變色龍變色。
變色龍皮膚顏色變化顯微圖。
使用變色材料研制的風車。
使用變色材料研制的花朵。本版圖片由受訪者提供
記者 袁斯茹
變色龍是自然界中一種奇特的動物，為了能在復雜自然環(huán)境中更好地生存，它的皮膚顏色會隨著周圍環(huán)境的變化而改變。模仿變色龍的原理，中科院深圳先進院的杜學敏團隊研制出了能通過顏色變化，進而實現(xiàn)與環(huán)境交互，同時還能運動的軟體爬行機器人。7月31日，該成果在線發(fā)表于國際頂級學術期刊《細胞》（Cell）姊妹刊《Matter》上。據(jù)悉，《Matter》為材料學旗艦期刊，主要發(fā)表跨越多學科領域且具有變革性的材料學研究論文。
“傳統(tǒng)的軟體驅動器，難以兼具變形與變色的多功能特性，而我們研發(fā)的爬行機器人，能夠像自然界中的生物一樣，自主感知環(huán)境變化并及時做出反應。”杜學敏博士昨日告訴深圳商報記者。
向變色龍學“變色技”
想了解該機器人的研制方法，首先要從變色龍的變色原理說起。
據(jù)杜學敏介紹，變色龍之所以能夠改變皮膚顏色，源于其身上的結構色。“變色龍的皮膚中存在一個個規(guī)整排列的納米顆粒，當皮膚舒張或收縮時，納米顆粒的間距會發(fā)生改變，進而改變光的反射效果，最終呈現(xiàn)出肉眼可見的顏色變化。這種由于微納結構與光相互作用產(chǎn)生的顏色，就是所謂的結構色。”
受變色龍的啟發(fā)，杜學敏團隊以周期性排布的納米顆粒為模板，注入特殊材料并固化后，通過移除納米顆粒模板，進而獲得具有周期性納米孔洞結構的變色薄膜。在模仿變色龍的皮膚結構后，溶劑蒸氣刺激是實現(xiàn)變色的關鍵要素。“薄膜中填充有溶劑蒸氣，一方面能夠使納米孔洞迅速膨脹，從而改變間距。另一方面，也能改變材料的折射率，從而實現(xiàn)顏色的快速改變。”杜學敏說道。
據(jù)介紹，該薄膜在溶劑氛圍中的顏色變化速度可快至0.2秒，并且通過調(diào)控薄膜暴露在溶劑蒸氣中的時間長短，便能實現(xiàn)不同的顏色變化。此外，該薄膜還能響應不同的溶劑，在乙醇、丙酮、氯仿等溶劑蒸氣中產(chǎn)生相應的顏色變化。這種通過特定化學或生物分子等刺激實現(xiàn)變色的技術，未來有望應用于身體健康監(jiān)查及環(huán)境污染監(jiān)測領域等。
既能變色又能變形
該研究的另一大突破在于快速變色的同時，結合可控變形與可控運動的材料，實現(xiàn)了仿變色龍的驅動。“通過模仿自然界中蛇和蚯蚓等爬行生物的運動方式，我們設計出了既能變色又能定向爬行的軟體機器人，其運動速度達到了0.16cm/s（一分鐘可以爬行逾6倍自己身長的距離）。”杜學敏介紹說，該成果有望在傳感、通訊及機器人偽裝等方面實現(xiàn)應用。
這項研究最大的難點在于同時集成了變色與變形兩種功能。杜學敏表示，單獨實現(xiàn)變色或變形相對容易，但想獲得一種既能實現(xiàn)快速變色又能實現(xiàn)變形的材料難之又難。團隊對材料進行了獨具匠心的合成與設計，經(jīng)過實驗表明，該爬行機器人的變色與變形持續(xù)逾100個循環(huán)后，仍然能保持優(yōu)良的驅動特性。此外，團隊還將該材料設計成了風車、花朵等各式復雜形狀。
可讓機器人“臉紅”或“發(fā)青”
對于該成果的未來應用，杜學敏還有更顛覆性的計劃，他目前已將這種材料與特種機器人結合，實現(xiàn)了機器人與環(huán)境實時交互的功能；未來，還計劃將這種材料特性與人形機器人相結合，做成機器人的“皮膚”，賦予機器人更擬人的情緒表達。
“現(xiàn)在的機器人雖然在語言等方面擬人程度非常高，但仍然給人一種冰冷的感覺，如果能將變色材料應用于服務機器人，使它們害羞時面部緋紅，生氣時臉色發(fā)青，將極大提升人機交互的效果。最終，實現(xiàn)人—機器—環(huán)境友好智能交互。”杜學敏說。
