西安交大邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)《Mater. Horiz.》：開(kāi)發(fā)出基于多功能智能皮膚的自適應(yīng)變色系統(tǒng)
變色龍可以通過(guò)改變皮膚表面納米結(jié)構(gòu)的幾何尺寸來(lái)調(diào)整顏色以完成躲避天敵、狩獵、交換信息等行為。這種基于結(jié)構(gòu)的顏色由于其可逆性、不褪色等優(yōu)越特性，吸引了眾多研究人員的關(guān)注，并在色彩顯示、偽裝、光學(xué)濾波和傳感可視化等領(lǐng)域取得了諸多進(jìn)展。然而，現(xiàn)有“被動(dòng)”式可調(diào)結(jié)構(gòu)色與自然界“主動(dòng)”式可調(diào)結(jié)構(gòu)色之間仍存在著巨大差距，限制了結(jié)構(gòu)色在特定環(huán)境下的自主適應(yīng)性。開(kāi)發(fā)具有主動(dòng)調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力的可調(diào)結(jié)構(gòu)色是人工可調(diào)結(jié)構(gòu)色器件或系統(tǒng)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)性難題。
仿變色龍結(jié)構(gòu)色自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
近期，西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)提出了一種具有變色、致動(dòng)和傳感功能的一體化智能皮膚，并基于此搭建了對(duì)環(huán)境主動(dòng)適應(yīng)的顏色調(diào)節(jié)系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)變色方案的研究中結(jié)構(gòu)色變化主要通過(guò)預(yù)編程動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，從而難以適應(yīng)外部環(huán)境顏色變化，該研究是從變色龍的皮膚、眼睛和大腦的耦合仿生角度出發(fā)，在變色、致動(dòng)和傳感功能一體化智能皮膚設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合視覺(jué)采集系統(tǒng)和變色控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)顏色的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到與周圍環(huán)境色彩一致的目的。自然界中的變色龍?jiān)诃h(huán)境顏色變化時(shí)可以調(diào)節(jié)其皮膚表面的鳥(niǎo)嘌呤納米晶體陣列實(shí)現(xiàn)自身對(duì)環(huán)境顏色的適應(yīng)。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造的結(jié)構(gòu)色調(diào)控系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境顏色自主調(diào)節(jié)顏色：當(dāng)環(huán)境顏色變化時(shí)，視覺(jué)采集系統(tǒng)將顏色識(shí)別并傳輸給控制系統(tǒng)，之后控制系統(tǒng)通過(guò)電壓控制使智能皮膚變形到相應(yīng)的尺寸以實(shí)現(xiàn)變色，類似變色龍控制肌肉使表皮晶體陣列變形以變色的過(guò)程。此過(guò)程中智能皮膚將自身電阻信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)以輔助感知自身狀態(tài)，類似變色龍通過(guò)皮膚神經(jīng)感知皮膚的顏色，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的自適應(yīng)變色，如圖1所示。相關(guān)研究成果以“Chameleon-inspired active tunable structural color based on smart skin with multi-functions of structural color, sensing and actuation”為題發(fā)表《Materials Horizons》上，西安交通大學(xué)博士生張維天為論文第一作者。
圖1 仿變色龍的結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)系統(tǒng)
功能一體化智能皮膚
仿變色龍的結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心是集可調(diào)結(jié)構(gòu)色、傳感和致動(dòng)功能于一體的智能皮膚。受變色龍的變色皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)將智能皮膚設(shè)計(jì)為一體化的功能集成結(jié)構(gòu)：頂層是一層納米級(jí)光子晶體薄膜，其顏色來(lái)自于表面的六角形納米孔陣列，當(dāng)受到拉伸或收縮時(shí)，其顏色在可見(jiàn)光范圍內(nèi)發(fā)生變化，模擬變色龍表皮上的鳥(niǎo)嘌呤晶體在不同周期下的不同顏色效果；下層為液晶彈性體(LCE)，通過(guò)熱致相變，可以產(chǎn)生近50%的收縮率，模擬變色龍的皮膚肌肉的主動(dòng)致動(dòng)能力；在LCE薄膜的兩側(cè)涂有碳納米管(CNTs)作為電熱層，自身的電阻在尺寸變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化，可以用于間接感知頂層的顏色，模擬變色龍的皮下神經(jīng)在變色過(guò)程中的感知作用。各部分的功能在集成后可以實(shí)現(xiàn)顏色的大范圍可逆變化，如圖2所示。通過(guò)對(duì)施加電壓和時(shí)間的控制，可以實(shí)現(xiàn)智能皮膚的顏色調(diào)節(jié)，接近于變色龍皮膚變色的調(diào)節(jié)方式，提供了一種控制顏色的簡(jiǎn)便途徑。
圖2 一體化智能皮膚的變色與致動(dòng)功能
智能皮膚的變形/變色自感知
智能皮膚上CNTs層在LCE變形過(guò)程中的電阻變化類似于變色龍皮下神經(jīng)對(duì)皮膚收縮作出的神經(jīng)信號(hào)反應(yīng)，可用于自感知功能的實(shí)現(xiàn)。智能皮膚電阻的變化與其自身尺寸相關(guān)，可以用于檢測(cè)LCE的變形，從而間接感知光子晶體產(chǎn)生的顏色，提供了用于反饋控制的傳感信號(hào)。在施加電壓時(shí)，智能皮膚顏色變化的同時(shí)CNTs層的電阻變化率也發(fā)生變化，如圖3所示。電阻與顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系表明通過(guò)CNTs的電阻可以間接獲得智能皮膚的當(dāng)前顏色，驗(yàn)證了智能皮膚的自感知功能。
圖3 一體化智能皮膚的自感知功能
系統(tǒng)搭建與自適應(yīng)變色展示
受變色龍整體變色過(guò)程的啟發(fā)，在變色、致動(dòng)、傳感多功能一體化的智能皮膚基礎(chǔ)上，進(jìn)一步集成圖像采集單元和信號(hào)處理單元，建立了結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這一集成創(chuàng)新相當(dāng)于在變色龍皮膚結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合眼睛和大腦，來(lái)實(shí)現(xiàn)在變色過(guò)程中的顏色識(shí)別和總體控制功能，是對(duì)變色龍變色能力的進(jìn)一步仿生。研究團(tuán)隊(duì)采用小型攝像機(jī)及其圖像處理系統(tǒng)作為視覺(jué)系統(tǒng)，采用STM32單片機(jī)和電流測(cè)量模塊作為控制系統(tǒng)。視覺(jué)系統(tǒng)將環(huán)境顏色變?yōu)橄鄳?yīng) 信號(hào)，之后控制系統(tǒng)將之與智能皮膚的電阻信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以得出此時(shí)目標(biāo)顏色所需的電壓模式。系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)比較攝像機(jī)和智能皮膚傳來(lái)的信號(hào)，使智能皮膚及時(shí)調(diào)整為與環(huán)境顏色一致，即自適應(yīng)的變色。在模擬綠色和紅色的變化環(huán)境中，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境顏色的主動(dòng)調(diào)節(jié)和適應(yīng)，如圖4所示，為當(dāng)前的可調(diào)結(jié)構(gòu)色提供了一種新的設(shè)計(jì)策略。
圖4 結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)系統(tǒng)的搭建與自適應(yīng)變色
邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于人工肌肉及其軟體機(jī)器人的相關(guān)研究，已在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能提升、軟體機(jī)器人開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域做出創(chuàng)新性工作。本研究所提出的仿變色龍結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是受變色龍主動(dòng)適應(yīng)性變色能力的啟發(fā)，與傳統(tǒng)被動(dòng)式變色材料或結(jié)構(gòu)具有本質(zhì)不同；趯(duì)變色龍皮膚結(jié)構(gòu)的多功能耦合仿生，實(shí)現(xiàn)了顏色的簡(jiǎn)易調(diào)節(jié)。進(jìn)一步，集成智能皮膚與視覺(jué)采集、控制系統(tǒng)可以模擬變色龍?jiān)诃h(huán)境中真實(shí)完整的變色過(guò)程，在不同環(huán)境下，顏色會(huì)隨著環(huán)境顏色的變化而自主變化。本研究提出的基于智能皮膚的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)色實(shí)現(xiàn)方法可以為開(kāi)發(fā)變色系統(tǒng)提供新的途徑，并有效促進(jìn)基于結(jié)構(gòu)色的設(shè)備或系統(tǒng)的發(fā)展。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00070b
