系統的可調節性、自我調節（self-regulation）功能是生物工程的關鍵，例如接收聲音刺激而調節鼓膜張力或接受不同光強而調整瞳孔大小，這些感官系統展現因應外界刺激的自調節機制。本篇小新聞便以虹膜為例，介紹近期仿生材料製成的感光虹膜。虹膜是眼球中調節「光圈」的重要結構，必須適應日間與夜晚高達九個數量級差異的光強，而人眼更能在數百毫秒內將焦距由數十公尺調整至幾公分 [1]，動態且連續的曝光、景深與光圈調整使眼球成為精緻優良的「光學元件」。
過去的研究透過溫度變化、壓電特性與微流道設計打造精製且可調控的光圈，然而這類設計並不包含自我調控的機制，而仍需要感光元件經過校準、回饋後才進行被動式的調整，此研究團隊則以光敏感的液晶彈性體（liquid crystal elastomer）納入自我調控機制。光敏感液晶彈性體由彈性的網狀聚合物與液晶構成，在光刺激下產生可逆的光化學反應，反應產生的溫度、分子結構改變能影響彈性材料的力學特性。進一步，如何以光照精確地調控形變量、優化可重復性與反應效率則是一系列材料設計與製成技術的貢獻 [2]。
人造感光虹膜設計為圓盤狀，中央輻射的「花瓣」造型則是能在光刺激下向內彎曲、進而縮小光圈的結構。為了達到調控彎曲的幾何結構，製成時考慮虹膜厚度、也以光刻（photolithography）設計輻射狀的聚合物排列，另外，製成時的溫度能控制光敏感液晶材料回溫後的各向異性（anisotropy）形變，藉此調整黑暗環境中材料的初始彎曲程度、進而影響光圈擴張。本研究製成的人造虹膜確實能在光刺激下縮小光通範圍、縮減七倍的光通量，而反應速度也與光刺激強度正相關，約能在數十秒內完成光圈調控 [3]。
光敏感人造虹膜的初步成果相當可觀，未來還能納入不同材料組成，優化反應效率或設計不同波長的專一性反應，能應用於光微流（optofluidics）系統、光刺激生物環境、甚至有助軟體機器人（soft robotics）的研發 [4]，相信能開啟生物工程、仿生技術的新篇章。
人類虹膜在接強光下縮小瞳孔(a)及虹膜在微光下放大瞳孔(b)。圖c, d. 為人工虹膜模擬人類虹膜，在接受到強光時，光照會使得花瓣狀的片段向內彎曲並減少光圈大小。反之，微光會使得人工虹膜產生向異性熱膨脹 (anisotropic thermal expansion) 使得花瓣狀片段打開並增加光圈大小。圖片來源：goo.gl/43vtkh
參考資料：
- Webvision. (n.d.). Retrieved from http://webvision.med.utah.edu/
- Yu, Y., Nakano, M., & Ikeda, T. (2003). Directed bending of a polymer film by light. Nature, 425(6954), 145-145. doi:10.1038/425145a
- Zeng, H., Wani, O. M., Wasylczyk, P., Kaczmarek, R., & Priimagi, A. (2017). Self-Regulating Iris Based on Light-Actuated Liquid Crystal Elastomer. Advanced Materials, 29(30), 1701814. doi:10.1002/adma.201701814（原文網站附上光刺激下人工虹膜反應的影片，相當有趣！）
- Soft robotics | Wikiwand. (n.d.). Retrieved May 31, 2018, from https://www.wikiwand.com/en/Soft_robotics（soft robotics影片：goo.gl/haQ5j8）
撰文│陳曦
修訂│楊仁龍
