可让机器人隐形的皮肤诞生!灵感源于海洋“伪装大师”

章鱼和墨鱼是公认的自然界伪装大师。眨眼之间,它们就能改变自己的外形,与环境“无缝”融合,甚至能与与周边的岩石或珊瑚无异。受这些自然界伪装高手们的启发,科学家研发了能够伸展和变形的机器人“迷彩皮肤”,这种皮肤能够通过程序控制变化为任意形状。

在与头足纲生物学研究者进行密切合作后,康奈尔大学的工程师设计了能够被程序控制实现伸缩的人造伪装结构。通过预设颜色和纹理进行伪装,这层可变形3D硅胶皮肤可以让机器人与周围环境融为一体。研究结果发表在近期的《科学》杂志上。

这种动态伪装技术允许柔软可伸缩的材料从平面 2D 转化为目标 3D 形状,具有广泛的应用价值,比如,可以被用来实现在 2D 形态下反射阳光,并在 3D 形态下吸收,从而调节温度。

此外,这种技术对于项目资助方——美国军队研究室(Army Research Office)也是极具吸引力的。未来,这种伪装皮肤可以用来隐藏机器人甚至帮助士兵伪装。

在大自然中,头足纲动物伪装技术的秘密在于其表皮的大量三维块状突起(papillae)。在五分之一秒之内,这些突起就能突出或缩回,从而迅速将皮肤表面变的与周围环境 (如海藻或珊瑚)一致,而且整个过程是可逆的。

这些软体动物进化出此种本领的目的是正是为了防卫。它们柔软的身体没有骨骼,因此可以躲到小的缝隙、岩石、甚至是海底的瓶子等容器中,它们还可以通过喷水实现反方向的快速移动和逃跑。但是,这些动物最终还是选择重点发展伪装技能,因为这能让自己在捕食者眼中变得“低调”可比马上逃跑要划算。

据头足纲生物学家 Roger Hanlon 介绍,软体动物身上的这种突起(即“肌肉性静水骨骼”)能够执行动作,而且还是一种只有肌肉不含骨骼的生物结构。人类的舌头也是这种肌肉性静水骨骼。

可让机器人隐形的皮肤诞生!灵感源于海洋“伪装大师”

图丨通过控制充气薄膜变为石头的外形

“许多动物都有这种突起,但是他们不能像章鱼和墨鱼的突起那样迅速伸缩”,头足纲动态伪装研究专家 Hanlon 表示,“它们是无壳软体动物,主要防御方式就是可变型的皮肤……这种突起系统的自由度非常高。在欧洲的普通乌贼身上,至少有九个突起系统独立地被大脑控制。每个突起系统都能在从二维平面连贯地变为圆锥或三角等许多形状。最终效果形状由静水骨骼中的肌肉来决定”。

在辨识了头足纲动物突起系统的结构、功能以及生物力学特性后,康奈尔大学的工程师研发了可变形 3D 硅胶皮肤。

为了尽可能让人造组织与动物的相似,研究人员在皮肤中放置了可模拟肌肉活动的纤维网。

另外,计算机算法使用激光来检测结构的 3D 图案变化,从而保证最终的皮肤图形能够达到预设目标。据研究人员所述,在此过程中,硅胶只是被用来充气膨胀,将皮肤变形为岩石或多肉植物的形状。

“理论上,这个过程可以非常非常快——达到毫秒级” 研究的共同作者 James Pikul 表示。

这也不是人们对人造动态伪装的初次试水技术了。在 2014 年,中国研究者研发了一个由 4 层组成的纤薄变形材料,能够实现与环境匹配的变形。

但需要预设图案是其限制之处,这也是研究人员下一个改进目标。

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