西安交大邵金友、田洪淼團隊《Mater. Horiz.》：開發出基于多功能智能皮膚的自適應變色系統
變色龍可以通過改變皮膚表面納米結構的幾何尺寸來調整顏色以完成躲避天敵、狩獵、交換信息等行為。這種基于結構的顏色由于其可逆性、不褪色等優越特性，吸引了眾多研究人員的關注，并在色彩顯示、偽裝、光學濾波和傳感可視化等領域取得了諸多進展。然而，現有“被動”式可調結構色與自然界“主動”式可調結構色之間仍存在著巨大差距，限制了結構色在特定環境下的自主適應性。開發具有主動調節和自適應能力的可調結構色是人工可調結構色器件或系統發展所面臨的挑戰性難題。
仿變色龍結構色自適應調節系統
近期，西安交通大學邵金友、田洪淼團隊提出了一種具有變色、致動和傳感功能的一體化智能皮膚，并基于此搭建了對環境主動適應的顏色調節系統。不同于傳統變色方案的研究中結構色變化主要通過預編程動作實現，從而難以適應外部環境顏色變化，該研究是從變色龍的皮膚、眼睛和大腦的耦合仿生角度出發，在變色、致動和傳感功能一體化智能皮膚設計基礎上，結合視覺采集系統和變色控制系統實現顏色的自適應調節，達到與周圍環境色彩一致的目的。自然界中的變色龍在環境顏色變化時可以調節其皮膚表面的鳥嘌呤納米晶體陣列實現自身對環境顏色的適應。受此啟發，研究團隊設計制造的結構色調控系統可以根據環境顏色自主調節顏色：當環境顏色變化時，視覺采集系統將顏色識別并傳輸給控制系統，之后控制系統通過電壓控制使智能皮膚變形到相應的尺寸以實現變色，類似變色龍控制肌肉使表皮晶體陣列變形以變色的過程。此過程中智能皮膚將自身電阻信號反饋給控制系統以輔助感知自身狀態，類似變色龍通過皮膚神經感知皮膚的顏色，從而實現對周圍環境的自適應變色，如圖1所示。相關研究成果以“Chameleon-inspired active tunable structural color based on smart skin with multi-functions of structural color, sensing and actuation”為題發表《Materials Horizons》上，西安交通大學博士生張維天為論文第一作者。
圖1 仿變色龍的結構色調節系統
功能一體化智能皮膚
仿變色龍的結構色調節系統的核心是集可調結構色、傳感和致動功能于一體的智能皮膚。受變色龍的變色皮膚結構的啟發，研究團隊將智能皮膚設計為一體化的功能集成結構：頂層是一層納米級光子晶體薄膜，其顏色來自于表面的六角形納米孔陣列，當受到拉伸或收縮時，其顏色在可見光范圍內發生變化，模擬變色龍表皮上的鳥嘌呤晶體在不同周期下的不同顏色效果；下層為液晶彈性體(LCE)，通過熱致相變，可以產生近50%的收縮率，模擬變色龍的皮膚肌肉的主動致動能力；在LCE薄膜的兩側涂有碳納米管(CNTs)作為電熱層，自身的電阻在尺寸變化時會產生變化，可以用于間接感知頂層的顏色，模擬變色龍的皮下神經在變色過程中的感知作用。各部分的功能在集成后可以實現顏色的大范圍可逆變化，如圖2所示。通過對施加電壓和時間的控制，可以實現智能皮膚的顏色調節，接近于變色龍皮膚變色的調節方式，提供了一種控制顏色的簡便途徑。
圖2 一體化智能皮膚的變色與致動功能
智能皮膚的變形/變色自感知
智能皮膚上CNTs層在LCE變形過程中的電阻變化類似于變色龍皮下神經對皮膚收縮作出的神經信號反應，可用于自感知功能的實現。智能皮膚電阻的變化與其自身尺寸相關，可以用于檢測LCE的變形，從而間接感知光子晶體產生的顏色，提供了用于反饋控制的傳感信號。在施加電壓時，智能皮膚顏色變化的同時CNTs層的電阻變化率也發生變化，如圖3所示。電阻與顏色的對應關系表明通過CNTs的電阻可以間接獲得智能皮膚的當前顏色，驗證了智能皮膚的自感知功能。
圖3 一體化智能皮膚的自感知功能
系統搭建與自適應變色展示
受變色龍整體變色過程的啟發，在變色、致動、傳感多功能一體化的智能皮膚基礎上，進一步集成圖像采集單元和信號處理單元，建立了結構色調節系統。這一集成創新相當于在變色龍皮膚結構的基礎上結合眼睛和大腦，來實現在變色過程中的顏色識別和總體控制功能，是對變色龍變色能力的進一步仿生。研究團隊采用小型攝像機及其圖像處理系統作為視覺系統，采用STM32單片機和電流測量模塊作為控制系統。視覺系統將環境顏色變為相應 信號，之后控制系統將之與智能皮膚的電阻信號進行對比，以得出此時目標顏色所需的電壓模式。系統會實時比較攝像機和智能皮膚傳來的信號，使智能皮膚及時調整為與環境顏色一致，即自適應的變色。在模擬綠色和紅色的變化環境中，該系統成功實現了對環境顏色的主動調節和適應，如圖4所示，為當前的可調結構色提供了一種新的設計策略。
圖4 結構色調節系統的搭建與自適應變色
邵金友、田洪淼團隊長期致力于人工肌肉及其軟體機器人的相關研究，已在結構設計、性能提升、軟體機器人開發等領域做出創新性工作。本研究所提出的仿變色龍結構色調節系統，是受變色龍主動適應性變色能力的啟發，與傳統被動式變色材料或結構具有本質不同。基于對變色龍皮膚結構的多功能耦合仿生，實現了顏色的簡易調節。進一步，集成智能皮膚與視覺采集、控制系統可以模擬變色龍在環境中真實完整的變色過程，在不同環境下，顏色會隨著環境顏色的變化而自主變化。本研究提出的基于智能皮膚的自適應結構色實現方法可以為開發變色系統提供新的途徑，并有效促進基于結構色的設備或系統的發展。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00070b
