變色龍機(jī)器人問世！在100cm2區(qū)域主動(dòng)偽裝92分鐘，有望在軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用｜專家解讀

將變色龍與自然顏色瞬間匹配，這為下一代“人工偽裝”提供了一種令人興奮的解決思路，人工偽裝技術(shù)不僅在軍事應(yīng)用中頗受青睞，在建筑、藝術(shù)、時(shí)尚和戶外活動(dòng)等領(lǐng)域也頗受關(guān)注。

8 月 10 日，相關(guān)論文以《仿生變色龍軟體機(jī)器人具有人工隱型和破壞性有色皮膚》（Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin）為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

在大自然中，為了躲避天敵和自然環(huán)境的入侵，許多動(dòng)物都有獨(dú)特的“偽裝”技能，如擬態(tài)、保護(hù)色等，不得不說變色龍是一種非常高明的偽裝“專家”。受變色龍偽裝技能的啟發(fā)，人類研究出許多人工防偽技術(shù)，“軍事偽裝”是頗為經(jīng)典的應(yīng)用。

然而，完整人工防偽技術(shù)的突破依然困難重重，尤其通過高分辨率偽裝模式，實(shí)現(xiàn)更前沿更自然地偽裝仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)極大的工作。

主要有三方面的原因：
一是人工偽裝與變色龍的內(nèi)在機(jī)理不一致，在 RGB 可見光的范圍內(nèi)，使用人工偽裝的主導(dǎo)技術(shù)尚未完全確立；

二是主動(dòng)型檢索和相鄰顏色所需的傳感器、控制電路和高分辨率人工偽裝設(shè)備等導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性增加；

三是在偽裝性能方面，變色龍微棲息地的模擬及信息傳遞對其更自然的隱藏至關(guān)重要。

賓夕法尼亞州立大學(xué)助理教授程寰宇向 DeepTech 表示，“之前很多研究文章都是關(guān)于大的陣列密度來實(shí)現(xiàn)變色和環(huán)境整合，中間變色的部分很可能無法把每個(gè)像素都覆蓋，這會造成對應(yīng)的像素點(diǎn)沒有顏色。

該研究最主要的亮點(diǎn)之一，是對像素與像素結(jié)合的現(xiàn)象做了前期調(diào)研，變色龍?jiān)谀承⒌貢r(shí)，外界溫度變化并沒有設(shè)想中那么多，很可能只有幾個(gè)特定改變。如果變色龍只有幾處棲息地，那么它身體的變色只需要很簡單的幾個(gè)像素即可實(shí)現(xiàn)。”
從特定物種的多態(tài)性進(jìn)化現(xiàn)象來看，任意圖像的顯示對受限棲息地的偽裝應(yīng)用都是多余的。

因此，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種豎直加熱器，用激光圖案選定棲息地后，通過疊加多層銀納米線加熱器（Silver Nanowire Heaters），不同加熱器產(chǎn)生的溫度分布疊加在最外層的熱致變色油墨層（thermochromic liquid crystal，TLC），使背景顏色與環(huán)境表達(dá)同時(shí)匹配。

最后，通過相應(yīng)策略消除像素之間的死角，從而在輔助色彩出現(xiàn)較大變化時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)過渡，借此降低系統(tǒng)的整體復(fù)雜性，最終實(shí)現(xiàn)更加自然的偽裝。

人工變色龍可生成具有 RGB 著色功能的多個(gè)皮膚圖案
熱致變色材料，在很小的溫度變化范圍內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)這三種顏色的變化。從經(jīng)典的人工變色龍皮膚底部可以看到許多垂直的圖案和呈半透明帶狀的加熱器層，將變色龍皮膚上的加熱器激活之后，TLC 在可見區(qū)域可呈現(xiàn)出鮮艷的色彩，反射光譜可以在較寬的可見光譜范圍內(nèi)操縱。

TLC 層的溫度決定了人工變色龍皮膚的反射光譜，在 CIE 1931 的坐標(biāo)圖中，將 25.5℃、28℃ 和 36℃ 對應(yīng)的三個(gè)點(diǎn)作為代表性的 RGB 顏色，在現(xiàn)有條件下維持藍(lán)色，單個(gè)商用電池可以在 100 cm^2 的區(qū)域主動(dòng)偽裝 92 分鐘。根據(jù)變色龍模型的形狀，該團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備了范圍從 21.96 cm^2 到 67.2 cm^2 不等的 7 個(gè)不同的斑塊，來完全覆蓋人工變色龍外觀。程寰宇向 DeepTech 表示：“該團(tuán)隊(duì)使用的熱致變色材料，在很小的溫度變化范圍內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)這三種顏色的變化。另外垂直堆疊的加熱器可以實(shí)現(xiàn)可控多態(tài)、高度降低復(fù)雜性的關(guān)鍵功能，帶有銀納米線加熱層的人工變色龍具有明顯的鴕鳥圖案，這三層圖案分別是鴕鳥站起來、頭往中間移動(dòng)和頭低下去?！?/span>這三層圖案每一層都是一個(gè)加熱器，每個(gè)加熱器上都一個(gè)溫度與顏色一一對應(yīng)，比如第一層加熱到紅色對應(yīng)的溫度，就產(chǎn)生了紅色鴕鳥直立的圖片，第二層實(shí)現(xiàn)了綠色鴕鳥往中間走和第三層藍(lán)色鴕鳥頭往低下去的圖案。

程寰宇表示：“該研究最大的亮點(diǎn)是，垂直堆疊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)避免了平面堆疊中的一些問題，因?yàn)槠矫娑询B需要實(shí)現(xiàn)很高密度的陣列，然后形成對應(yīng)的圖案，這就會造成一些所謂的死角，這個(gè)地方?jīng)]有顏色，因而產(chǎn)生的效果不太好。

而垂直堆疊是直接在每一層垂直的加熱器里直接引帶的圖案，進(jìn)而熱致變材料上不需要形成很多的像素，因而加工成本和制造的難度就會極大地降低?！?br />
在熱致變色材料中加入冰塊，人工變色龍可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)偽裝

即使具有主動(dòng)動(dòng)態(tài)偽裝功能的物種，其可表達(dá)的偽裝模式在許多情況下也不是完全任意的，它局限于某些特定的條件。

人工偽裝與現(xiàn)實(shí)生活中的物種偽裝相似，也是分步驟完成的，人工偽裝涉及背景顏色檢驗(yàn)及匹配表面顏色傳遞的整個(gè)過程。基于此，該團(tuán)隊(duì)提出了一種直接而簡單的自動(dòng)傳感器集成人工變色龍瞬時(shí)偽裝模型。

人工變色龍變色的基本原理，不需要再分析高密陣列的視覺信息，而是從顏色傳感器測量的 RGB 強(qiáng)度獲取每個(gè)像素的局部顏色，通過紅、綠、藍(lán)的強(qiáng)度就能知道外界顏色分別是什么，然后把紅、綠、藍(lán)顏色強(qiáng)度輸入到系統(tǒng)里面，系統(tǒng)有了這個(gè)輸入，就可以對應(yīng)地控制溫度，實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)顏色的生成。

程寰宇向 DeepTech 表示，“在顏色實(shí)現(xiàn)的過程中，加熱器的應(yīng)用比較關(guān)鍵，但溫度比加熱器的應(yīng)用還要關(guān)鍵，因?yàn)闇囟葘︻伾恼{(diào)節(jié)具有一一對應(yīng)的關(guān)系，并且顏色對溫度的變化非常敏感，當(dāng)環(huán)境溫度一旦發(fā)生很低的變化時(shí)，就會對變色產(chǎn)生很大的影響，所以在帶有加熱器的反饋電路自主防偽系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了反饋機(jī)制，加入一個(gè)比例積分分化（PID，Proportion Integration Differentiation ）傳感器檢測外界溫度改變了多少，以匹配局部背景顏色?！?/span>

該研究主要選擇 25.5℃ - 36℃ 這個(gè)溫度范圍，來實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)的顏色改變，比如目前的狀態(tài)為紅色，外界環(huán)境一旦超過 25.5℃，那么熱致變色材料的顏色就會發(fā)生變化，從而無法與局部背景匹配。

溫度的反饋對于冰塊所帶的擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得原來?xiàng)⒌氐念伾３植蛔?，?dāng)變色龍模型分別在 R、G 和 B 三個(gè)不同棲息地移動(dòng)時(shí)，人工偽裝就被瞬時(shí)激活。

該研究成果在人工偽裝方面取得了一定的進(jìn)步，但在改善隱藏方面有一定的局限性，因?yàn)橹挥猩贁?shù)像素具有清晰的邊界。

再比如，在一個(gè)有花草的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行隱身，可以達(dá)到和綠色植被比較貼近的效果，假如從綠草移到紅花上面，雖然沒必要和背景完全匹配，但只擋住紅花的一半，另一半還顯示綠色，一眼就能讓別人發(fā)現(xiàn)，在這種復(fù)雜的場景下如何有效防偽是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，這是該研究成果有待提升的點(diǎn)。

人工變色龍防偽技術(shù)未來落地情況取決于具體應(yīng)用場景

“該技術(shù)在軍事隱身方面有較大的應(yīng)用價(jià)值，但該技術(shù)并不局限在軍事上，我認(rèn)為這是他們的一個(gè)引出例子，其實(shí)在軍事應(yīng)用中加熱耗能、精度有限等問題并未解決，在叢林中這個(gè)局限性更大，因?yàn)闊岢上駜x很可能在夜晚可見光或光線不好的情況下才使用，軍隊(duì)在白天大部分時(shí)候不太會需要，但該技術(shù)在光學(xué)上的偽裝仍具有很大價(jià)值?！?程寰宇向 DeepTech 表示。
因此，人工變色龍防偽技術(shù)在落地方面臨一定的挑戰(zhàn)，最主要的還是取決于該技術(shù)落地時(shí)的應(yīng)用場景。此外，該技術(shù)也存在一定局限性，它只能在一些棲息地變化不太大的情況下，用少量的像素來實(shí)現(xiàn)偽裝，所以使用者需要對這個(gè)應(yīng)用場景有相對較好的把握。

程寰宇向 DeepTech 表示：“一些較為復(fù)雜的研究在商業(yè)化方面并不適合，因?yàn)轭^部公司擁有豐富的資源，通常情況下不會直接采購一個(gè)全新的技術(shù)，而初創(chuàng)公司雖有這方面的采購意向，但他們并沒有那么多的流動(dòng)資金，采購一個(gè)高成本的技術(shù)不太現(xiàn)實(shí)。”

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