我国科学家造出会“变色”的软体机器人

近日，深圳先进院发明了一款会“变色”的软体爬行机器人。

一方面，它向变色龙学习，通过调节自身结构色（区别于色素）改变颜色。

另一方面，它由软体材料制作，行动灵活，尤其是面对人体的情况下，相对于坚硬的机器人更安全。

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神奇的软体机器人

适应环境是软体机器人的特长。

软体机器人通过模仿自然界中的软体动物，可以在大范围内任意改变自身形状和尺寸。它能挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间，在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。例如，它可以作为新型医疗检测机器人，例如特制内窥镜，它会随着口腔，排泄腔入口大小来变化，减少侵入性痛苦。

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某种软体机器人示意图

同时，它们强壮而有弹性的身体能抵抗各种各样的撞击而幸存下来。如果软体机器人能融入所处的环境，不必正面承受毁灭性的打击，甚至人或动物甚至不知道它们就在现场，那么它就能更加隐蔽地完成工作。

向变色龙学“变色技”

通过模仿变色龙的原理，中国科学院深圳先进技术研究院的杜学敏团队研制出了能通过颜色变化进而实现与环境交互，同时还能运动的软体爬行机器人。它能像变色龙一样，随着周围环境而变色。

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变色龙变色

想了解该机器人的研制方法，首先要从变色龙的变色原理说起。据杜学敏介绍，变色龙之所以能够改变皮肤颜色源于其身上的结构色。“变色龙的皮肤中存在一个个规整排列的纳米颗粒，当皮肤舒张或收缩时，纳米颗粒的间距会发生改变，进而会改变光的反射效果，最终呈现出肉眼可见的颜色变化，这种由于微纳结构与光相互作用产生的颜色就是所谓的结构色。”

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变色龙皮肤颜色变化显微图

受变色龙的启发，杜学敏团队研制出一款变色薄膜。“薄膜中填充有溶剂蒸气后，一方面能够使纳米孔洞迅速膨胀，从而改变间距。另一方面，也能改变材料的折射率，从而实现颜色的快速改变。”杜学敏说道。该薄膜在溶剂氛围中的颜色变化速度可快至0.2秒，并且通过调控薄膜暴露在溶剂蒸气中的时间长短，便能实现不同的颜色变化。此外，还能在乙醇、丙酮、氯仿等溶剂蒸气中产生各自对应的颜色变化，这种通过特定化学或生物分子等刺激实现变色的技术，未来有望应用于身体健康监查及环境污染监测领域等。

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蒸汽触发材料快速变色

该研究成果7月31日在线发表于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）姊妹刊Matter上。“传统的软体驱动器难以兼具变形与变色的多功能特性，而我们研发的爬行机器人能够像自然界中的生物一样，自主感知环境变化并及时做出反应。”杜学敏博士接受采访说道。

打造更“真实”的柔体机器“人”

该研究的另一大突破在于快速变色的同时，结合可控变形与可控运动的材料，实现了仿变色龙的驱动。“通过模仿自然界中蛇和蚯蚓等爬行生物的运动方式，我们设计出了既能变色又能定向爬行的软体机器人，其运动速度达到了0.16 cm/s（一分钟可以爬行逾6倍自己身长的距离）。”杜学敏介绍说，该成果有望在传感、通讯及机器人伪装等方面实现应用。

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集成可控变色与运动一体

据了解，这项研究最大的难点在于同时集成了变色与变形两种功能。杜学敏表示，单独实现变色或变形相对容易，但想获得一种既能实现快速变色又能实现变形的材料难之又难。团队对材料进行了独具匠心的合成与设计，经过实验表明，该爬行机器人的变色与变形持续逾100个循环后，仍然能保持优良的驱动特性。此外，团队对还将该材料设计成了风车、花朵等各式复杂形状。

对于该成果的未来应用，杜学敏还有更颠覆性的计划。

未来，他计划将这种材料特性与人形机器人相结合，做成机器人的“皮肤”，赋予机器人更拟人的情绪表达。现在的机器人虽然在语言等方面拟人程度非常高，但仍然给人一种冰冷的感觉，如果能将变色材料应用于服务机器人，使它们害羞时面部绯红，生气时脸色发青，将极大提升人机交互的效果。最终，实现人-机器-环境友好智能交互。

（来源：科技日报，综合新华网、机械工程学报等）

玄真子	2019-08-02 07:27
总结下：因该是聚合物的溶胀导致薄膜中的纳米粒子间距发生改变，从而引起光的折反射产生变化。

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