子的發(fā)射（圖2c）。 近年來，熒光色變色水凝膠驅(qū)動器在制備技術、刺激響應協(xié)同方式、功能擴展等方面取得了諸多突破性發(fā)展，本章重點介紹了基于熒光色的變色水凝膠驅(qū)動器。基于熒光材料多種多樣的變色刺激方式和機制，使得水凝膠驅(qū)動的變色行為不僅可以不受變形驅(qū)動的干擾，實現(xiàn)正交響應變形變色，展示出高度的設計自由度和應用靈活性，而且可以在同一刺激下匹配形狀的變化實現(xiàn)協(xié)同響應變形變色，從根本上避免了響應不同步的風險，使得協(xié)同行為更精準、更易于控制。

圖2 高分子水凝膠驅(qū)動器/機器人的三種變色機理

  該綜述介紹了仿生變色高分子水凝膠驅(qū)動器/機器人在偽裝抓手、仿生爬行/游泳機器人、信息加密等領域的應用探索。目前變色水凝膠驅(qū)動器的應用探索仍處于起步摸索階段，相關應用多偏向概念化展示，距離真正落地實際環(huán)境、甚至實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展還有很長的路要走。首先，水凝膠驅(qū)動器變形和變色速度有待提高。其次，力學性能與耐用性不足是關鍵短板。再次，材料體系的環(huán)境耐受性需進一步優(yōu)化。此外，現(xiàn)有體系功能較為單一，需重點推進多功能集成設計。因此，這一領域的進步和突破將需要跨學科的合作創(chuàng)新。本綜述提出了該領域未來的發(fā)展方向，與計算機領域深度融合，與加工制造領域協(xié)同創(chuàng)新，與醫(yī)學領域跨界融合，與光學/傳感領域交叉創(chuàng)新，以及與機械領域集成創(chuàng)新等。

  原文鏈接https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519281