硅膠皮膚改變3D偽裝的紋理

Dan+Robitzski

隱身，是人類一直以來最向往的“超能力”。自然界中變色龍等很多小動(dòng)物，都能夠根據(jù)周圍環(huán)境來變換自己身體的顏色，而像章魚這種軟體動(dòng)物，可以在一瞬之間，通過改變皮膚的顏色和質(zhì)地偽裝成邊緣參差不齊的海藻或珊瑚，與周圍的環(huán)境融為一體。未來，機(jī)器人或許能夠用到這種神奇的偽裝術(shù)。

研究者們制作出人造的頭足類動(dòng)物皮膚，可以將2D平面皮膚轉(zhuǎn)換為帶有凹凸面的三維皮膚，這項(xiàng)研究成功發(fā)布在最近的《科學(xué)》雜志上。未來，這項(xiàng)科技可以應(yīng)用于軟體機(jī)器人，作為它們可伸展的硅膠“皮膚”。

意大利圣安娜高級研究學(xué)院仿生機(jī)器人教授Cecilia Laschi表示：“偽裝機(jī)器人可以避免遭受動(dòng)物的攻擊并隱藏起來，更好地接近動(dòng)物在自然棲息環(huán)境中研究它們。當(dāng)然，偽裝技術(shù)也可以支持軍事應(yīng)用，減少機(jī)器人的能見距離，更有效地接近危險(xiǎn)區(qū)域?！?/p>

凹凸不平的皮膚

這是由來自康奈爾大學(xué)的Robert Shepherd和賓夕法尼亞大學(xué)的James Pikul兩位研究者共同發(fā)明，靈感來自于章魚和烏賊的3D皮膚凹凸部分，它們可以在0.2秒內(nèi)利用肌肉組織變形偽裝。

他們將硅樹脂注入模具，形成了與皮膚相似的材質(zhì)，然后在上面放置了一個(gè)纖維網(wǎng)來模擬肌肉。再利用激光來切斷網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在上面澆筑更多的硅膠，讓整體形成一個(gè)硅樹脂三明治結(jié)構(gòu)。只需將硅樹脂的部分位置切割掉一些，就可以讓它輕松膨脹出所需的 3D 形狀。最后研究人員可以在上面噴各種顏色，讓它變得更像石頭或花朵。

軟體機(jī)器人的乳狀突出部分可以是氣袋也可以是硅膠皮膚下的氣球，這些氣袋可以在不同時(shí)間不同部位膨脹起來，形成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在這項(xiàng)研究中，機(jī)器人的膨脹可以做進(jìn)一步的深入研究。

基于這些，頭足類動(dòng)物能夠做到目前科技無法實(shí)現(xiàn)的功能，所以我們要如何縮小差距研究出仿生物能力的科技呢？這是Shepherd教授提出的核心問題，這項(xiàng)研究中膨脹氣球就是一個(gè)比較可行的科學(xué)結(jié)論。通過小型纖維網(wǎng)球嵌入硅膠中，科學(xué)家可以控制和塑性膨脹表皮的質(zhì)感，就像章魚能夠二次處理皮膚那樣。

當(dāng)Pikul還在康奈爾大學(xué)做博士后時(shí)，曾提出過一個(gè)理念——通過纖維網(wǎng)環(huán)模式改變氣袋紋理，已經(jīng)接近了膨脹硅膠的技術(shù)。由于硅膠膨脹速度快且可逆，自此，只需要一個(gè)數(shù)學(xué)模型就能讓其運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

皮膚結(jié)構(gòu)

除此之外，研究人員利用計(jì)算機(jī)算法和激光來檢測結(jié)構(gòu)的3D圖案變化，從而保證最終的皮膚圖形能夠達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)。這種可伸縮材料包括五層，其核心為硅樹脂（silicone）電致發(fā)光層，包含有硫化鋅（ZnS）磷光體粉末，根據(jù)磷光體組分不同通電后會(huì)發(fā)出不同的顏色。例如，少量銅摻雜會(huì)亮藍(lán)光或綠光，錳摻雜則亮黃光。核心層被夾在兩層彈性離子水凝膠之間，這種水凝膠作為電極向核心層供電。彈性離子水凝膠由溶脹于氯化鋰水溶液的聚丙烯酰胺制備而成，其中鹽提供了導(dǎo)電性，而透明的聚丙烯酰胺則提供了韌性。這種材料最先由哈佛大學(xué)的科學(xué)家George M. Whitesides和Zhigang Suo于2013年發(fā)明。

這個(gè)三明治式的結(jié)構(gòu)，又被夾在兩層外圍硅樹脂層之間，形成最終的五層結(jié)構(gòu)。Shepherd表示，將親水性水凝膠粘合到疏水性硅樹脂上是非常有挑戰(zhàn)性的工作。最終，他們利用臭氧打斷硅樹脂表面的Si-O鍵，創(chuàng)造出表面羥基，解決了這一難題。這種改性表面使得硅樹脂層與水凝膠層之間具有良好的附著力。

概念驗(yàn)證

織紋皮膚目前的狀態(tài)還處于最初階段：將硅膠氣泡與纖維網(wǎng)邊框分割開，研究者們解決了膨脹時(shí)如何控制硅膠形狀的方法。他們試著通過加強(qiáng)纖維網(wǎng)，給氣泡充氣形成新的形狀。比如說，他們建立的框架模仿了河邊堆砌的石頭就像多肉植物的葉子是按照螺旋圖樣生長的那樣。不過，Shepherd強(qiáng)調(diào)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并不是他們的首要目標(biāo)。

Shepherd表示：“我們不希望這種技術(shù)成為世界上僅有少數(shù)人掌握的，我們希望它能夠非常容易地使用。他希望這種基于團(tuán)隊(duì)早期發(fā)現(xiàn)的紋理技術(shù)——使變色硅膠皮膚，能夠更便捷地應(yīng)用于工業(yè)、學(xué)術(shù)界以及相關(guān)的業(yè)余愛好者所使用。因此，研究團(tuán)隊(duì)慎重限制型技術(shù)，比如激光刀具制造網(wǎng)環(huán)，這樣更方便于康奈爾大學(xué)實(shí)驗(yàn)室之外的人們使用。

康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Itai Cohen也參與了這項(xiàng)研究，他指出了這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)可應(yīng)用的方面。在一次考察過程中，Cohen假設(shè)堆積多層漏氣硅膠，按照一定的設(shè)計(jì)將膨脹當(dāng)做一種偽裝性紋理結(jié)構(gòu)，放在某個(gè)卡車車廂。Cohen表示：“你可以將氣放了，使結(jié)構(gòu)不必永久保持固定的外形，畢竟充氣膨脹的結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行運(yùn)輸?！彪S著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，Cohen進(jìn)行了大膽假設(shè)——未來人們可以掃描一個(gè)環(huán)境，之后對相應(yīng)的硅膠片進(jìn)行編程，然后模擬所有環(huán)境特征。

Pikul and Shepherd計(jì)劃在各自的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。Shepherd解釋說自從開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，他已經(jīng)開始用電流代替充氣，電流可以產(chǎn)生同樣的紋理，不需要系繩或者壓縮空氣系統(tǒng)。此外，Pikul希望應(yīng)用處理材料表面的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，表面積的作用非常重要，就像電池或冷卻劑。

此外，美國陸軍正在研究創(chuàng)建公司為這個(gè)科研項(xiàng)目投入資金，因?yàn)檫@種先進(jìn)的保護(hù)色將能在未來為機(jī)器人和其他類似系統(tǒng)帶來先進(jìn)偽裝能力，將創(chuàng)造出真正驚人的機(jī)器人“迷彩服”。

目前的機(jī)器人和自然界中的小動(dòng)物來比，還是差很多。它只能根據(jù)研究人員預(yù)先切割的皮膚紋路，來擴(kuò)充自己的形狀。所以它的隱身能力還是極其有限的。Shepherd教授表示：“我們依舊處于軟體機(jī)器人的探索階段，由于大部分的機(jī)器人都是由堅(jiān)硬的金屬和塑料所構(gòu)成，軟體機(jī)器人的最佳應(yīng)用和常規(guī)還沒有完全具體化。我們只是處于初期的研究階段，并且取得了偉大的成果，不過關(guān)鍵在于，未來這項(xiàng)技術(shù)要方便人們使用并且確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠?！?/p>

編譯自《科學(xué)美國人》

（責(zé)任編輯姜懿翀）