模拟变色龙，软体机器人也能实时根据背景变色！依赖温度实现，研究登上Nature子刊

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作者：Caleb

动物永远是人类的创新灵感来源。

有科学家从蜻蜓大脑中看到了未来导弹防御的高效应用，有科学家从蝙蝠超声波中受到启发，研发出了新的扫描系统，用来检测输油管道的腐蚀情况……

现在，科学家们对世界最可爱物种之一的变色龙“下手”了。

我们知道，“变色龙”这一名字的由来和它们能跟随环境变化随时改变身体的颜色有关，这样的功能能如何被利用呢？

8月10日，韩国首尔国立大学和汉阳大学的研究人员在Nature Communications期刊发表了题为Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin的研究论文。

论文中写到，研究人员以变色龙为灵感开发了一个软体机器人，该机器人能根据背景实时变色，就像这样：

从上图可以看到，变色龙机器人在不同颜色的条纹背景上行走，能够实时改变自己身上的颜色。

对于这项技术，研究人员表示，这项研究或对下一代可穿戴伪装技术具有启示意义。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24916-w

让机器人拥有变色龙的“超能力”

根据目前科学界的普遍看法，变色龙的变色能力和它们皮肤表层的微小晶体有直接的关系，通常来说，它们只需要利用肌肉来实现扩张和收缩即可。

要将这项生物技能复制成一项科学技术，却没有想象中简单。

此前，这种人造装置通常需要依赖于微流体装置，即使用微小的通道来控制内部流体的流动。

但该项目却另辟蹊径，根据研究人员的说法，他们，主要使用了一种可根据温度改变颜色的薄液晶层。

研究人员在晶体层下方堆叠了几层纳米线加热器（nanowire heaters）。纳米线层包含不同的图案，从点到网格，选择性加热层会创建彩色图案，帮助机器人更好地模仿其周围环境。

机器人内置的颜色传感器和反馈系统会检测局部背景颜色，然后转换其皮肤的颜色以匹配。

该研究的作者之一、首尔国立大学热工程学教授Seung Hwan Ko表示，最具挑战性的部分是让颜色过渡达到自然的速度。使用加热速度非常快的纳米线加热器帮助解决了这个问题：人造皮肤升温得足够快，以与真实动物相似的速度改变颜色。

“构建第一个原型的过程是非常缓慢的。”Hwan Ko说。

首先他们需要确定机器人是模仿脊椎动物还是无脊椎动物，比如鱿鱼或章鱼。在最初的构想中，由于无脊椎动物模型能有更多的活动自由，团队计划模仿章鱼，但最终证明这个想法是过于美好了。

在对不同的设计和材料结构进行细致研究后，该团队最终决定以变色龙为基础，以更简单的方式复制这项生物技能。通过将纳米线塑造成由点、线或鳞片形状组成的简单图案，他们创造出了如今的效果。

目前，这款变色龙机器人长约38厘米，宽约15厘米，重约0.9公斤，与动物相似，但和最初设计的尺寸还存在差异，研究人员希望能够缩小规模。

此外，由于该技术依赖于温度，在极冷的情况下变色效果不尽如人意，这样变色龙机器人难以实现对全光谱颜色的复制。随着信号处理和数据驱动科学的进步，团队表示，这一局限将会得到弥补，同时，变色龙机器人还会以更高的分辨率反射背景表面的纹理。

在硬件上，团队还计划在机器人上添加一个视觉系统，这样人造皮肤不仅可以匹配颜色，还可以自主生成图案。研究人员表示，通过调整，比如纳米线加热器下面的绝缘层等，未来一种可用于狩猎和户外活动的变色外衣可能就会出现在你的衣橱里。

受章鱼启发的“伪装”机器人

其实，从动物身上受到伪装的启发，韩国的这个项目并非首个。

2017年，根据Science报道，研究人员就提到了一种类似头足类动物皮肤的合成材料，这种材料可以从平坦的二维表面转变成为具有凹凸结构的三维表面。

而他们受到的启发正是来自Seung Hwan Ko团队一度放弃的章鱼。和变色龙类似，章鱼和乌贼仅用0.2秒就能膨胀肌肉组织，同时改变体色，完美地模拟周围环境特征，从而在环境中实现“隐身”。

研究小组由美国宾夕法尼亚大学的James Pikul和康奈尔大学的Robert Shepherd负责，他们受到章鱼和乌贼的凹凸皮肤突起的灵感，设计一款软体机器人。

软体机器人的皮肤突起是硅胶皮肤之下的一种气袋，也可以称为“气球”。通常情况下，这些气袋会在不同时间、不同位置膨胀，从而使机器人产生移动。

Shepherd指出，通过将微小的纤维网状球体嵌入硅胶之中，科学家能够控制和改变膨胀表面的纹理，就像章鱼能够变化其皮肤一样。

意大利圣安娜高级研究学院仿生机器人教授塞西莉亚·拉什奇（Cecilia Laschi）说：“伪装机器人可以隐藏起来，避免遭受动物的攻击，较好地接近动物研究它们的自然栖息环境。当然，伪装也可以支持军事应用，减少机器人的能见距离，更有效地接近危险区域。”

全身是宝变色龙

要是你以为变色龙身上只有变色而已，那你可真是小看了这个在2013年位列世界最可爱物种排行榜上第十七名的动物了。

2019年，普渡大学工程学院拉教授Ramses Martinez就从变色龙的舌头上得到了灵感，对其舌头的弹性能量进行了研究，从而研制出了能复制该运动原理的软体机器人。

该软体机器人用类似橡皮筋的可拉伸聚合物制成，内部气动通道能够膨胀增压，通过向一个或者多个方向拉伸软体机器人可存储弹性能量。

与变色龙的吐舌攻击十分类似，预加应力的气动软体机器人的长度可扩大5倍，可以仅在120毫秒内捕捉活体昆虫。

Martinez说：“我们相信如果能制造机器人执行这样大幅度运动，其运动方式与变色龙吐舌捕食过程十分相似，那么许多自动化任务可以完成得更加精确快速，传统机器人通常是采用坚硬沉重的部件制造，由于惯性作用，这些部件会减慢其运动速度，我想克服这个挑战。”

Martinez还表示称，与之前研制的软体机器人相比，这种类似变色龙舌头的预应力软体机器人有显著优势，它擅长抓握、高速操控具有多样性的物体。

这款软体机器人能够长时间处于倒挂状态，便于捕获苍蝇、飞虫等活体昆虫。

动物世界的奥秘还有太多等待我们去探索，每次都忍不住感叹，神奇动物就在我们身边啊~