变色龙机器人问世！能在100cm区域主动伪装92分钟

爱在远方流浪 · 发表于 2021-8-22 18:44:04|来自：中国

近日，韩国首尔大学等团队公开了“仿生变色龙软体机器人”成果，与以往“人工伪装技术”不同的是，其利用温度来调节仿生变色龙颜色，可简单实现热致变色功能，在变色系统中到场一个具备负反馈调节的传感器来避免温度受外界环境的影响，即可确保“变色”更加稳定。

图｜变色龙软体机器人变色实验图（来源：Nature Communications）
将变色龙与天然颜色瞬间匹配，这为下一代“人工伪装”提供了一种令人兴奋的解决思路，人工伪装技术不仅在军事应用中颇受青睐，在建筑、艺术、时尚和户外运动等领域也颇受关注。
8 月 10 日，相关论文以《仿生变色龙软体机器人具有人工隐型和破坏性有色皮肤》（Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin）为题发表在Nature Communications上。

图｜相关论文（来源：Nature Communications）
在大天然中，为了躲避天敌和天然环境的入侵，许多动物都有独特的“伪装”技能，如拟态、掩护色等，不得不说变色龙是一种非常高明的伪装“专家”。受变色龙伪装技能的启发，人类研究出许多人工防伪技术，“军事伪装”是颇为经典的应用。
然而，完整人工防伪技术的突破依然困难重重，尤其通过高分辨率伪装模式，实现更前沿更天然地伪装仍是一项挑衅极大的工作。
主要有三方面的原因：
一是人工伪装与变色龙的内在机理不一致，在 RGB 可见光的范围内，利用人工伪装的主导技术尚未完全确立；
二是主动型检索和相邻颜色所需的传感器、控制电路和高分辨率人工伪装设备等导致系统复杂性增加；
三是在伪装性能方面，变色龙微栖息地的模拟及信息传递对其更天然的隐藏至关重要。
宾夕法尼亚州立大学助理教授程寰宇向 DeepTech 表示，“之前很多研究文章都是关于大的阵列密度来实现变色和环境整合，中心变色的部分很可能无法把每个像素都覆盖，这会造成对应的像素点没有颜色。
该研究最主要的亮点之一，是对像素与像素结合的现象做了前期调研，变色龙在某些栖息地时，外界温度变化并没有设想中那么多，很可能只有几个特定改变。如果变色龙只有几处栖息地，那么它身材的变色只需要很简单的几个像素即可实现。”

图｜程寰宇（来源：受访者）
从特定物种的多态性进化现象来看，任意图像的显示对受限栖息地的伪装应用都是多余的。
因此，该团队构建了一种竖直加热器，用激光图案选定栖息地后，通过叠加多层银纳米线加热器（Silver Nanowire Heaters），不同加热器产生的温度分布叠加在最外层的热致变色油墨层（thermochromic liquid crystal，TLC），使背景颜色与环境表达同时匹配。
最后，通过相应策略消除像素之间的死角，从而在辅助色彩出现较大变化时，即可实现连续过渡，借此低落系统的整体复杂性，终极实现更加天然的伪装。
人工变色龙可生成具有 RGB 着色功能的多个皮肤图案
热致变色材料，在很小的温度变化范围内就能实现红、绿、蓝这三种颜色的变化。从经典的人工变色龙皮肤底部可以看到许多垂直的图案和呈半透明带状的加热器层，将变色龙皮肤上的加热器激活之后，TLC 在可见地区可出现出鲜艳的色彩，反射光谱可以在较宽的可见光谱范围内利用。
TLC 层的温度决定了人工变色龙皮肤的反射光谱，在 CIE 1931 的坐标图中，将 25.5℃、28℃ 和 36℃ 对应的三个点作为代表性的 RGB 颜色，在现有条件下维持蓝色，单个商用电池可以在 100 cm^2 的地区主动伪装 92 分钟。根据变色龙模型的形状，该团队准备了范围从 21.96 cm^2 到 67.2 cm^2 不等的 7 个不同的斑块，来完全覆盖人工变色龙外观。

图｜具有 RGB 着色的人工变色龙图案（来源：Nature Communications）
程寰宇向 DeepTech 表示：“该团队利用的热致变色材料，在很小的温度变化范围内就能实现红、绿、蓝这三种颜色的变化。别的垂直堆叠的加热器可以实现可控多态、高度低落复杂性的关键功能，带有银纳米线加热层的人工变色龙具有显着的鸵鸟图案，这三层图案分别是鸵鸟站起来、头往中心移动和头低下去。”

图｜带有多层鸵鸟图案的人造变色龙皮（ATACS，Artificial Chameleon Skin）简图（来源：Nature Communications）
这三层图案每一层都是一个加热器，每个加热器上都一个温度与颜色一一对应，比如第一层加热到红色对应的温度，就产生了红色鸵鸟直立的图片，第二层实现了绿色鸵鸟往中心走和第三层蓝色鸵鸟头往低下去的图案。
程寰宇表示：“该研究最大的亮点是，垂直堆叠的设计结构避免了平面堆叠中的一些题目，因为平面堆叠需要实现很高密度的阵列，然后形成对应的图案，这就会造成一些所谓的死角，这个地方没有颜色，因而产生的效果不太好。
而垂直堆叠是直接在每一层垂直的加热器里直接引带的图案，进而热致变材料上不需要形成很多的像素，因而加工成本和制造的难度就会极大地低落。”
在热致变色材料中到场冰块，人工变色龙可实现瞬时伪装
即使具有主动动态伪装功能的物种，其可表达的伪装模式在许多情况下也不是完全任意的，它局限于某些特定的条件。
人工伪装与现实生活中的物种伪装相似，也是分步骤完成的，人工伪装涉及背景颜色检验及匹配表面颜色传递的整个过程。基于此，该团队提出了一种直接而简单的自动传感器集成人工变色龙瞬时伪装模型。
人工变色龙变色的基本原理，不需要再分析高密阵列的视觉信息，而是从颜色传感器测量的 RGB 强度获取每个像素的局部颜色，通过红、绿、蓝的强度就能知道外界颜色分别是什么，然后把红、绿、蓝颜色强度输入到系统里面，系统有了这个输入，就可以对应地控制温度，实现红、绿、蓝颜色的生成。
程寰宇向 DeepTech 表示，“在颜色实现的过程中，加热器的应用比较关键，但温度比加热器的应用还要关键，因为温度对颜色的调节具有一一对应的关系，并且颜色对温度的变化非常敏感，当环境温度一旦发生很低的变化时，就会对变色产生很大的影响，以是在带有加热器的反馈电路自主防伪系统中设计了反馈机制，到场一个比例积分分化（PID，Proportion Integration Differentiation ）传感器检测外界温度改变了多少，以匹配局部背景颜色。”

图｜带有加热器反馈控制逻辑电路的自主伪装系统原理（来源：Nature Communications）
该研究主要选择 25.5℃ - 36℃ 这个温度范围，来实现红、绿、蓝的颜色改变，比如目前的状态为红色，外界环境一旦超过 25.5℃，那么热致变色材料的颜色就会发生变化，从而无法与局部背景匹配。
温度的反馈对于冰块所带的扰动进行调节，使得原来栖息地的颜色保持不变，当变色龙模型分别在 R、G 和 B 三个不同栖息地移动时，人工伪装就被瞬时激活。

图｜变色龙软体机器人瞬时隐形（来源：Nature Communications）
该研究成果在人工伪装方面取得了一定的进步，但在改善隐藏方面有一定的局限性，因为只有少数像素具有清晰的界限。
再比如，在一个有花草的现实环境中进行隐身，可以达到和绿色植被比较贴近的效果，假如从绿草移到红花上面，虽然没必要和背景完全匹配，但只挡住红花的一半，另一半还显示绿色，一眼就能让别人发现，在这种复杂的场景下如何有效防伪是一个很大的挑衅，这是该研究成果有待提升的点。
人工变色龙防伪技术未来落地情况取决于详细应用场景
“该技术在军事隐身方面有较大的应用价值，但该技术并不局限在军事上，我以为这是他们的一个引出例子，实在在军事应用中加热耗能、精度有限等题目并未解决，在丛林中这个局限性更大，因为热成像仪很可能在夜晚可见光或光线不好的情况下才利用，军队在白天大部分时候不太会需要，但该技术在光学上的伪装仍具有很大价值。” 程寰宇向 DeepTech 表示。

图｜变色龙（来源：Pixabay）
因此，人工变色龙防伪技术在落地方面临一定的挑衅，最主要的还是取决于该技术落地时的应用场景。此外，该技术也存在一定局限性，它只能在一些栖息地变化不太大的情况下，用少量的像素来实现伪装，以是利用者需要对这个应用场景有相对较好的把握。
程寰宇向 DeepTech 表示：“一些较为复杂的研究在商业化方面并不得当，因为头部公司拥有丰富的资源，通常情况下不会直接采购一个全新的技术，而初创公司虽有这方面的采购意向，但他们并没有那么多的流动资金，采购一个高成本的技术不太现实。”
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