在自然界中，章鱼和墨鱼等头足类动物能够通过改变皮肤的纹理与颜色，实现卓越的动态伪装与环境适应能力。受此启发，开发能够同时调控表面形貌与光学特性的智能材料，在自适应伪装、软体机器人与智能显示等领域具有重要意义。然而，现有的大多数人工材料体系仍局限于单一的颜色或纹理调控，且面临力学性能差、颜色可见度低、可编程性有限等挑战。因此，亟需开发一种能够对表面纹理与颜色进行高效协同调控的新型材料体系。

  针对上述问题，斯坦福大学赵芮可教授团队报道了一种胆甾相液晶弹性体双层体系（Cholesteric liquid crystal elastomer-liquid crystal elastomer，CLCE-LCE），通过应变失配诱导的表面失稳行为实现了纹理与结构色的同步可逆调控。通过系统调控CLCE层厚度、基底预拉伸比与双层模量比等关键参数，实现了对褶皱形貌与颜色组合的按需设计。进一步结合空间选择性光固化与化学图案化策略，在单一材料中实现了空间可编程的纹理变化与颜色响应。该双层体系在动态热调节与多态信息编码等功能应用中展现出独特优势，为开发表面形貌与光学特性可编程的多功能材料提供了全新平台。

  2025年10月29日，相关研究成果以“Bioinspired Synergistic Texture and Color Modulation Enabled by Surface Instability of Cholesteric Liquid Crystal Elastomer Bilayers”为题发表在《Science Advances》上。斯坦福大学博士后杨潇和博士生Jay Sim为论文共同第一作者，赵芮可教授为论文通讯作者。

  图1展示了双层CLCE-LCE的制备过程及其纹理—颜色协同调控机理。首先对LCE基底进行预拉伸（图1-i），随后将CLCE前驱体墨水均匀涂覆于基底表面（图1-ii）。随着溶剂不断蒸发，液晶分子自组装显示出结构色（图1-iii），经光固化后得到高模量的CLCE层，并与LCE基底通过共价键结合形成牢固界面。释放预拉伸应力后，层间应变失配诱发表面失稳，生成周期性褶皱图案（图1-iv）。褶皱表面的周期性应变分布同步改变了CLCE的分子螺距：波峰处受拉应变，螺距减小，反射光蓝移；波谷处受压应变，螺距增大，反射光红移，从而实现表面纹理与颜色的协同可逆调控（视频1）。

图1. 双层CLCE-LCE的制备及其纹理—颜色协同调控机理示意图

视频1

  系统研究了CLCE层厚度（H_f）、基底预拉伸比（λ_pr）和双层模量比（E_f/E_s）对表面褶皱形貌与结构色的影响。结果表明，增大CLCE层厚度可在保持颜色分布不变的情况下线性增大褶皱波长和振幅（图2A,C,D）；提高预拉伸比可形成更密集、振幅更大的褶皱结构（图2A,E,F）；而改变双层模量比不仅会改变褶皱波长和振幅，还可形成不同的表面纹理，并伴随不同的颜色响应（图2A,G,H）。有限元模拟与实验结果高度吻合，准确预测了应变分布与颜色变化。

图2. CLCE层厚度、基底预拉伸比和双层模量比对纹理与颜色调控的影响

  通过调节胆甾相液晶单体含量，可实现CLCE层初始结构色在整个可见光谱范围内的精确调控，释放应力后，能够形成丰富多样的颜色组合（图3A；视频2）。进一步地，空间选择性光固化可调节局部模量分布，从而实现具有不同褶皱波长分布的表面（图3B；视频3）；而通过空间化学图案化将不同CLCE墨水涂覆在不同区域，则可实现区域特异性的颜色响应（图3C；视频3）。

图3. 可调颜色组合与可编程的纹理与颜色调控

视频2

视频3

  许多生物（如变色龙、刺猬和鸟类）能够通过改变肤色或表面结构实现体温调节（图4A）。得益于双层CLCE-LCE纹理与颜色的协同调控能力，该体系可作为仿生智能皮肤实现动态热调节。如图4B,C所示，所制备的双层CLCE-LCE能够在黄色平整态与深蓝色褶皱态之间可逆切换。在相同光照条件下，后者表面温度从36.8℃升至45.6℃，这源于深色增强了光吸收，且褶皱结构增加了辐照面积。这种纹理—颜色的协同调控展现出显著的动态热调控性能，且循环测试表明其高度可逆性（图4D）。

图4. 双层CLCE-LCE作为智能皮肤用于动态热调节

  利用具有特定图案的光掩膜进行空间选择性光固化，可精确调控CLCE表面不同区域的模量，从而实现可视化信息编码。例如，使用“S”形掩膜对绿色双层CLCE-LCE进行局部光固化（图5A）。应力释放后，固化的“S”区域呈现蓝色褶皱，而未固化区域保持平整并变为橙色，从而使“S”图案显现，再次拉伸后图案可逆消失（图5B）。通过多步选择性光固化在不同应力条件下定义图案，还可实现信息的按序显示（图5C,D；视频4）。

图5. 双层CLCE-LCE用于多态信息编码

视频4

  通过对LCE基底施加双向预拉伸，可进一步拓展至二维纹理与颜色的调控（图6A）。研究比较了按序释放应力和同时释放应力两种模式：按序释放应力时，表面先形成一维褶皱，之后演化为规则的之字形图案（图6B）；而同时释放则产生无序的迷宫状纹理。这种双向拉伸策略为实现复杂的二维光学图案提供了更多设计自由度。

图6. 双层CLCE-LCE的二维纹理与颜色调控

  团队提出的仿生CLCE-LCE双层体系可在外力作用下实现表面褶皱与结构色的协同可逆调控。通过调节层厚度、预拉伸比与模量比等参数，并结合空间选择性固化与化学图案化策略，实现了可编程的纹理与颜色组合，在动态热调节与多态信息编码等应用中展现出广泛潜力，为发展表面形貌与光学特性可编程的下一代智能材料提供了全新思路。

  论文链接 http://doi.org/10.1126/sciadv.aea9183