自然界中许多生物对各种外部刺激具有独特的反应，使它们能够进行信息交流和伪装，如变色龙、章鱼、墨鱼和安第斯雨蛙。其中，变色龙是自然界公认的伪装大师。它们可以通过快速的身体运动来躲避捕食者，同时通过调节体内的鸟嘌呤纳米晶格来改变肤色，融入周围环境。这些生物的伪装行为本质上是基于光与周期性纳米结构（如干涉、衍射和光散射）的物理相互作用而产生的结构颜色的变化。这些着迷的自适应现象激发了研究人员设计具有变色能力的智能驱动器，这些驱动器在人工智能、生物医学、工业检测和国防工业领域中具有一定应用前景。然而，通过可控的刺激手段，同时实现丰富生动的颜色变化和大变形的驱动行为仍存在一定挑战，这极大地制约了它们的视觉美学和应用范围。
日前，河南大学蔡国发教授团队，受变色龙变色机理的启发，开发了一种具有Fabry−Pérot（F-P）谐振腔结构的MXene/WO3电致变色驱动器，成功地将可逆形变和生动的颜色变化集成在一起。在可控的外加小电场下，离子的嵌入/脱出过程可以同步改变MXene/WO3的应力分布和光吸收特性，从而在10 s内产生电致变色现象和超快速变形的双重响应，最大角度为95°。此外，具有物理光相互作用的F-P谐振腔还使双层膜具有明亮的色域和高颜色可调性（黄绿色、紫色、粉红色、蓝色等绚丽的颜色）。基于此组装的MXene/WO3非对称驱动器，具有强大的抓取能力和高达1000次循环的优异循环稳定性，为软体机器人和下一代智能机器人的设计和构筑开辟新的思路。该研究以“Tunable MXene/WO3 Fabry−Pérot Microcavity Architecture for Bioinspired Soft Electrochromic Actuators with Vivid Colors”为题发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。这项工作中，鲜艳结构色的产生主要是基于WO3/MXene双层膜的F-P谐振腔结构。其中，MXene作为反射层和黑色背景以增强色彩饱和度；WO3作为中间介质层，其厚度决定了光程差的大小，对宏观颜色的调控起着关键作用。此外，WO3纳米颗粒的随机排列导致光在表面的漫散射，进一步丰富了结构色的色域。图1 WO3/MXene双层膜的制备与表征。(a)电化学驱动器与电致变色、结构色和变形相结合的示意图。WO3/MXene双层膜的SEM图像和EDX元素图（Ti，W，O）。(c) WO3/MXene薄膜的截面图。(d) WO3/MXene双层膜的XRD图谱。(e) MXene和WO3/MXene薄膜的FTIR光谱对比。通过控制电沉积的时间，调节WO3的厚度，进而改变MXene/WO3薄膜宏观的颜色。随着WO3厚度从215 nm增加到293 nm，MXene/WO3薄膜的结构色由黄绿色、紫色、粉色变为蓝色，且颜色明亮有光泽、饱和高。图2 MXene/WO3双层薄膜的结颜色。(a)结构色生成示意图。(b)基于F-P谐振腔的MXene/WO3双层薄膜干涉和(c)散射机理。(d) WO3层厚度随沉积时间的函数。(e)不同WO3层厚度MXene/WO3薄膜对应的反射光谱。(f)使用1931色度图的MXene/WO3双层薄膜的CIE色度坐标图。图3 不同WO3厚度MXene/WO3双层膜的宏观和光学显微镜图像。(a) 215 nm, (b) 232 nm, (c) 277 nm, (d) 293 nm。在电化学刺激下，薄膜还具有变形和变色行为。基于外加电场作用下氢离子在WO3层中可逆的嵌入和脱出， WO3光学带隙发生变化，同时晶体结构的膨胀/收缩。通过优化MXene和WO3层的厚度，可以在10 s内产生超快速变形，最大角度为95o。图4 MXene/WO3薄膜的电致变色驱动特性。(a)电场作用下薄膜驱动示意图。(b)薄膜在不同电位下的弯曲角和计算的驱动应变。(c) MXene/WO3薄膜在不同电位下的光学照片。(d)薄膜的比电容和最大弯曲角度随电化学扫描速率的变化函数。(e)薄膜弯曲角度随时间变化曲线图。(f) MXene/WO3薄膜在不同电位下的反射光谱。进一步开发的MXene/WO3不对称驱动器，展现出0 V ~ -1.8 V之间的刺激响应变形能力，15 s内的弯曲位移可达5 mm左右。此外，在1000次循环中，驱动器仍然可以保持100%的优异驱动性能。基于此设计的机械臂和智能控制元件展示了其在软体机器人中的应用潜力。图5 基于MXene/WO3双层膜的不对称驱动器。(a)驱动器结构示意图。(b) 驱动器在-1.8 V和 0 V电压下的位移变化图以及相应的数码照片。(c) 驱动器在1000次循环中驱动角度变化图。(d)设计的机械臂示意图和(e)相应的抓取过程。(f)设计的智能控制元件的原理图和(g)智能控制实例。作者设计了一种具有变形、结构颜色和电致变色特征的MXene/WO3双层致动器。基于电场作用下离子的可逆插入/脱出过程，在10 s内实现95°的弯曲变形。此外，这种F-P谐振腔结构的设计使薄膜呈现出黄绿色、紫色、粉红色和蓝色等绚丽的结构色。组装的执行器可以在1000次循环中保持100%的5毫米位移。该研究将为设计和制造具有先进结构颜色的电化学执行器提供新的思路，为开发软性可穿戴电子产品、柔性触觉系统和生物医学设备提供了一条有前途的途径。