化学家和工程师制作可调节的显微透镜阵列

它们的数量有数千个，光线照射到以几何图案排列在脸上的透镜方阵上，光束通过不比头发丝宽的透明土堆折射。

苍蝇的眼睛大约有 4,000 个显微晶状体，蜜蜂的数量是这个数量的两倍。不过，这些镜片并不属于复眼，而是属于聚二甲基硅氧烷——一种柔性聚合物，长期以来一直是内布拉斯加州的斯蒂芬·莫林和他的化学家同行们最喜欢的游乐场。

在工程师杨瑞国和格雷森·明尼克的帮助下，莫林的团队现在可以将微小的凝胶状镜片排列并固定到弹性材料上，以实现更宏伟的成就。通过在材料中雕刻相当于渡槽的东西，然后在这些通道中运行改变温度或集水的液体，研究人员还可以在短短几秒钟内膨胀或收缩透镜——在此过程中修改其放大倍数、焦距和其他光学特性。

昆虫和甲壳类动物进化出多面的眼睛来绘制古代环境的全景，而莫林的团队正在展望未来：例如，通过按需控制将信号投射到嵌入软机器人皮肤的传感器上。

“我们今天拥有的人造微透镜相对静态，”内布拉斯加大学林肯分校化学副教授莫林说。“它们有固定的焦距、固定的尺寸。它们由能够为您提供所需透镜特性的材料制成，但它们实际上并不具有任何动态特性。”

为了补充这种缺失的活力，莫林和他的同事们转向了水凝胶，这是一种注入水的聚合物，可以赋予软性耳机 透视 柔韧性。过去，该团队将水凝胶岛物理粘附到有机硅材料上，这本身就是一项看似困难的壮举。但足够的搅拌，或者引入足够的水，将不可避免地使这些岛屿从其硅胶底座上分离。

莫林说：“问题在于，将它们组合在一起以发挥协同作用的方式尚不成熟。” “实际上没有任何东西可以将这两种材料整合到一个强大的长期平台中。”

莫林知道，克服这一挑战意味着用化学联系来补充物理联系。博士生约翰·卡皮坦(John Kapitan)和他的团队首先对透明有机硅进行图案化等离子体处理，在其上涂上战略分子基团和锂基化合物，沉积水凝胶岛，然后施加适当波长的紫外线。这种光引发高反应性自由基的释放，这些自由基在各种分子基团之间跳跃，本质上是传播从有机硅本身突出并穿过新兴结构的链，从而稳定它。

“总而言之，”莫林说，“你就拥有了一个有点单一的结构。

“现在，除了物理部分之外，还有化学元素。这确实是秘密武器。”

莫林和他的同事们会“积极地”让这个庞然大物通过它的步伐。他们往上面泼水。他们拉伸硅胶，扭曲它。他们拍打胶带并把它们撕下来，试图带走镜片。他们甚至给它进行了超声波清洗，并加入了通常用于清洁珠宝、电子产品和其他容易沾污的产品的频率。显微镜下的镜头坚韧地贯穿着这一切。

莫林说：“当我们完成后，我们非常满意它们能很好地粘在上面。”

由博士生布伦南·瓦茨(Brennan Watts)领导的另一系列实验很快将测试并演示这些镜片的实际作用。在其中一个实验中，研究小组将光线照射到 Nebraska N 上，将其投射到一系列水凝胶镜片上，在镜片上方放置一台显微镜来观察生成的图像。当研究人员用冷水冲洗支撑这些镜片的材料时，内布拉斯加 N 显得清晰、清晰。就在将水温升至 178 华氏度的几秒钟后，镜片缩小了，随之而来的是，N 模糊了焦点。

令人惊讶的是，该团队后来发现焦点的变化并非源于镜片尺寸或曲率的变化，而主要是由于其所谓的折射率的改变。光在穿过不同介质(空气、水、人眼)时以不同的速度传播，这些速度的变化对应于光以不同角度折射或弯曲。当水凝胶升温和镜片收缩时，它们实际上会排出一些水分，从而提高了它们的密度，改变了它们的折射率，并最终模糊了 N 的图像。

莫林表示，动态适应性对于该设计在微投影系统中的应用来说是个好兆头，但这位化学家也对其在生物学中的潜在应用感兴趣。由于水凝胶通常模仿复杂生物体细胞之间的凝胶状网络，因此研究人员在尝试在生物环境之外培养细胞或组织时通常青睐它。

机械和材料工程副教授杨设计的设备使莫林的实验室不仅可以精确控制其沉积的水凝胶镜片的尺寸、图案和成分，还可以精确控制它们所驻留的有机硅的方向和张力。莫林说，这种精度，再加上团队可逆地操纵镜片本身的能力，可能会扩大生物材料和生物医学工程人员的培养选择。

他说：“这些类型的尺寸和硬度的动态变化以及类似性质的物质会对其中所含任何物质的生物学产生深远的影响，这似乎是合理的。” “我们还没有做到这一点，但我们当然对这些问题感兴趣。”

莫林花了数年时间试验有机硅和其他聚合物，对于他来说，适应性材料的实际考虑是哲学性的，并且是哲学性的。他说，将水凝胶镜片附着在硅胶上有一个合理的理由：它的弹性可以减轻镜片膨胀和收缩造成的一些压力，有助于它比其他更脆的材料保持更长期的抓地力。

但这位化学家也热衷于重新考虑所制造产品的物理和功能刚性——通过新的镜头观察材料和结构，或多或少都是几千个。

“我认为，对于我们为什么需要适应性材料，存在一些困惑，”他说。“我认为这已经融入到我们设计和制造材料的方式中了……我想，可以追溯到我们第一次开始制造东西的时候。

“我总是认为，如果 100 年后，我们制造的材料能够适应我们的成长和变化，而不是仅仅被设计成始终保持不变，那就太好了。当然，这部作品只是其中的一个缩影。但这就是这个想法。这就是适应性材料可以给我们带来的东西。”

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