智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 王颖

导语:机器人害羞也会脸红么?受变色龙启发,研发团队制作了一种能变色的机器人。

智东西8月5日消息,近日,深圳先进技术研究院杜学敏博士的团队成功研发了一种能通过颜色变化实现与环境交互,同时还能运动的“软体机器人”(一种可同时变形变色的结构色彩薄膜)。

这种“机器人”能够像变色龙一样,自主感知环境变化并及时做出反应,同时改变自己的形状和“皮肤”颜色。

“变色龙机器人”的运动速度为0.16cm/s,一分钟可以爬行超过自己身长6倍的距离。该研究成果7月31日发表于国际顶级学术期刊《细胞》的姊妹刊《Matter》上。

“变色龙机器人”与普通软体机器人有何不同之处呢?深圳先进技术研究院的研发人员在论文中做出了解释。

国产变色龙机器人登上《细胞》姊妹刊,可自主感知环境,0.2秒变换颜色

一、受变色龙启发研究驱动器

为了适应不断变化的环境,变色龙可以不断调整自己的皮肤颜色,并在运动过程中伪装自己。

受到变色龙的启发,深圳先进技术研究院的杜学敏博士带领他的团队研发了一种可同时变形变色的驱动器。这种驱动器可以感知环境,并根据环境的变化改变“皮肤”的颜色,同时还能进行可编程的形状转换。

传统的软体机器人难以兼具变形与变色的多功能特性,他们研发的“变色龙机器人”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。

对外部刺激的感知反应时生物体的重要生存特性,这是捕食者和猎物相互作用的自然演化结果。

作为捕食者,维纳斯捕蝇草能够在昆虫接近时迅速关闭自己的叶片,捕捉昆虫。作为猎物,含羞草则会在外界触碰叶子时迅速下垂,以保护自己避免被捕食。在更先进的生物系统中,像变色龙之类的动物不仅能被动的逃避危险,还能根据自然环境进行吸引、警告和伪装,变色龙的颜色变化时由生物体的内部协调引起的。这一生物特性也给了研发者对于驱动器研发的重要启发。

受到自然界的启发,深圳先进技术研究院多年来一直在驱动器研发方面努力探索,比如蒸汽触发的驱动器、光热驱动器、电动或磁刺激驱动器,这类驱动器可以经过某些刺激以产生形状变化或运动。

通过优化驱动器的几何配置,还可以进一步编程和自动化形状变换或运动,精确的控制驱动器的变形和运动的方向、速度等。此外,一些蒸汽触发的驱动器通过坚固的聚合物材料(例如,聚偏二氟乙烯PVDF)还表现出了优异的非疲劳驱动性,多次运行也不会降低变化效率和质量。

二、染料注入驱动系统改变机器人色彩

虽然传统的软体机器人驱动器在形状变化或运动性能方面表现良好,但它们不能实现更复杂的功能,例如模仿大自然生物应对外界刺激做出的变色反应,这代表了软体驱动器在更高水平上的应用阻碍。

深圳先进技术研究院为了克服这些阻碍,设计了与自然界中生物更加相似的驱动器,通过将染料引入驱动系统,不仅使驱动器可以改变机器人形状,还可以通过显示特定的颜色来适应环境。

杜学敏博士等人在成功研发出变色龙驱动器之前,开发了靠蒸汽触发的驱动器,注入染色液体,改变“机器人”颜色。由于该系统需要连续流动和操纵多种液体仪进行特定的颜色改变,响应时间比较慢。染色液体的稳定性和耐久性也受到光漂白性的限制。

为了提高响应速度,深圳先进技术研究院的研发团队不断进行技术改进。开发了可以改变光学性质,包括发光和反射不同颜色的元件以实现各种颜色的驱动。

但与自然界中生物的刺激反应相比,驱动系统还是缺乏自主感知环境以改变颜色和形状协调响应的能力。研发团队发现,源于光与内在周期性纳米结构的相互作用,结构颜色广泛存在于自然界中。受到自然实例的启发,他们将各种结构色彩材料应用于传感器和光子显示器中。

“变色龙机器人”的“皮肤”中存在许多规整排列的纳米颗粒,当皮肤舒张或收缩时,纳米颗粒的间距灰发生改变,从而改变光的反射效果,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。

迄今为止,研发团队仅开发了有限数量的结构色彩驱动器,因为它们必须同时满足高度有序的周期性结构关键特征以及灵敏且稳健的驱动特性。这些极具挑战性的驱动器是通过将坚固的聚合物材料结合具有灵敏性的蒸汽溶剂和蒸汽机械响应的结构色彩薄膜制成的。

国产变色龙机器人登上《细胞》姊妹刊,可自主感知环境,0.2秒变换颜色

▲结构色彩薄膜制作

三、结构色彩驱动器0.2秒变换颜色

利用聚合物材料的快速蒸汽吸收能力,结构色彩薄膜可以在0.2秒内变换颜色。这种薄膜还能通过蒸汽力学响应特性的影响产生的特定形状变化,比如卷起、弯曲和根据聚合物材料纹路改变形状。

通过协调颜色变化和形状变化的响应,结构色彩薄膜不仅能表现出色彩变化,同时还能显示可编程的形状变化。在更高级的演示中,结构色彩驱动器不仅可以按照指定的方向和速度移动,还可以在运动期间根据环境变化自主改变颜色。

通常,通过使用高度有序的二氧化硅胶体晶体作为结构模板来制作结构色彩薄膜,这些胶体晶体模板首先通过二氧化硅颗粒的本身结构形成模板,之后由于溶剂的蒸发它们的组织阵列会变得更加紧密有序。此后,将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)溶液浇铸到二氧化硅模板中,然后在真空中脱气,溶液渗透气孔并填充胶体晶体模板中的所有空隙之后,通过UV光聚合形成胶体晶体。最后,通过蚀刻二氧化硅颗粒获得厚度为100。0μm的结构色彩薄膜。

由于二氧化硅胶体晶体模板的有序堆积,所获得的结构色彩模型具有独特的PBG(光子晶体材料,一般是由两种折射率不同的材料复合而成,其中一种材料在另一种材料中周期分布)特性,结构色彩薄膜在反射反射峰值处显示出明亮的结构色。可以根据以下Bragg-Snell方程评估聚合物膜的最大特征反射峰:

国产变色龙机器人登上《细胞》姊妹刊,可自主感知环境,0.2秒变换颜色

其中λ是Bragg衍射峰的波长,d是胶体颗粒的直径,m是Bragg衍射的阶数,n i和V i是材料的折射率和体积分数,θ是从垂直入射测量的角。

为了实现快速和可逆的蒸汽溶剂变色反应,结构色彩薄膜可以可逆的快速吸收有机溶剂。在暴露于某些有机蒸气溶剂中时,有机分子扩散到结构色彩薄膜中,导致薄膜发生膨胀并改变其晶格间距以及折射率。

研究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获得具有周期性纳米孔洞结构的变色薄膜。这种变色薄膜可在0.2秒内变化颜色,并通过调整薄膜暴露在溶剂蒸汽中的时间长短实现不同的颜色变化。这种薄膜还能响应不同的溶剂,在乙醇、丙酮、氯仿等溶剂蒸汽中产生相应的颜色变化。

国产变色龙机器人登上《细胞》姊妹刊,可自主感知环境,0.2秒变换颜色

▲丙酮溶剂蒸汽下色彩变化

通过将四片结构色彩薄膜粘合在一起构造的风格在氮气流下会保持恒定的绿色不变,在氮气和丙酮混合气体中风车开始转动,并具有明亮鲜艳的绿色向橙色的过渡。氮气和丙酮混合气体消失后,橙色风车快速恢复成绿色。这种色彩变化是由于晶格间距的变化和结构色彩薄膜的反射变化产生的。

此外,杜学敏团队还将简单的几何形状的腿连接到驱动器前部,使驱动器前部和后部之间产生不对称的摩擦,在丙酮气体中,它可以自发的推进,驱动器颜色也从绿色变成橙红色,除去丙酮气体后,驱动器会将前部的腿拉升,导致滑动,驱动器颜色也会恢复原始的绿色,当驱动器伸展到原始的形状后,滑动过程和颜色变化过程也就完成了。

四、经历百次变化仍具有良好驱动性

研发团队的实验表明,这种“软体变色机器人”在经历100次变色变形循环后,仍然能保持优良的驱动性。

研发团队还在这些性能的基础上,演示了一个旋转的风车和一朵能够展开花瓣的色彩变化绚丽的花朵,以及一个蠕虫状结构的驱动器展示“软体机器人”的运动过程。

国产变色龙机器人登上《细胞》姊妹刊,可自主感知环境,0.2秒变换颜色

▲结构色彩驱动器的运动

杜学敏表示,他们已将“变色龙机器人”与特种机器人结合,实现了机器人与环境等实时交互。未来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”,使机器人能进行更加拟人化的情绪表达。比如,当机器人害羞时面部绯红,生气时脸色发青。该成果有望在传感、通讯及机器人伪装等方面实现应用。

结语:变色驱动器有望用于环境监测

深圳先进技术研究院的研究团队通过模仿变色龙的行为研发了结构色彩驱动器,使机器人具备了前所未有的能力,当机器人暴露于特定的蒸汽中时,它们能快速变化颜色并改变形状。

这项研究的突破性在于,可以使机器人进行快速变色的同时结合可控的变形材料,模仿自然界中爬行动物的运动方式,设计既能变色又能定向爬行的软体机器人。

具有环境交互能力的机器人已经成为了一个新的研究方向,有了这些类似变色龙的行为,这些结构色彩驱动器可能在感知、通信和伪装软体机器人方面具有重要的意义。未来有望应用于人类健康监测及环境污染监测等领域。

论文链接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30037-2#articleInformation