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变色龙机械人问世!在100cm 区域自动伪装92分钟

admin2021-08-2340

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克日,韩国首尔大学等团队公然了“仿生变色龙软体机械人”功效,与以往“人工伪装手艺”差其余是,其行使温度来调治仿生变色龙颜色,可简质朴现热致变色功效,在变色系统中加入一个具备负反馈调治的传感器来阻止温度受外界环境的影响,即可确保“变色”加倍稳固。

图|变色龙软体机械人变色实验图(泉源:Nature Communications)

将变色龙与自然颜色瞬间匹配,这为下一代“人工伪装”提供了一种令人兴奋的解决思绪,人工伪装手艺不仅在军事应用中颇受青睐,在修建、艺术、时尚和户外流动等领域也颇受关注。

8 月 10 日,相关论文以《仿生变色龙软体机械人具有人工隐型和损坏性有色皮肤》(Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin)为题揭晓在Nature Communications上。

图|相关论文(泉源:Nature Communications)

在大自然中,为了逃避天敌和自然环境的入侵,许多动物都有怪异的“伪装”手艺,如拟态、珍爱色等,不得不说变色龙是一种异常高明的伪装“专家”。受变色龙伪装手艺的启发,人类研究出许多人工防伪手艺,“军事伪装”是颇为经典的应用。

然而,完整人工防伪手艺的突破依然难题重重,尤其通过高分辨率伪装模式,实现更前沿更自然地伪装仍是一项挑战极大的事情。

主要有三方面的缘故原由:

一是人工伪装与变色龙的内在机理纷歧致,在 RGB 可见光的局限内,使用人工伪装的主导手艺尚未完全确立;

二是自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装备等导致系统庞大性增添;

三是在伪装性能方面,变色龙微栖息地的模拟及信息转达对其更自然的隐藏至关主要。

宾夕法尼亚州立大学助理教授程寰宇向 DeepTech 示意,“之前许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,中央变色的部门很可能无法把每个像素都笼罩,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,是对像素与像素连系的征象做了前期调研,变色龙在某些栖息地时,外界温度转变并没有设想中那么多,很可能只有几个特定改变。若是变色龙只有几处栖息地,那么它身体的变色只需要很简朴的几个像素即可实现。”

图|程寰宇(泉源:受访者)

从特定物种的多态性进化征象来看,随便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),差异加热器发生的温度漫衍叠加在最外层的热致变色油墨层(thermochromic liquid crystal,TLC),使靠山颜色与环境表达同时匹配。

最后,通过响应战略消除像素之间的死角,从而在辅助色彩泛起较大转变时,即可实现延续过渡,借此降低系统的整体庞大性,最终实现加倍自然的伪装。

人工变色龙可天生具有 RGB 着色功效的多个皮肤图案

热致变色质料,在很小的温度转变局限内就能实现红、绿、蓝这三种颜色的转变。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 在可见区域可出现出鲜艳的色彩,反射光谱可以在较宽的可见光谱局限内操作。

TLC 层的温度决议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 的区域自动伪装 92 分钟。凭证变色龙模子的形状,该团队准备下场限从 21.96 cm^2 到 67.2 cm^2 不等的 7 个差其余斑块,来完全笼罩人工变色龙外观。

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图|具有 RGB 着色的人工变色龙图案(泉源:Nature Communications)

程寰宇向 DeepTech 示意:“该团队使用的热致变色质料,在很小的温度转变局限内就能实现红、绿、蓝这三种颜色的转变。另外垂直堆叠的加热器可以实现可控多态、高度降低庞大性的要害功效,带有银纳米线加热层的人工变色龙具有显著的鸵鸟图案,这三层图案划分是鸵鸟站起来、头往中央移动和头低下去。”

图|带有多层鸵鸟图案的人造变色龙皮(ATACS,Artificial Chameleon Skin)简图(泉源: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逐一对应,好比第一层加热到红色对应的温度,就发生了红色鸵鸟直立的图片,第二层实现了绿色鸵鸟往中央走和第三层蓝色鸵鸟头往低下去的图案。

程寰宇示意:“该研究最大的亮点是,垂直堆叠的设计结构阻止了平面堆叠中的一些问题,由于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,因而发生的效果不太好。

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,进而热致变质料上不需要形成许多的像素,因而加工成本和制造的难度就会极大地降低。”

在热致变色质料中加入冰块,人工变色龙可实现瞬时伪装

纵然具有自动动态伪装功效的物种,其可表达的伪装模式在许多情形下也不是完全随便的,它局限于某些特定的条件。

人工伪装与现实生涯中的物种伪装相似,也是分步骤完成的,人工伪装涉及靠山颜色磨练及匹配外面颜色转达的整个历程。基于此,该团队提出了一种直接而简朴的自动传感器集成人工变色龙瞬时伪装模子。

人工变色龙变色的基本原理,不需要再剖析高密阵列的视觉信息,而是从颜色传感器丈量的 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划分是什么,然后把红、绿、蓝颜色强度输入到系统内里,系统有了这个输入,就可以对应地控制温度,实现红、绿、蓝颜色的天生。

程寰宇向 DeepTech 示意,“在颜色实现的历程中,加热器的应用对照要害,但温度比加热器的应用还要要害,由于温度对颜色的调治具有逐一对应的关系,而且颜色对温度的转变异常敏感,当环境温度一旦发生很低的转变时,就会对变色发生很大的影响,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,加入一个比例积分分化(PID,Proportion Integration Differentiation )传感器检测外界温度改变了若干,以匹配局部靠山颜色。”

图|带有加热器反馈控制逻辑电路的自主伪装系统原理(泉源:Nature Communications)

该研究主要选择 25.5℃ - 36℃ 这个温度局限,来实现红、绿、蓝的颜色改变,好比现在的状态为红色,外界环境一旦跨越 25.5℃,那么热致变色质料的颜色就会发生转变,从而无法与局部靠山匹配。

温度的反馈对于冰块所带的扰动举行调治,使得原来栖息地的颜色保持稳固,当变色龙模子划分在 R、G 和 B 三个差异栖息地移动时,人工伪装就被瞬时激活。

图|变色龙软体机械人瞬时隐形(泉源:Nature Communications)

该研究功效在人工伪装方面取得了一定的提高,但在改善隐藏方面有一定的局限性,由于只有少数像素具有清晰的界限。

再好比,在一个有花卉的现实环境中举行隐身,可以到达和绿色植被对照贴近的效果,若是从绿草移到红花上面,虽然没需要和靠山完全匹配,但只盖住红花的一半,另一半还显示绿色,一眼就能让别人发现,在这种庞大的场景下若何有用防伪是一个很大的挑战,这是该研究功效有待提升的点。

人工变色龙防伪手艺未来落地情形取决于详细应用场景

该手艺在军事隐身方面有较大的应用价值,但该手艺并不局限在军事上,我以为这是他们的一个引出例子,其着实军事应用中加热耗能、精度有限等问题并未解决,在森林中这个局限性更大,由于热成像仪很可能在夜晚可见光或光线欠好的情形下才使用,军队在日间大部门时刻不太会需要,但该手艺在光学上的伪装仍具有很大价值。” 程寰宇向 DeepTech 示意。

图|变色龙(泉源:Pixabay)

因此,人工变色龙防伪手艺在落地方面临一定的挑战,最主要的照样取决于该手艺落地时的应用场景。此外,该手艺也存在一定局限性,它只能在一些栖息地转变不太大的情形下,用少量的像向来实现伪装,以是使用者需要对这个应用场景有相对较好的掌握。

程寰宇向 DeepTech 示意:“一些较为庞大的研究在商业化方面并不适合,由于头部公司拥有厚实的资源,通常情形下不会直接采购一个全新的手艺,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,采购一个高成本的手艺不太现实。”

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