人类要想真正探索微观世界，需要一种能够在微环境中“反映”物理量变化的微型传感器。
中国科学院沈阳自动化研究所通过双光子聚合技术，开发出一种通过响应环境刺激实现动态变化衍射光谱的微型传感器，实现了传感单元的微型化和对微环境pH值的无线、可视化检测，为感知微观环境和赋能微型机器人提供了一种新的传感技术。
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从“伪装大师”得到结构色启发
受尺寸限制，传统的传感技术很难小型化集成到微型机器人、微流控芯片等微型设备中，从而限制了其在微观领域的应用。如何构建微米乃至纳米尺度的传感单元并将信号传递至宏观世界成为一大难题。
自然界中的“伪装大师”——安氏蜂鸟给了研究人员很大的启发。雄性安氏蜂鸟的头部羽毛在阳光下会呈现出不同的色彩，这是因为它们的羽毛中包含无数微型结构和薄膜，这些微型结构通过光学衍射和干涉作用，能够产生“变化多端”的色泽和斑纹。
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▲结构色的生成机制和调控参数
研究团队首先通过双光子聚合技术，使用IP-L光敏树脂打印了一种2.5维的微型光栅。当可见光倾斜穿过光栅结构时，光栅衍射效应使得特定波长的光仅能在特定角度下通过，从而在显微镜中呈现出类似安氏蜂鸟的结构颜色。
科研人员发现，在倾斜入射条件下，光栅的周期对观察到的颜色有显著影响，100nm的周期变化就会引起显著的颜色改变。因此，微型结构色有望成为一种沟通微观与宏观信号传递的天然载体。
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“环境刺激变色”的纳米光栅
在解决了信号与小型化问题之后，研究团队进一步提出“环境刺激变色”的纳米光栅结构作为传感机制。
通过双光子聚合技术，科研人员将pH响应水凝胶与IP-L光刻胶交织打印，构建了一种具有刺激变色功能的纳米网格结构。
水凝胶的溶胀特性是颜色变化的关键。根据周围环境pH值变化，水凝胶发生溶胀和收缩，从而改变纳米光栅结构的周期并产生颜色信号的变化，最终实现对微环境内物理量的感知。
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▲刺激变色纳米光栅结构的制备和传感原理
研究团队通过一系列实验验证了所制备材料的性能，包括其对pH值变化的响应速度和灵敏度。研究结果显示，“刺激变色”的纳米光栅在pH值变化时能够快速、明显地改变颜色，并且具有良好的重复性和稳定性。
研究团队还针对微型变色传感器的打印和编程，开发了一种基于灰度设计的方法，通过调整光栅结构的高度和周期来实现结构色图案的编码。该方法可以显著提高结构色的空间编码能力，实现动态结构色图案的精准打印。
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▲动态结构色的编码打印
未来，团队将进一步探索微型变色传感器与微型机器人的融合，并探索其在人体微腔道、细胞环境等多种场景下的应用，比如对温度、湿度等理化参数进行实时监测。
来源：中国科学院沈阳自动化研究所
责任编辑：王颖