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变色软体机器人现身

来源:解放军报2019-11-08 14:46

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   仿变色龙软体机器人效果图

  变色龙作为大自然中的“伪装高手”,在受到威胁时,不仅能逃之夭夭,还可通过改变皮肤颜色恐吓天敌或是伪装自己。它的这种环境自适应行为,启发了科学家们研究开发能感知环境并改变自己性能的变色软体机器人。

  不久前,中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队,模仿变色龙的变色原理,研制出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。该研究成果发表在一家国际知名的材料学期刊上,一时间吸引无数目光,迎来了变色软体机器人的“高光时刻”。

  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。该研究团队负责人介绍,变色龙之所以能改变皮肤颜色,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。”

  受此启发,该研究团队研制出一款变色薄膜。薄膜中填充有溶剂蒸气后,一方面能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。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,能够实现不同的颜色变化。

  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。正常情况下,要想单独实现变色或变形相对比较容易,但想获得一种既能快速变色又能变形的材料难之又难。该研究团队发现,将薄膜厚度降低到38微米,并在薄膜无周期性结构一侧,设计阵列化排布且溶胀程度小的聚丙烯酸酯高分子条带时,由于不对称性溶胀,薄膜在溶剂氛围中不仅可快速变色,还能实现定向变形,这类变色与变形持续逾100个循环后,仍然保持优良驱动特性。

  随后,该研究团队模仿自然界中可爬行的生物,将不对称性摩擦设计到可兼具运动与变色的驱动器中,成功设计出能随环境变化进而改变自身颜色的软体爬行机器人,其1分钟可以爬行逾6倍自己身长的距离。

  关于变色软体机器人的研究,国外也取得了不少进展。哈佛大学一个研究团队曾使用微流体技术,在软体机器人体内嵌入微型管道,再往管道内注入多种荧光材料,随后机器人的颜色、与周边环境的对比度、外壳图案、亮度、温度和形状,都可随着环境温度或光线等的变化而改变,从而同周围环境融为一体、显示信息、发出亮光,甚至还能发出红外线。

  变色软体机器人可控变形与变色的性能,将使其应用前景非常广阔。不久的将来,在侦察、探测、救援及医疗等领域,我们或许都能看到变色软体机器人的身影。它可能被制造成间谍机器人,来进行军事侦察;也可能制造成新型医疗检测机器人,来帮助治疗疾病。(陈灵进 吴智才 胡明生)

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