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像变色龙一样能变色变形的新型机器人

2019-08-06 10:29      点击:
变色龙变色。 变色龙皮肤颜色变化显微图。 使用变色材料研制的风车。 使用变色材料研制的花朵。本版图片由受访者提供   记者 袁斯茹   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,中科院深圳先进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。7月31日,该成果在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)姊妹刊《Matter》上。据悉,《Matter》为材料学旗舰期刊,主要发表跨越多学科领域且具有变革性的材料学研究论文。   “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。”杜学敏博士昨日告诉深圳商报记者。   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。”   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,一方面能够使纳米孔洞迅速膨胀,从而改变间距。另一方面,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。   既能变色又能变形   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0.16cm/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。   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,团队还将该材料设计成了风车、花朵等各式复杂形状。   可让机器人“脸红”或“发青”   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,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。”杜学敏说。