首页科技快讯机器变色龙？科学家发明超级自适应“变色”材料，性能前所未有

机器变色龙？科学家发明超级自适应“变色”材料，性能前所未有

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年08月11日 16:18

人工伪装是天然伪装的功能模拟，具备天然伪装能力的典型物种就是变色龙了，它们的皮肤被颗粒状细鳞所覆盖，真皮内有多种色素细胞，能根据环境需求随时变化体色，从而实现伪装效果。

受自然界生物的 “伪装” 技能启发，科学家们对人工伪装技术的研究不断深入。 自 19 世纪以来，许多与军事目的有关的伪装技术大大提高了特殊战斗人员和装备的战场存活能力。 近年来，新型人工伪装技术也逐渐成为了热门课题，特别是用于先进的软体机器人、电子皮肤等。

8 月 11 日，Nature Communications 杂志刊登了一篇论文，报道了一个以变色龙为灵感的软体机器人，该机器人能根据背景实时变色。展示效果如下：

图｜变色龙机器人的皮肤变化（来源： Nature Communications ）

人造伪装装置的一个前提条件是能表达大量颜色，并能按需控制和改变这些颜色，长期以来一直很难实现这样的目标，因为这对系统的要求非常复杂，而且装置模拟生存环境需要很高的空间频率。

在这项研究中，研究人员使用了一种全新策略，他们将热致变色液晶层与纵向堆叠、有图案的银纳米线网络进行集成（该技术缩写为：ATACS），再结合颜色传感器和反馈控制系统，最终制造出了 “人造变色龙皮肤”，并应用于一个软体机器人上进行演示。

在未来的研究中，这种技术策略还有望进一步实现对高分辨率表面纹理的快速识别和表达，或对下一代可穿戴伪装技术有全新启示。

伪装技术的难点

“背景匹配” 和 “破坏性着色” 通常被认为是伪装技术的基本原则，这些原则不仅需要快捷的着色，还需要根据背景选择性地表达不同图案。

在自然界中发现的主动伪装生物，大多依赖于肌肉细胞的机械作用，但人工伪装设备不可能符合变色动物的复杂解剖结构，因此衍生了很多不同的技术策略。

但到目前为止，在可见光区域（400-700nm 波长），特别是 RGB 区域，实用人工伪装的主导技术仍未完全建立。由于最常见和最直接的伪装策略是展示与背景相似的颜色，因此单位设备级人工伪装的先决条件，是传递可根据需要控制和改变的大范围可见光谱。

同时，相应的装置应具备灵活性且机械坚韧，尤其是用于可穿戴目的，以便在不中断内部结构的情况下，轻松地将目标身体作贴片覆盖，同时与环境条件和佩戴者的运动相兼容。

除了上述的要求外，将单元设备的系统集成到一个完整的人工伪装设备中，还会带来一些额外的问题。

首先，当传感器和控制电路被集成到多路复用配置中时，单元设备的复杂性预计会增加，传感器和控制电路是相邻颜色的自主检索和实现所必需的。

其次，单元设备通常是横向像素化的，以实现色彩的空间变化。由于其分辨率由像素单元的数量及其大小决定，因此，高分辨率人工伪装装置的概念通常会导致系统复杂性的大幅增加。

另外，从伪装性能的角度来看，高空间频率信息的传递对于更自然的隐藏也非常重要，通过清晰地表达表面的纹理和图案，来模拟生活环境的微生境。因此，在完整设备级别上开发出自适应的人工伪装技术，是一项极具挑战性的系统性任务。

（来源： pixabay）

人造 “变色龙皮肤” 的特性

针对诸多挑战和要求，研究人员的技术策略是将热致变色液晶（TLC）油墨与垂直堆叠的多层银（Ag）纳米线（NW）加热器相结合，得以在完整设备级别开发更实用、可扩展和高性能的人工伪装技术。

TLC 的可调谐着色特性，其反射光有着较宽的可见光谱范围且能控制在较窄的温度范围内，被公认为是人工伪装应用的潜在候选材料，但是，由于其对温度变化的高灵敏度，是一种不利的热稳定性的特征，如果温度能得到精确控制，就可以实现精确的变色控制效果。

经过一番实验，研究人员得出结论， Ag-NW 加热器就是最佳选择，不仅可以实现精确的温度控制，而且还可以通过不同的途径来表达精细图案。

Ag-NW 是一种有前途的柔性和可伸缩加热器材料，与其他材料如金（Au）NW、铜（Cu）NW 和杂化材料（Cu-Ni-NW、Ag-Au-NW 和 Ag-NW-CNT、Ag-NW-PEDOT:PSS）相比，Ag-NW 作为单一材料具有优异的导电性和抗氧化性，合成工艺简单具有成本效益，可用于大面积应用。

同时，研究人员注意到，Ag-NW 网络的电阻温度系数（TCR）足够大、线性和非滞后，可将 Ag-NW 网络的电阻用作负反馈控制系统的过程变量，以在外部环境波动下保持目标温度，热通量的主动控制可进一步缩短响应时间，甚至能与动物的生理颜色变化相媲美。

图｜能够生成具有 RGB 着色的多层 ATAC 材料（来源： Nature Communications ）

与以前的方法相比，本次的技术策略大大降低了整个伪装系统的复杂度，并通过消除像素之间的死区和帮助在着色中进行锐利但连续的转换，最终实现了更自然的自适应伪装特性。

ATAC 材料的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像表明，总厚度仅约为 30μm；每个 Ag-NW 加热器中 Ag-NW 层的厚度可以忽略不计（~100 nm），高度灵活的 ATACS 允许通过将相应单元作为贴片连接来隐藏目标身体；TLC 层的温度决定了 ATAC 的反射光谱，对应于 25.5°C、28°C 和 36°C 表面温度，能呈现出代表性的 RGB 颜色。

实验结果显示，TLC 层的着色与表面温度具有一对一的对应关系，具有连续的转变特性，能够使用单个输入参数实现各种颜色，而通过改变 TLC 层的成分或 Ag-NW 的浓度，可以调整表面温度和施加电压的输入范围，进而满足精细化操作条件的要求。

在当前研究中，着色的起始温度设置为接近环境温度（Tamb=20°C），呈现出最小化主动伪装所需的功耗。在当前条件和组成材料下，保持蓝色所需的功率估计为每平方厘米 19.4 mW，允许单个商用 AA 电池（2500 mAh，1.2 V）在 10×10 平方厘米的面积上保持主动伪装 92 分钟。

图｜具有快速稳定可控性的 ATACS 及其在机械变形下的性能（来源： Nature Communications ）

此外， 热变色伪装的两个潜在缺点是响应速度有限和对外部环境变化的稳定性低。

研究人员通过控制电路根据 ATAC 的状态对输入电压进行主动控制，有效地解决了这些问题 ，他们将 RGB 信号的特征时间从 3.04、3.44 和 3.52 秒（被动控制）分别减少到了 0.44、0.45 和 0.46 秒（主动控制），即使在较低的环境温度（15°C、5°C、，−5°C）中，ATACS 也显示超短的响应时间（<0.6s）。

因此，即使在机械弯曲下，反馈控制仍然有效。在实验室 1000 次循环期间和之后，ATAC 均显示出稳定的颜色性能，没有任何滞后现象。

图｜具有瞬时结晶能力的自主 S-ATAC（来源： Nature Communications ）

如何多态性表达更为精细的伪装模式是另一项挑战。

众所周知，背景颜色和视觉纹理的同时匹配对于最佳伪装性能至关重要，许多自然界物种也无法根据周围环境实时改变其外观纹理。

在这方面，作为对像素化方案的折衷建议，研究人员提出了一种具有可控多态性的人工伪装方案，该多态性允许显示选定的纹理。 使可控多态性具有高度缓解复杂性的关键特性是垂直堆叠的 Ag-NW 加热器。在评估 ATACS 分辨率和伪装精度的研究中，ATACS 显示出了 0.5 mm 的最小特征分辨率，并且显示了 64×64 像素化相当的高精度。

作为策略的最终演示，研究人员开发了一个自主自适应的移动变色龙机器人，随着变色龙模型的移动，人工伪装被激活，跨越 3 个不同的栖息地，身体快速切换显示了 RGB 颜色。

就像真的变色龙一样，这个机器变色龙能根据局部背景的变化，凭借异常自然和快速的过渡特性，进行全自动变色，验证了这种策略作为下一代人工伪装技术的巨大潜力。

（来源：pixabay）

未来展望

人工伪装是军事上的一项重要技术，目前相关市场规模正在快速增长。军用智能纺织品的最新发展也是增加了对自适应伪装技术的兴趣。 除了军事应用外，人工伪装还受到建筑、艺术和时尚以及许多狩猎和户外活动消费品的广泛关注。

研究人员表示，TLC 和多个 Ag-NW 加热器组合是一种新型系统，具有很高的人工伪装潜力。Ag -NW 冷却网络固有的机械和电气稳定性，进一步使其能够在连续机械弯曲和外部环境变化期间运行，同时，突出的着色和过渡特性，通过颜色感应和主动控制，与局部背景颜色进行全自动匹配，显著改善了目标身体与周围环境的混合，展示了巨大的应用前景。

此次研究中还有一个独特且激励性的主题，是通过垂直集成 Ag-NW 加热器温度分布的叠加来表达精细图案的新方法，以最小的系统复杂度为代价来改善伪装特性。

放眼未来，满足给定伪装需求预计也需要考虑更多维参数的变化，如移动速度、加热器数量和所选模式、传感单元的数量布置以及人类感知特征等 ，研究人员希望能与各种背景的其他团队积极合作，包括信号处理和数据驱动科学等，以推动高性能人工伪装研究取得更大的进展。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24916-w

本文来自微信公众号 “学术头条”（ID：SciTouTiao），作者：库珀，编审：寇建超，排版：张熙，36氪经授权发布。