中國科學家造出會「變色」的軟體機器人

記者丨劉傳書

編輯丨陳可軒（實習）

OMG !!

這還是我認識的機器人嗎？

既能「偽裝變色」

又能「柔軟變形」

這什麼黑科技？

近日，深圳先進院發明了一款會「變色」的軟體爬行機器人。

一方面，它向變色龍學習，通過調節自身結構色（區別於色素）改變顏色。

另一方面，它由軟體材料製作，行動靈活，尤其是面對人體的情況下，相對於堅硬的機器人更安全。

神奇的軟體機器人

適應環境是軟體機器人的特長。

軟體機器人通過模仿自然界中的軟體動物，可以在大範圍內任意改變自身形狀和尺寸。它能擠過比自身常態尺寸小的縫隙，進入傳統機器人無法進入的空間，在偵察、探測、救援及醫療等領域都有廣闊的應用前景。例如，它可以作為新型醫療檢測機器人，例如特製內窺鏡，它會隨著口腔，排泄腔入口大小來變化，減少侵入性痛苦。

某種軟體機器人示意圖

同時，它們強壯而有彈性的身體能抵抗各種各樣的撞擊而倖存下來。如果軟體機器人能融入所處的環境，不必正面承受毀滅性的打擊，甚至人或動物甚至不知道它們就在現場，那麼它就能更加隱蔽地完成工作。

向變色龍學「變色技」

通過模仿變色龍的原理，中國科學院深圳先進技術研究院的杜學敏團隊研製出了能通過顏色變化進而實現與環境交互，同時還能運動的軟體爬行機器人。它能像變色龍一樣，隨著周圍環境而變色。

變色龍變色

想了解該機器人的研製方法，首先要從變色龍的變色原理說起。據杜學敏介紹，變色龍之所以能夠改變皮膚顏色源於其身上的結構色。「變色龍的皮膚中存在一個個規整排列的納米顆粒，當皮膚舒張或收縮時，納米顆粒的間距會發生改變，進而會改變光的反射效果，最終呈現出肉眼可見的顏色變化，這種由於微納結構與光相互作用產生的顏色就是所謂的結構色。」

變色龍皮膚顏色變化顯微圖

受變色龍的啟發，杜學敏團隊研製出一款變色薄膜。「薄膜中填充有溶劑蒸氣後，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，從而實現顏色的快速改變。」杜學敏說道。該薄膜在溶劑氛圍中的顏色變化速度可快至0.2秒，並且通過調控薄膜暴露在溶劑蒸氣中的時間長短，便能實現不同的顏色變化。此外，還能在乙醇、丙酮、氯仿等溶劑蒸氣中產生各自對應的顏色變化，這種通過特定化學或生物分子等刺激實現變色的技術，未來有望應用於身體健康監查及環境污染監測領域等。

蒸汽觸發材料快速變色

該研究成果7月31日在線發表於國際頂級學術期刊《細胞》（Cell）姊妹刊Matter上。「傳統的軟體驅動器難以兼具變形與變色的多功能特性，而我們研發的爬行機器人能夠像自然界中的生物一樣，自主感知環境變化並及時做出反應。」杜學敏博士接受採訪說道。

打造更「真實」的

柔體機器「人」

該研究的另一大突破在於快速變色的同時，結合可控變形與可控運動的材料，實現了仿變色龍的驅動。「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0.16 cm/s（一分鐘可以爬行逾6倍自己身長的距離）。」杜學敏介紹說，該成果有望在感測、通訊及機器人偽裝等方面實現應用。

集成可控變色與運動一體

據了解，這項研究最大的難點在於同時集成了變色與變形兩種功能。杜學敏表示，單獨實現變色或變形相對容易，但想獲得一種既能實現快速變色又能實現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，經過實驗表明，該爬行機器人的變色與變形持續逾100個循環後，仍然能保持優良的驅動特性。此外，團隊對還將該材料設計成了風車、花朵等各式複雜形狀。

對於該成果的未來應用，杜學敏還有更顛覆性的計劃。

未來，他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於服務機器人，使它們害羞時面部緋紅，生氣時臉色發青，將極大提升人機交互的效果。最終，實現人-機器-環境友好智能交互。

來源：科技日報綜合新華網、機械工程學報等

審核：王小龍

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