众所周知，人类的眼睛是极为精密的成像系统。眼睛的虹膜（就是黑色瞳孔周围部分）能够根据光线强弱自动地调节瞳孔的大小，如果光线太强，虹膜会使瞳孔收缩，而光线昏暗时，虹膜则使瞳孔相应地扩大，从而大体上维持较为稳定的透光量。
自然界的许多动物，比如家猫与家犬，也具有相似的构造。早在一千多年以前，宋朝沈括的《梦溪笔谈》中，就曾栩栩如生地描绘了猫眼的变化：“猫眼早暮则睛圆，日渐中狭长，正午则如一线耳”。
图丨 虹膜结构在生物及摄影领域的应用 ：人眼、猫眼和单反相机镜头
相较于自然界中类似虹膜这样，能够对光线做出自发响应的精巧构造，目前人们打造的人造虹膜结构就显得有些相形见绌了。比如说，单反相机依赖于包括电动马达等在内的一系列外部驱动机构来调节光圈尺寸。
除此之外，为了给这些驱动器提供输入信号，工程师们还不得不再加上一系列测量光强的外部电路。复杂的机械结构再加上额外的测光电路，是单反相机价格居高不下，机身沉重的因素之一。
那么，我们能否设计一款无需额外机械驱动和测光电路的额外仿生虹膜装置，能够根据光线的强弱，自动地调节透光量呢？
图丨 使用液晶弹性体所制造的仿生虹膜
在芬兰坦佩雷理工大学研究人员的努力下，这一难题终于迎刃而解。该研究团队利用一种液晶弹性体，研发出了世界上第一款“货真价实”的仿生虹膜装置：在没有任何外部能源介入的前提下，这一装置能够仅仅依赖于入射光的强弱主动地调节进光量。
更让人拍案叫绝之处在于，这一装置能够完全地模仿人类的眼睛，在光线强烈时完全闭合，而在没有光照射时，则又完全开放。这项十足有趣又激动人心的研究于近日发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上。
图丨仿生虹膜的十二个瓣膜
这个仿生虹膜的重点在于材料的创新——由一种倾斜排列的液晶弹性体（liquid crystal elastomer）组成，并且能根据温度变化改变形状。
新型仿生虹膜直径约为 14 毫米，并从中心开始，沿着半径方向将整个圆形基底均匀地分成了 12 份，就像是将一个蛋糕切成了十二小份。
由于液晶属于各向异性材料，即其在各个方向上的可能展现出并不均匀的性质。比如说，不同的热膨胀系数，因温度的改变可能会引起液晶薄片形状的变化。
当没有入射光照射时，液晶温度较低，所以保持着卷曲的形状。但在入射光照射之后，由于染料自身的化学反应，使温度升高，液晶恢复到平面的形状，从而巧妙地实现了由光线主动控制液晶薄片形状。
下图便绘制了薄膜开启与关闭的示意图与实验图。在有强光照射的情况下，液晶薄膜完全闭合，而在没有光线照射时，液晶薄膜则又完全打开。
图丨 液晶薄片打开与闭合状态的示意图与实物图
这是世界上首例能根据入射光强度的变化，自发地调整光圈尺寸和透光量的人造仿生虹膜装置。研究负责人普里玛及教授（Priimägi）说，“这种材料在有光照的条件下，能够自发地改变形状。这种新颖自调节能力让我们激动不已”。
图丨 人造虹膜
众所周知，现有用于治疗眼科疾病的人造虹膜没法改变瞳孔的大小——从本质上来说，这类虹膜和隐形眼镜比较类似。患者的瞳孔在适应了白天强烈的光照之后，由于人造虹膜无法根据光亮自动调节瞳孔大小，因而到了晚上或者较为昏暗的环境中，就几乎什么都看不见了。
在谈及研究初衷的时候，普里玛及教授也表示，最初的灵感来自于他同事卡兹马利克（Kaczmarek）。卡兹马利克博士是一名眼科专家，他敏锐地预见到，具有自我调节能力的仿生虹膜装置能用于治疗虹膜疾病。
因此，普里玛及教授开发的这款人造仿生虹膜将有望为眼疾患者带去福音。不过，他也坦承，目前所开发的装置在开闭的控制上还不够精确，而且只能对相当强烈的光照做出反应，因此他们的研究成果还不能立刻移植到人类眼疾治疗之中。
“这只是万里长征的第一步。也许在不久的将来，我们就能能将这些目标变成现实。”
图丨 照相机光圈
然而，对于摄影爱好者来说，这项研究最大的意义或许是展现了些许未来的场景：基于这种光敏液晶的自动光圈似乎已经呼之欲出了——无需外部电机的驱动，也不需要测光电路提供光强信号，这两个得天独厚的优势将使得未来的相机变得更加便携的同时，还能降低生产制造成本，可谓一举两得。
不仅如此，全自动化的进光量调节可能也意味着，更多摄影小白们能够更加轻松地跨越技术鸿沟，从而早日跻身摄影大师行列。
但从现实的角度看，这种自动光圈离的实际应用似乎还欠些许东风。最大的阻碍在于，液晶从卷曲恢复到闭合状态需要大概 1 秒钟左右的时间，而现在很多已经商业化的光圈，完成同样的动作仅需数毫秒。除此之外，即使在完全闭合的状态下，研究中所使用的材料仍然能透过10%左右的光。
不过，研究人员们对他们开发的新装置拥有着十足的信心。他们胸有成竹地表示，随着对工艺参数的不断优化，这些技术难点终将被攻克。他们下一步的目标是，希望将这种仿生人造虹膜用做微型机器人的传感器，从而使得这些小家伙们能够根据其周围环境做出相应的反应。
图 | 仿生捕蝇装置
实际上，利用液晶弹性体制备自驱动的微型机器人并非天方夜谭。事实上，在不久之前，普里玛及教授带领的研究团队基于相似的机理，使用相同的材料制备了一款小巧而又灵敏的捕蝇装置。
这款由光驱动的捕蝇装置与一根光纤相连。当有飞蝇飞过时，照在飞蝇上的光部分反射回液晶薄片，从而引起薄片弯曲。
在自然界中的捕蝇草完成同样的过程大约耗时100毫秒，而普里玛及教授教授等人所设计的实验装置耗时约为200毫秒，足可与大自然中这一灵巧结构一争高下。我们完全有理由期待，类似于液晶弹性体这样能自发地对外界环境做出响应的智能材料，一定会为人们的生活带来更多的惊喜。
诗人顾城曾说，黑夜给了我黑色的眼睛，我却用它来寻找光明。现在，我们不仅有了光明，还寻到了一双能控制光明的“眼睛”。
延伸阅读：
这种神奇的材料是如何被发明的？
在这项研究中，研究人员们发现，所使用的液晶在较高的聚合反应温度（polymerization temperature）下发生聚合反应后，在缓慢降温到常温的过程之中，这些原本平面的液晶会在热膨胀引起的应力作用下，自发地发生卷曲，就像下图（a）所示的那样。
图 | 液晶变形示意图：（a）在高于室温的温度下聚合的液晶平面薄片在降到室温之后，会自发地发生卷曲。（b）卷曲角度随温度变化示意图，在约40℃聚合的液晶薄片在降温到室温时（约22℃），卷曲角能达到近360°（图片来源：H. Zeng, et al. Adv. Mater., 2017,1701814 . ）
经过一系列的实验，研究人员们发现，调整这些液晶的聚合反应温度，这些液晶在常温下最高卷曲的幅度甚至可以达到 360°，上图（b）则是卷曲角度随温度变化的关系示意图。简单来看，这种液晶在温度低的时候会发生卷曲，而温度升高之后则又会恢复平面的形状。
不过，DT君不得不提醒，这种液晶只能响应温度变化，并不能对光线变化做出反应。
图丨 液晶表明涂料Disperse Red 1（DR1）及其他材料的分子式
所以，为了实现自发地响应光强变化这一目标，研究人员在液晶表面涂覆上了一层特殊的红色染料（Disperse Red 1，DR1），这种染料在绿光到蓝色光谱范围内，会发生一系列复杂化学反应（顺反异构循环），并释放出十分可观的热量。
-End-
参考链接：
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-
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编辑：yangfz
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