能变色和变形!会伪装的机器人在深圳诞生

时间:2019-08-13 来源:www.paternitytestinglabsinc.com

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  变色龙是自然界中一种奇特的动物,为了能在复杂自然环境中更好地生存,它的皮肤颜色会随着周围环境的变化而改变。模仿变色龙的原理,中国科学院深圳先进技术研究院的杜学敏团队研制出了能通过颜色变化进而实现与环境交互,同时还能运动的软体爬行机器人。“传统的软体驱动器难以兼具变形与变色的多功能特性,而我们研发的爬行机器人能够像自然界中的生物一样,自主感知环境变化并及时做出反应。”杜学敏博士接受采访说道。该研究成果7月31日在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)姊妹刊Matter上(Matter, 2019, DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.012)。

  向变色龙学“变色技”

  想了解该机器人的研制方法,首先要从变色龙的变色原理说起。据杜学敏介绍,变色龙之所以能够改变皮肤颜色源于其身上的结构色。“变色龙的皮肤中存在一个个规整排列的纳米颗粒,当皮肤舒张或收缩时,纳米颗粒的间距会发生改变,进而会改变光的反射效果,最终呈现出肉眼可见的颜色变化,这种由于微纳结构与光相互作用产生的颜色就是所谓的结构色。”

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  受变色龙的启发,杜学敏团队以周期性排布的纳米颗粒为模板,注入特殊材料并固化后,通过移除纳米颗粒模板,进而获得具有周期性纳米孔洞结构的变色薄膜。在模仿变色龙的皮肤结构后,溶剂蒸气刺激是实现变色的关键要素。“薄膜中填充有溶剂蒸气后,一方面能够使纳米孔洞迅速膨胀,从而改变间距。另一方,也能改变材料的折射率,从而实现颜色的快速改变。”杜学敏说道。

  据介绍,该薄膜在溶剂氛围中的颜色变化速度可快至0.2秒,并且通过调控薄膜暴露在溶剂蒸气中的时间长短,便能实现不同的颜色变化。此外,该薄膜还能响应不同的溶剂,在乙醇、丙酮、氯仿等溶剂蒸气中产生相应的颜色变化,这种通过特定化学或生物分子等刺激实现变色的技术,未来有望应用于身体健康监查及环境污染监测领域等。

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  打造变色柔体机器人

  该研究的另一大突破在于快速变色的同时,结合可控变形与可控运动的材料,实现了仿变色龙的驱动。 “通过模仿自然界中蛇和蚯蚓等爬行生物的运动方式,我们设计出了既能变色又能定向爬行的软体机器人,其运动速度达到了0.16 cm/s(一分钟可以爬行逾6倍自己身长的距离)。”杜学敏介绍说,该成果有望在传感、通讯及机器人伪装等方面实现应用。

  据了解,这项研究最大的难点在于同时集成了变色与变形两种功能。杜学敏表示,单独实现变色或变形相对容易,但想获得一种既能实现快速变色又能实现变形的材料难之又难。团队对材料进行了独具匠心的合成与设计,经过实验表明,该爬行机器人的变色与变形持续逾100个循环后,仍然能保持优良的驱动特性。此外,团队对还将该材料设计成了风车、花朵等各式复杂形状。

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  对于该成果的未来应用,杜学敏还有更颠覆性的计划,他目前已将这种材料与特种机器人结合,实现了机器人与环境实时交互的功能;未来,他还计划将这种材料特性与人形机器人相结合,做成机器人的“皮肤”,赋予机器人更拟人的情绪表达。“现在的机器人虽然在语言等方面拟人程度非常高,但仍然给人一种冰冷的感觉,如果能将变色材料应用于服务机器人,使它们害羞时面部绯红,生气时脸色发青,将极大提升人机交互的效果。”最终,实现人-机器-环境友好智能交互。

  附:关于《Matter》

  经过40余年的发展,全球领先的学术出版机构Cell Press细胞出版社旗下已拥有40本期刊。特别是随着2016年化学旗舰期刊Chem的问世,细胞出版社又相继推出能源旗舰期刊Joule和跨学科开放获取期刊Iscience,在物质科学领域不断发力。如今,Cell Press物质科学期刊家族又增添了一名新成员——材料学旗舰期刊Matter。

  作为Cell, Chem(IF:18.2)和Joule的姊妹刊,Matter将发表跨越多学科领域且具有变革性的材料学研究论文。这些论文可以涉及材料学的方方面面:从基础到应用,从纳米到宏观。如基本合成、结构和特性,新材料系统性能,新颖的表征方法等。与Chem 和Joule 一样,Matter 预计每期发表10篇研究论文。在目标投稿率下,稿件接受率约为8%至10%。

  【记者】杜艳

  【作者】 杜艳

  【来源】 南方报业传媒集团南方+客户端

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