合工大張晨初/吳思竹/胡穎合作:幹涉加工結構色表面並應用於柔性...

柔性執行器能夠將多種外部的刺激轉換到多種運動，由於其變形靈活的特點，可以執行複雜運動和特定任務，在仿生學領域引起了廣泛的關注。隨著柔性執行器的應用越來越廣泛，如何對其運動狀態的實時監測表徵依然是一個挑戰。研究者們在蝴蝶翅膀和鳥類羽毛的啟發下，發展出一種基於溝槽結構的結構色表面，並應用於柔性執行器運動的實時監測中。

近日，合肥工業大學張晨初副研究員、吳思竹副教授和胡穎研究員等人，在研究中發現一種利用碳層輔助的雷射幹涉光刻(CLIL)，在透明聚二甲基矽氧烷（PDMS）表面製備結構色表面的方法，並將其用於實時監測柔性執行器狀態中。通過CLIL可以直接對加工表面塗覆有碳層的PDMS進行加工，快速製備出帶有周期性微納米溝槽陣列的結構色表面。該結構色表面也可以直接製備在柔性執行器的表面。當柔性執行器發生彎曲時，其表面的結構色會同步發生變化，繼而可以通過彎曲過程中的顏色與彎曲的對應關係，實現非接觸的彎曲角度測量。

「另類」的結構色表面製備方案

在之前的研究中，研究者們普遍採用壓印或轉印的方法製備溝槽陣列，實現結構色表面。在我們的工作中，我們利用雷射幹涉形成的周期性條形光場，直接在材料表面加工溝槽結構。

圖1幹涉光場光強仿真圖和CLIL製備的PDMS表面形貌圖

雷射幹涉加工已經被廣泛應用於加工光刻膠、金屬等材料，但是在加工PDMS這類透明材料時，由於光吸收率低，往往很難加工出規整的光柵結構。為了克服這一點，我們提出一種碳層輔助的方法，利用碳層實現光的吸收和熱的傳導。首先，在成型的透明PDMS表面塗覆一層墨水，固化形成碳層；然後，將帶有碳層的PDMS進行雷射幹涉處理。由於碳層對光的吸收和熱的傳導，並且輔助以脈衝雷射衝擊波，PDMS表面會形成規整的周期性微納米溝槽陣列，從而在白光的照射下產生顏色。

圖2 CLIL加工示意圖

靈活多變的結構色表面

碳輔助雷射幹涉光刻加工與傳統的壓印方法相比具有更高的加工靈活性，可以通過改變雷射幹涉角控制溝槽陣列結構的周期，通過改變雷射能量、掃描速度可以控制溝槽的深度。

圖3 周期變化原理圖，不同周期在相同觀察角下的原理圖

奇妙的結構色

鮮豔的結構色究竟是何方神聖？其實也不然，這是因為其表面為周期性的溝槽結構，這樣的結構有類似於光柵的光學特性。在特定的白光照射下，我們在不同的觀察角度就會看到不同的顏色，就像鮮豔的鳥類羽毛一樣，非常絢麗。

圖4 不同觀察角度表徵PDMS表面不同結構顏色的方法示意，理論波長與實際觀察波長關係，不同角度下觀察到的不同顏色

結構色應用於實時狀態監測？

事實證明當然可以。通過碳層輔助雷射幹涉加工，可以在柔性執行器表面製備結構色，將結構色表面與柔性執行器融為一體。在柔性執行器發生彎曲的過程中，結構色的顏色反饋和執行器彎曲角也將發生同步的變化。我們在這個過程中，採集了結構色表面在光源照射產生的顏色變化情況的圖像信息，並且同步採集了柔性執行器彎曲運動情況的圖像信息。再利用數字圖形處理法分別統計在彎曲過程中結構色表面任一點的RGB值、柔性執行器彎曲角度與時間的對應關係，且這種對應關係為一一對應關係，為結構色應用於實時狀態檢測提供了依據。因此，只需在柔性執行器運動過程中建立上述對應關係，再根據某一時刻結構色表面任一點的RGB值（圖中選取點為P1、P2、P3），就可以確定該時刻柔性執行器的彎曲角度，進而達到實時監測的目的。這實現了利用特徵點的顏色反饋來達到非接觸可視化彎曲角測量。

圖5執行器彎曲狀態，執行器彎曲角與時間關係，特徵點的RGB值與時間的關係

鮮豔的結構色與實時狀態監測，看似八竿子打不著的兩件事，還確確實實存在著緊密的聯繫，不禁感嘆世間萬物真是奇妙無比。這種「另類」便捷的方法不僅使得在柔軟透明材料上製備結構色表面變得更加高效，而且將製得的結構色表面應用到柔性執行器狀態的監測中，還可以實現柔性執行器的非接觸可視化測量。這在仿生器件、傳感器和人工肌肉領域具有巨大的潛力。

合肥工業大學工業與裝備技術研究院張晨初副研究員為該論文的第一作者；儀器科學與光電工程學院吳思竹副教授和工業與裝備技術研究院胡穎研究員為論文的共同通訊作者。

來源：高分子科學前沿

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