眾所周知,人類的眼睛是極為精密的成像系統。眼睛的虹膜(就是黑色瞳孔周圍部分)能夠根據光線強弱自動地調節瞳孔的大小,如果光線太強,虹膜會使瞳孔收縮,而光線昏暗時,虹膜則使瞳孔相應地擴大,從而大體上維持較為穩定的透光量。

自然界的許多動物,比如家貓與家犬,也具有相似的構造。早在一千多年以前,宋朝沈括的《夢溪筆談》中,就曾栩栩如生地描繪了貓眼的變化:“貓眼早暮則睛圓,日漸中狹長,正午則如一線耳”。

 圖丨 虹膜結構在生物及攝影領域的應用 :人眼、貓眼和單反相機鏡頭

相較於自然界中類似虹膜這樣,能夠對光線做出自發迴響的精巧構造,目前人們營造的人造虹膜結構就顯得有些相形見絀了。比如說,單反相機依賴於包括電動馬達等在內的一系列外部驅動機構來調節光圈尺寸。

除此之外,為了給這些驅動器提供輸入訊號,工程師們還不得不再加上一系列測量光強的外部電路。複雜的機械結構再加上額外的測光電路,是單反相機價格居高不下,機身沉重的因素之一。

那麼,我們能否設計一款無需額外機械驅動和測光電路的額外仿生虹膜裝置,能夠根據光線的強弱,自動地調節透光量呢?


圖丨 使用液晶彈性體所製造的仿生虹膜

在芬蘭坦佩雷理工大學研究人員的努力下,這一難題終於迎刃而解。該研究團隊利用一種液晶彈性體,研發出了世界上第一款“貨真價實”的仿生虹膜裝置:在沒有任何外部能源介入的前提下,這一裝置能夠僅僅依賴於入射光的強弱主動地調節進光量。

更讓人拍案叫絕之處在於,這一裝置能夠完全地模仿人類的眼睛,在光線強烈時完全閉合,而在沒有光照射時,則又完全開放。這項十足有趣又激動人心的研究於近日發表在《先進材料》(Advanced Materials)雜誌上。

圖丨仿生虹膜的十二個瓣膜

這個仿生虹膜的重點在於材料的創新——由一種傾斜排列的液晶彈性體(liquid crystal elastomer)組成,並且能根據溫度變化改變形狀。

新型仿生虹膜直徑約為 14 毫米並從中心開始,沿著半徑方向將整個圓形基底均勻地分成了 12 份,就像是將一個蛋糕切成了十二小份。

由於液晶屬於各向異性材料,即其在各個方向上的可能展現出並不均勻的性質。比如說,不同的熱膨脹繫數,因溫度的改變可能會引起液晶薄片形狀的變化。


當沒有入射光照射時,液晶溫度較低,所以保持著卷曲的形狀。但在入射光照射之後,由於染料自身的化學反應,使溫度升高,液晶恢復到平面的形狀,從而巧妙地實現了由光線主動控制液晶薄片形狀。

下圖便繪製了薄膜開啟與關閉的示意圖與實驗圖。在有強光照射的情況下,液晶薄膜完全閉合,而在沒有光線照射時,液晶薄膜則又完全打開。

 圖丨 液晶薄片打開與閉合狀態的示意圖與實物圖

這是世界上首例能根據入射光強度的變化,自發地調整光圈尺寸和透光量的人造仿生虹膜裝置。研究負責人普里瑪及教授(Priimägi)說,“這種材料在有光照的條件下,能夠自發地改變形狀。這種新穎自調節能力讓我們激動不已”。

 圖丨 人造虹膜

眾所周知,現有用於治療眼科疾病的人造虹膜沒法改變瞳孔的大小——從本質上來說,這類虹膜和隱形眼鏡比較類似。患者的瞳孔在適應了白天強烈的光照之後,由於人造虹膜無法根據光亮自動調節瞳孔大小,因而到了晚上或者較為昏暗的環境中,就幾乎什麼都看不見了。

在談及研究初衷的時候,普里瑪及教授也表示,最初的靈感來自於他同事卡茲馬利克(Kaczmarek)。卡茲馬利克博士是一名眼科專家,他敏銳地預見到,具有自我調節能力的仿生虹膜裝置能用於治療虹膜疾病。


因此,普里瑪及教授開發的這款人造仿生虹膜將有望為眼疾患者帶去福音。不過,他也坦承,目前所開發的裝置在開閉的控制上還不夠精確,而且只能對相當強烈的光照做出反應,因此他們的研究成果還不能立刻移植到人類眼疾治療之中。


“這隻是萬里長征的第一步。也許在不久的將來,我們就能能將這些目標變成現實。”



 圖丨 照相機光圈


然而,對於攝影愛好者來說,這項研究最大的意義或許是展現了些許未來的場景:基於這種光敏液晶的自動光圈似乎已經呼之欲出了——無需外部電機的驅動,也不需要測光電路提供光強訊號,這兩個得天獨厚的優勢將使得未來的相機變得更加便攜的同時,還能降低生產製造成本,可謂一舉兩得。

不僅如此,全自動化的進光量調節可能也意味著,更多攝影小白們能夠更加輕鬆地跨越技術鴻溝,從而早日躋身攝影大師行列。


但從現實的角度看,這種自動光圈離的實際應用似乎還欠些許東風。最大的阻礙在於,液晶從卷曲恢復到閉合狀態需要大概 1 秒鐘左右的時間,而現在很多已經商業化的光圈,完成同樣的動作僅需數毫秒。除此之外,即使在完全閉合的狀態下,研究中所使用的材料仍然能透過10%左右的光。

不過,研究人員們對他們開發的新裝置擁有著十足的信心。他們胸有成竹地表示,隨著對工藝參數的不斷優化,這些技術難點終將被攻剋。他們下一步的目標是,希望將這種仿生人造虹膜用做微型機器人的感測器,從而使得這些小家伙們能夠根據其周圍環境做出相應的反應。



圖 | 仿生捕蠅裝置

實際上,利用液晶彈性體製備自驅動的微型機器人並非天方夜譚。事實上,在不久之前,普里瑪及教授帶領的研究團隊基於相似的機理,使用相同的材料製備了一款小巧而又靈敏的捕蠅裝置。

這款由光碟機動的捕蠅裝置與一根光纖相連。當有飛蠅飛過時,照在飛蠅上的光部分反射回液晶薄片,從而引起薄片彎曲。

在自然界中的捕蠅草完成同樣的過程大約耗時100毫秒,而普里瑪及教授教授等人所設計的實驗裝置耗時約為200毫秒,足可與大自然中這一靈巧結構一爭高下。我們完全有理由期待,類似於液晶彈性體這樣能自發地對外界環境做出迴響的智慧材料,一定會為人們的生活帶來更多的驚喜。



詩人顧城曾說,黑夜給了我黑色的眼睛,我卻用它來尋找光明。現在,我們不僅有了光明,還尋到了一雙能控制光明的“眼睛




延伸閱讀:

這種神奇的材料是如何被髮明的?


在這項研究中,研究人員們發現,所使用的液晶在較高的聚合反應溫度(polymerization temperature)下發生聚合反應後,在緩慢降溫到常溫的過程之中,這些原本平面的液晶會在熱膨脹引起的應力作用下,自發地發生卷曲,就像下圖(a)所示的那樣。

圖 |  液晶變形示意圖:(a)在高於室溫的溫度下聚合的液晶平面薄片在降到室溫之後,會自發地發生卷曲。(b)卷曲角度隨溫度變化示意圖,在約40℃聚合的液晶薄片在降溫到室溫時(約22℃),卷曲角能達到近360°(圖片來源:H. Zeng, et al. Adv. Mater., 2017,1701814 . )

經過一系列的實驗,研究人員們發現,調整這些液晶的聚合反應溫度,這些液晶在常溫下最高卷曲的幅度甚至可以達到 360°,上圖(b)則是卷曲角度隨溫度變化的關係示意圖。簡單來看,這種液晶在溫度低的時候會發生卷曲,而溫度升高之後則又會恢復平面的形狀。


不過,DT君不得不提醒,這種液晶只能迴響溫度變化,並不能對光線變化做出反應。

 圖丨 液晶錶明塗料Disperse Red 1(DR1)及其他材料的分子式

所以,為了實現自發地迴響光強變化這一目標,研究人員在液晶錶面塗覆上了一層特殊的紅色染料(Disperse Red 1,DR1),這種染料在綠光到光譜範圍內,會發生一系列複雜化學反應(順反異構循環),並釋放出十分可觀的熱量。

-End-

參考鏈接:

H. Zeng, et al. Adv. Mater., 2017, 1701814

O. Wani, et al. Nat. Commun., 8(2017), 15546

https://www.newscientist.com/article/2138469-synthetic-iris-could-let-cameras-react-to-light-like-our-eyes-do/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&campaign_id=RSS%7CNSNS-


本文由微信公眾號“DeepTech深科技”(ID:mit-tr)授權轉載

編輯:yangfz


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