编辑推荐：
这篇综述聚焦受生物启发的动态颜色变化。阐述了生物自然变色的机制，以及如何利用光子晶体、液晶等结构材料在工程系统中重现该现象。探讨人工动态颜色系统对多种刺激的响应及在生物医学、传感等领域的应用，值得一读。
### 生物颜色变化机制与生态意义
生物为了生存和繁衍，进化出了多样的颜色呈现方式，主要通过色素沉着、生物发光和结构色等机制实现。色素沉着是指生物体内色素的合成、分布和变化，从而呈现出不同颜色 。生物发光则是生物通过体内的化学反应产生光，许多深海生物就利用生物发光来吸引猎物或进行交流。结构色是由生物微观结构对光的散射、干涉和衍射等物理作用产生的颜色，比如蝴蝶翅膀上的绚丽色彩，就是源于其表面特殊的微观结构对光的作用。
这些颜色策略在生态系统中发挥着至关重要的作用。其中，拟态（crypsis）是生物通过颜色和形态的变化，与周围环境融为一体，达到伪装的目的，像竹节虫通过模拟竹子的形态和颜色，躲避天敌的捕食。警戒色（aposematism）则是生物利用鲜艳的颜色向捕食者发出警告，表明自己有毒或不可食用，例如箭毒蛙的艳丽体色。此外，一些生物还会通过鲜艳的色彩展示来吸引传粉者和潜在配偶，许多花朵鲜艳的颜色就是为了吸引蜜蜂等昆虫传粉，而雄性孔雀绚丽的尾羽则是为了吸引雌性孔雀。
动态颜色变化能力更是让生物在复杂多变的环境中占据优势。例如，变色龙能够根据周围环境的颜色、温度、光照以及自身的情绪状态迅速改变身体颜色。这种动态变色能力不仅有助于它们捕食猎物，还能在面对危险时及时隐藏自己，避免被捕食者发现。头足类动物，如章鱼、乌贼等，也拥有出色的动态变色能力。它们通过控制皮肤上的色素细胞和反射细胞，能够在瞬间改变身体的颜色和纹理，模拟周围环境，实现完美的伪装。
工程系统中模拟生物变色的材料
受这些生物自然现象的启发，科研人员致力于设计动态颜色变化系统，并将其应用于光学、传感器和生物医学等多个领域。在工程系统中，常用结构化材料来重现生物的动态变色效果，主要包括光子晶体（Photonic Crystals）、液晶（Liquid Crystals）、超表面（Metasurfaces）和薄膜（Thin Films）等。
光子晶体是一种具有周期性介电结构的材料，其内部的周期性结构可以对光的传播进行调控。当光在光子晶体中传播时，会发生布拉格散射（Bragg Scattering），只有特定波长的光能够通过，从而呈现出特定的颜色。通过改变光子晶体的结构参数，如晶格常数、介电常数等，就可以实现颜色的动态变化。例如，一些人工合成的光子晶体材料，在受到外界刺激时，其晶格常数会发生改变，进而导致光的散射特性发生变化，实现颜色的动态调节。
液晶是一种介于液体和晶体之间的物质状态，它既具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性。液晶分子的排列方式会受到温度、电场、磁场等外界因素的影响，从而改变其光学性质。当液晶分子的排列发生变化时，其对光的折射、反射等特性也会改变，进而呈现出不同的颜色。在显示领域，液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）就是利用了液晶的这一特性，通过控制液晶分子的排列来实现图像的显示。在动态颜色变化系统中，也可以利用液晶对不同刺激的响应，设计出能够根据环境变化而改变颜色的材料。
超表面是一种具有亚波长尺度结构的二维材料，它可以对光的振幅、相位和偏振等特性进行精确调控。通过设计超表面的微观结构，可以实现对特定波长光的增强或抑制，从而呈现出不同的颜色。超表面对光的调控能力比传统光学材料更加灵活和高效，因此在动态颜色变化系统中具有很大的应用潜力。例如，通过在超表面上集成微机电系统（Micro - Electro - Mechanical Systems，MEMS），可以实现对超表面结构的动态控制，进而实现颜色的动态变化。
薄膜材料具有厚度薄、质量轻等优点，并且其光学性质可以通过改变薄膜的厚度、成分和结构等因素来调节。在动态颜色变化系统中，薄膜材料通常与其他材料结合使用，例如在金属薄膜表面制备一层具有特殊光学性质的介质薄膜，当外界环境发生变化时，薄膜的光学性质会发生改变，从而实现颜色的变化。一些智能薄膜材料，在受到温度、湿度等环境因素的影响时，其分子结构会发生变化，进而导致薄膜的光学性质改变，呈现出不同的颜色。
人工动态颜色系统对不同刺激的响应及应用
人工动态颜色系统可以设计为对多种刺激做出响应，包括机械、电气、化学、热和磁刺激等，这些特性使其在多个领域有着广泛的应用。
在生物医学领域，人工动态颜色系统有着巨大的应用潜力。例如，在生物传感器方面，通过设计对生物分子具有特异性响应的动态颜色变化材料，可以实现对生物标志物的快速、灵敏检测。当目标生物分子与材料表面的识别位点结合时，会引起材料的物理或化学性质发生变化，进而导致颜色改变，通过检测颜色的变化就可以实现对生物分子的定量分析。在疾病诊断中，这种生物传感器可以用于检测血液、尿液等生物样本中的疾病标志物，为疾病的早期诊断提供依据。
在药物输送系统中，动态颜色变化材料也可以发挥重要作用。通过将药物包裹在具有动态颜色变化特性的载体材料中，当载体材料到达特定的靶位点时，在外界刺激下发生颜色变化，不仅可以直观地指示药物的输送位置，还可以根据颜色变化来控制药物的释放。例如，一些基于温度响应的动态颜色变化材料，在体温环境下会发生颜色变化并释放药物，实现精准的药物治疗。
在传感领域，人工动态颜色系统可以用于检测各种物理和化学量。比如，基于应变响应的动态颜色变化材料可以制作成压力传感器，当材料受到压力作用时发生应变，导致颜色改变，通过测量颜色的变化可以精确地检测压力的大小。这种压力传感器可以应用于可穿戴设备中，用于监测人体的运动状态、脉搏等生理信号。在环境监测方面，对化学物质敏感的动态颜色变化材料可以用于检测空气中的有害气体、水中的污染物等。当环境中的污染物浓度发生变化时，材料的颜色会相应改变，从而实现对环境质量的实时监测。
在显示领域，人工动态颜色系统为实现新型显示技术提供了可能。与传统的显示技术相比，基于动态颜色变化材料的显示技术具有更高的对比度、更快的响应速度和更低的能耗。例如，利用光子晶体和液晶材料制作的显示器件，可以实现像素级的颜色动态调控，呈现出更加逼真、生动的图像。这种显示技术在虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等领域有着广阔的应用前景，可以为用户带来更加沉浸式的视觉体验。
结论
生物的动态颜色变化是一种神奇而高效的自然现象，它在生物的生存、繁衍和生态适应中发挥着重要作用。通过对生物颜色变化机制的深入研究，科研人员成功地利用结构化材料在工程系统中重现了动态颜色变化现象，并设计出了能够对多种刺激做出响应的人工动态颜色系统。这些人工动态颜色系统在生物医学、传感、显示等多个领域展现出了巨大的应用潜力，为解决实际问题提供了新的思路和方法。
然而，目前人工动态颜色系统仍面临一些挑战。例如，在材料的性能方面，如何进一步提高材料的稳定性、响应速度和灵敏度，仍然是需要解决的问题。在系统的集成和应用方面，如何实现动态颜色变化系统与其他功能模块的有效集成，提高系统的整体性能和实用性，也是未来研究的重点方向。
未来，随着材料科学、纳米技术、生物技术等多学科的不断发展和交叉融合，人工动态颜色系统有望取得更大的突破。科研人员将继续从生物中汲取灵感，不断优化材料设计和系统构建，推动人工动态颜色系统在更多领域的广泛应用，为人类社会的发展带来更多的便利和创新。
