韩国研究者研发“变色龙”机器人,可用于军事侦查和隐蔽

来自韩国首尔大学和汉阳大学的研究团队研发了一种以变色龙为灵感的软体机器人,它能根据背景实时变色。作者称此研究可用于军事、建筑、时尚等领域。该研究论文于北京时间8月10日23时发表在国际知名学术期刊《自然-通讯》上,论文标题为《Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin》(具有人工隐蔽及干扰性着色皮肤的仿生变色龙软体机器人),通讯作者为首尔大学机械工程系Seung Hwan Ko(高承焕)教授以及汉阳大学机械工程系Sukjoon Hong教授。
“(这项技术)第一个应用将会是军事。一是隐蔽智能机器人(侦察机器人),二是‘主动’伪装军服。目前的军服是‘被动’的,其颜色和图案是固定的,不能反映周围环境的变化。这个应用的最终形式将是融入背景的隐形斗篷。”高承焕向新闻记者介绍道,“其他应用包括汽车、服装或建筑物的背景主动自适应,主要用于‘装饰’或‘美学’目的。你可以想象一种布料会根据你的口味或环境改变颜色和图案。此外,这种改变颜色和图案的变色龙可用于未来灵活、可穿戴的显示器。”
论文表示,人造伪装的原理是模仿生存环境中的天然伪装,人们已经在许多物种中发现了这种天然伪装,如变色龙等。目前,人工伪装,尤其是软体机器人电子皮肤,成为最近技术发展的重要课题。
一般认为,伪装的基本原则是与背景相似以及具有干扰性的着色。自然界的主动伪装主要依赖于动物肌肉细胞的机械作用,而人工伪装无需与变色动物的实际解剖结构匹配,因此可采用更加多样的策略。
不过,迄今为止,在可见光范围(400-700 nm 波长)的实用人工伪装的主导技术尚未完全建立。
由于最直接的伪装是展示与背景相似的颜色,因此在单元设备级别进行人工伪装的先决条件是表达大量颜色,并能按需控制和改变这些颜色。同时,单元设备还需要灵活坚固,尤其是用于穿戴的设备,它作为可附着贴片需要轻松覆盖目标的身体,并与环境条件和穿戴者的运动兼容,同时要维持内部结构。此外,将单元设备集成到一个完整的人工伪装设备中还需要考虑其他问题,十分复杂。
此项工作中,研究人员使用了一种开发人造变色龙的新策略,他们将热致变色液晶(thermochromic liquid crystal)墨水与纵向堆叠、有图案的银纳米线网络加热器(multilayer silver nanowire heaters)集成(他们将该技术缩写为ATACS),再结合颜色传感器和反馈控制系统,制造出了“人造变色龙皮肤”并应用于一个软体机器人上,形成变色龙机器人。
热致变色液晶的可调谐着色是公认的人工伪装应用的潜在候选者,其对温度变化较为敏感,这是对外部环境变化的热稳定性不利的特征。不过,一旦能够精准控制温度,它就能灵敏反应,低能耗运行。银纳米线网络加热器不仅可以实现准确的温度控制,而且还可以通过不同的途径来表达精细图案。作者的演示表明,该变色龙机器人能探测局部背景颜色,并根据周围环境进行实时变色。当表面温度处于环境温度时,变色龙表现为黑色,但激活加热器达到工作温度范围时,可以观察到鲜艳的颜色。谈及这项研究的主要困难,高承焕表示,“第一,加快变色反应的时间(与真实动物的反应时间相当)。我们的第一个变色龙机器人的响应时间相对较慢(约5s),通过应用银纳米线加热器,我们可以将响应时间缩短到亚秒(0.4s),这与真实动物的反应时间尺度相似。”
“第二,可靠、稳定的颜色控制(即使环境温度发生变化,也能保持目标颜色)。早期的变色龙模型显示,随着环境温度改变,变色龙的颜色会发生不必要的变化。借助于反馈控制系统,目前,在各种外部温度扰动下,温度也能很好地保持在目标温度,而且显示的颜色具有更好的稳定性。第三,颜色变化和变色龙运动的同时整合是另一个大问题。”
今后仍需开展进一步研究,实现对高分辨率表面纹理的快速识别和表达,作者认为这或许会通过信号处理和数据驱动科学领域的技术进步得以实现。
关于研究的下一步工作,高承焕表示,首先,他们目前正计划进行探索无约束、完全自主的变色龙机器人。“你可能注意到现在机器人仍然有电源线。我们想要去除电线,制造一个完全自主工作的变色龙机器人。”“第二,我们计划对基于人工智能的传感系统进行后续研究,该系统不仅可以检测颜色,还可以检测周围背景的不同花纹图案。通过这一点,我们可以开发出更先进的人工伪装系统。最后, 实现像真正的变色龙一样的平滑运动和颜色变化。”

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