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硅胶皮肤改变3D伪装的纹理
隐身,是人类一直以来最向往的“超能力”.自然界色龙等很多小动物,都能够根据周围环境来变换自己身体的颜色,而像章鱼这种软体动物,可以在一瞬之间,通过改变皮肤的颜色和质地伪装成边缘参差不齐的海藻或珊瑚,与周围的环境融为一体.未来,机器人或许能够用到这种神奇的伪装术.
研究者们制作出人造的头足类动物皮肤,可以将2D平面皮肤转换为带有凹凸面的三维皮肤,这项研究成功发布在最近的《科学》杂志上.未来,这项科技可以应用于软体机器人,作为它们可伸展的硅胶“皮肤”.
意大利圣安娜高级研究学院仿生机器人教授Cecilia Laschi表示：“伪装机器人可以避免遭受动物的攻击并隐藏起来,更好地接近动物在自然栖息环境中研究它们.当然,伪装技术也可以支持军事应用,减少机器人的能见距离,更有效地接近危险区域.”
凹凸不平的皮肤
这是由来自康奈尔大学的Robert Shepherd和宾夕法尼亚大学的James Pikul两位研究者共同发明,灵感来自于章鱼和乌贼的3D皮肤凹凸部分,它们可以在0.2秒内利用肌肉组织变形伪装.
他们将硅树脂注入模具,形成了与皮肤相似的材质,然后在上面放置了一个纤维网来模拟肌肉.再利用激光来切断网状结构,在上面浇筑更多的硅胶,让整体形成一个硅树脂三明治结构.只需将硅树脂的部分位置切割掉一些,就可以让它轻松膨胀出所需的 3D 形状.最后研究人员可以在上面喷各种颜色,让它变得更像石头或花朵.
软体机器人的乳状突出部分可以是气袋也可以是硅胶皮肤下的气球,这些气袋可以在不同时间不同部位膨胀起来,形成机器人的运动.在这项研究中,机器人的膨胀可以做进一步的深入研究.
基于这些,头足类动物能够做到目前科技无法实现的功能,所以我们要如何缩小差距研究出仿生物能力的科技呢？这是Shepherd教授提出的核心问题,这项研究中膨胀气球就是一个比较可行的科学结论.通过小型纤维网球嵌入硅胶中,科学家可以控制和塑性膨胀表皮的质感,就像章鱼能够二次处理皮肤那样.
当Pikul还在康奈尔大学做博士后时,曾提出过一个理念——通过纤维网环模式改变气袋纹理,已经接近了膨胀硅胶的技术.由于硅胶膨胀速度快且可逆,自此,只需要一个数学模型就能让其运转起来.
皮肤结构
除此之外,研究人员利用计算机算法和激光来检测结构的3D图案变化,从而保证最终的皮肤图形能够达到预设目标.这种可伸缩材料包括五层,其核心为硅树脂（silicone）电致发光层,包含有硫化锌（ZnS）磷光体粉末,根据磷光体组分不同通电后会发出不同的颜色.例如,少量铜掺杂会亮蓝光或绿光,锰掺杂则亮黄光.核心层被夹在两层弹性离子水凝胶之间,这种水凝胶作为电极向核心层供电.弹性离子水凝胶由溶胀于氯化锂水溶液的聚丙烯酰胺制备而成,其中盐提供了导电性,而透明的聚丙烯酰胺则提供了韧性.这种材料最先由哈佛大学的科学家George M. Whitesides和Zhigang Suo于2013年发明.
这个三明治式的结构,又被夹在两层硅树脂层之间,形成最终的五层结构.Shepherd表示,将亲水性水凝胶粘合到疏水性硅树脂上是非常有挑战性的工作.最终,他们利用臭氧打断硅树脂表面的Si-O键,创造出表面羟基,解决了这一难题.这种改性表面使得硅树脂层与水凝胶层之间具有良好的附着力.
概念验证
织纹皮肤目前的状态还处于最初阶段：将硅胶气泡与纤维网边框分割开,研究者们解决了膨胀时如何控制硅胶形状的方法.他们试着通过加强纤维网,给气泡充气形成新的形状.比如说,他们建立的框架模仿了河边堆砌的石头就像多肉植物的叶子是按照螺旋图样生长的那样.不过,Shepherd强调复杂的结构并不是他们的首要目标.
Shepherd表示：“我们不希望这种技术成为世界上仅有少数人掌握的,我们希望它能够非常容易地使用.他希望这种基于团队早期发现的纹理技术——使变色硅胶皮肤,能够更便捷地应用于工业、学术界以及相关的业余爱好者所使用.因此,研究团队慎重限制型技术,比如激光刀具制造网环,这样更方便于康奈尔大学实验室之外的人们使用.
康奈尔大学物理学教授Itai Cohen也参与了这项研究,他指出了这项技术的另一个可应用的方面.在一次考察过程中,Cohen假设堆积多层漏气硅胶,按照一定的设计将膨胀当做一种伪装性纹理结构,放在某个卡车车厢.Cohen表示：“你可以将气放了,使结构不必永久保持固定的外形,毕竟充气膨胀的结构很难进行运输.”随着这项技术的不断发展,Cohen进行了大胆假设——未来人们可以扫描一个环境,之后对相应的硅胶片进行编程,然后模拟所有环境特征.
Pikul and Shepherd计划在各自的实验室应用这项技术.Shepherd解释说自从开发这项技术,他已经开始用电流代替充气,电流可以产生同样的纹理,不需要系绳或者压缩空气系统.此外,Pikul希望应用处理材料表面的经验技术,表面积的作用非常重要,就像电池或冷却剂.
此外,美国陆军正在研究创建公司为这个科研项目投入资金,因为这种先进的保护色将能在未来为机器人和其他类似系统带来先进伪装能力,将创造出真正惊人的机器人“迷彩服”.
目前的机器人和自然界中的小动物来比,还是差很多.它只能根据研究人员预先切割的皮肤纹路,来扩充自己的形状.所以它的隐身能力还是极其有限的.Shepherd教授表示：“我们依旧处于软体机器人的探索阶段,由于大部分的机器人都是由坚硬的金属和塑料所构成,软体机器人的最佳应用和常规还没有完全具体化.我们只是处于初期的研究阶段,并且取得了伟大的成果,不过关键在于,未来这项技术要方便人们使用并且确保系统运行的安全可靠.”
编译自《科学美国人》
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