來自韓國首爾大學(xué)和漢陽大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種以變色龍為靈感的軟體機(jī)器人，它能根據(jù)背景實(shí)時(shí)變色。作者稱此研究可用于軍事、建筑、時(shí)尚等領(lǐng)域。

該研究論文于北京時(shí)間8月10日23時(shí)發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上，論文標(biāo)題為《Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin》（具有人工隱蔽及干擾性著色皮膚的仿生變色龍軟體機(jī)器人），通訊作者為首爾大學(xué)機(jī)械工程系Seung Hwan Ko（高承煥）教授以及漢陽大學(xué)機(jī)械工程系Sukjoon Hong教授。

“（這項(xiàng)技術(shù)）第一個(gè)應(yīng)用將會(huì)是軍事。一是隱蔽智能機(jī)器人（偵察機(jī)器人），二是‘主動(dòng)’偽裝軍服。目前的軍服是‘被動(dòng)’的，其顏色和圖案是固定的，不能反映周圍環(huán)境的變化。這個(gè)應(yīng)用的最終形式將是融入背景的隱形斗篷。”高承煥向澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）記者介紹道，“其他應(yīng)用包括汽車、服裝或建筑物的背景主動(dòng)自適應(yīng)，主要用于‘裝飾’或‘美學(xué)’目的。你可以想象一種布料會(huì)根據(jù)你的口味或環(huán)境改變顏色和圖案。此外，這種改變顏色和圖案的變色龍可用于未來靈活、可穿戴的顯示器。”

論文表示，人造偽裝的原理是模仿生存環(huán)境中的天然偽裝，人們已經(jīng)在許多物種中發(fā)現(xiàn)了這種天然偽裝，如變色龍等。目前，人工偽裝，尤其是軟體機(jī)器人電子皮膚，成為最近技術(shù)發(fā)展的重要課題。

一般認(rèn)為，偽裝的基本原則是與背景相似以及具有干擾性的著色。自然界的主動(dòng)偽裝主要依賴于動(dòng)物肌肉細(xì)胞的機(jī)械作用，而人工偽裝無需與變色動(dòng)物的實(shí)際解剖結(jié)構(gòu)匹配，因此可采用更加多樣的策略。

不過，迄今為止，在可見光范圍（400-700 nm 波長）的實(shí)用人工偽裝的主導(dǎo)技術(shù)尚未完全建立。

由于最直接的偽裝是展示與背景相似的顏色，因此在單元設(shè)備級(jí)別進(jìn)行人工偽裝的先決條件是表達(dá)大量顏色，并能按需控制和改變這些顏色。同時(shí)，單元設(shè)備還需要靈活堅(jiān)固，尤其是用于穿戴的設(shè)備，它作為可附著貼片需要輕松覆蓋目標(biāo)的身體，并與環(huán)境條件和穿戴者的運(yùn)動(dòng)兼容，同時(shí)要維持內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，將單元設(shè)備集成到一個(gè)完整的人工偽裝設(shè)備中還需要考慮其他問題，十分復(fù)雜。

此項(xiàng)工作中，研究人員使用了一種開發(fā)人造變色龍的新策略，他們將熱致變色液晶（thermochromic liquid crystal）墨水與縱向堆疊、有圖案的銀納米線網(wǎng)絡(luò)加熱器（multilayer silver nanowire heaters）集成（他們將該技術(shù)縮寫為ATACS），再結(jié)合顏色傳感器和反饋控制系統(tǒng)，制造出了“人造變色龍皮膚”并應(yīng)用于一個(gè)軟體機(jī)器人上，形成變色龍機(jī)器人。

熱致變色液晶的可調(diào)諧著色是公認(rèn)的人工偽裝應(yīng)用的潛在候選者，其對(duì)溫度變化較為敏感，這是對(duì)外部環(huán)境變化的熱穩(wěn)定性不利的特征。不過，一旦能夠精準(zhǔn)控制溫度，它就能靈敏反應(yīng)，低能耗運(yùn)行。銀納米線網(wǎng)絡(luò)加熱器不僅可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度控制，而且還可以通過不同的途徑來表達(dá)精細(xì)圖案。

a,多層ATACS的數(shù)字圖像及其帶有加熱器層的底部圖像
b,多層ATACS的配置
c,銀納米線網(wǎng)絡(luò)加熱器通過加熱機(jī)制產(chǎn)生熱量
d,銀EDS圖像橫截面的SEM圖像
e,CIE 1931 ATACS色度圖
f,ATACS的著色性能取決于各種直流電壓

作者的演示表明，該變色龍機(jī)器人能探測局部背景顏色，并根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)變色。當(dāng)表面溫度處于環(huán)境溫度時(shí)，變色龍表現(xiàn)為黑色，但激活加熱器達(dá)到工作溫度范圍時(shí)，可以觀察到鮮艷的顏色。

g,具有 7 個(gè)高度靈活的多層ATACS 貼片的變色龍模型
h,在變色龍模型上演示圖案花紋

談及這項(xiàng)研究的主要困難，高承煥表示，“第一，加快變色反應(yīng)的時(shí)間（與真實(shí)動(dòng)物的反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)）。我們的第一個(gè)變色龍機(jī)器人的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢（約5s），通過應(yīng)用銀納米線加熱器，我們可以將響應(yīng)時(shí)間縮短到亞秒（0.4s），這與真實(shí)動(dòng)物的反應(yīng)時(shí)間尺度相似。”

“第二，可靠、穩(wěn)定的顏色控制（即使環(huán)境溫度發(fā)生變化，也能保持目標(biāo)顏色）。早期的變色龍模型顯示，隨著環(huán)境溫度改變，變色龍的顏色會(huì)發(fā)生不必要的變化。借助于反饋控制系統(tǒng)，目前，在各種外部溫度擾動(dòng)下，溫度也能很好地保持在目標(biāo)溫度，而且顯示的顏色具有更好的穩(wěn)定性。第三，顏色變化和變色龍運(yùn)動(dòng)的同時(shí)整合是另一個(gè)大問題?！?/p>

今后仍需開展進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率表面紋理的快速識(shí)別和表達(dá)，作者認(rèn)為這或許會(huì)通過信號(hào)處理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步得以實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于研究的下一步工作，高承煥表示，首先，他們目前正計(jì)劃進(jìn)行探索無約束、完全自主的變色龍機(jī)器人?！澳憧赡茏⒁獾浆F(xiàn)在機(jī)器人仍然有電源線。我們想要去除電線，制造一個(gè)完全自主工作的變色龍機(jī)器人。”

隱匿偽裝模式的有效性：真實(shí)變色龍（左）和覆蓋有 7 個(gè)多層 ATACS 的變色龍模型（右）的視覺比較

“第二，我們計(jì)劃對(duì)基于人工智能的傳感系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)研究，該系統(tǒng)不僅可以檢測顏色，還可以檢測周圍背景的不同花紋圖案。通過這一點(diǎn)，我們可以開發(fā)出更先進(jìn)的人工偽裝系統(tǒng)。最后， 實(shí)現(xiàn)像真正的變色龍一樣的平滑運(yùn)動(dòng)和顏色變化?！?/p>