西安交大邵金友、田洪淼团队《Mater. Horiz.》：开发出基于多功能智能皮肤的自适应变色系统
变色龙可以通过改变皮肤表面纳米结构的几何尺寸来调整颜色以完成躲避天敌、狩猎、交换信息等行为。这种基于结构的颜色由于其可逆性、不褪色等优越特性，吸引了众多研究人员的关注，并在色彩显示、伪装、光学滤波和传感可视化等领域取得了诸多进展。然而，现有“被动”式可调结构色与自然界“主动”式可调结构色之间仍存在着巨大差距，限制了结构色在特定环境下的自主适应性。开发具有主动调节和自适应能力的可调结构色是人工可调结构色器件或系统发展所面临的挑战性难题。
仿变色龙结构色自适应调节系统
近期，西安交通大学邵金友、田洪淼团队提出了一种具有变色、致动和传感功能的一体化智能皮肤，并基于此搭建了对环境主动适应的颜色调节系统。不同于传统变色方案的研究中结构色变化主要通过预编程动作实现，从而难以适应外部环境颜色变化，该研究是从变色龙的皮肤、眼睛和大脑的耦合仿生角度出发，在变色、致动和传感功能一体化智能皮肤设计基础上，结合视觉采集系统和变色控制系统实现颜色的自适应调节，达到与周围环境色彩一致的目的。自然界中的变色龙在环境颜色变化时可以调节其皮肤表面的鸟嘌呤纳米晶体阵列实现自身对环境颜色的适应。受此启发，研究团队设计制造的结构色调控系统可以根据环境颜色自主调节颜色：当环境颜色变化时，视觉采集系统将颜色识别并传输给控制系统，之后控制系统通过电压控制使智能皮肤变形到相应的尺寸以实现变色，类似变色龙控制肌肉使表皮晶体阵列变形以变色的过程。此过程中智能皮肤将自身电阻信号反馈给控制系统以辅助感知自身状态，类似变色龙通过皮肤神经感知皮肤的颜色，从而实现对周围环境的自适应变色，如图1所示。相关研究成果以“Chameleon-inspired active tunable structural color based on smart skin with multi-functions of structural color, sensing and actuation”为题发表《Materials Horizons》上，西安交通大学博士生张维天为论文第一作者。
图1 仿变色龙的结构色调节系统
功能一体化智能皮肤
仿变色龙的结构色调节系统的核心是集可调结构色、传感和致动功能于一体的智能皮肤。受变色龙的变色皮肤结构的启发，研究团队将智能皮肤设计为一体化的功能集成结构：顶层是一层纳米级光子晶体薄膜，其颜色来自于表面的六角形纳米孔阵列，当受到拉伸或收缩时，其颜色在可见光范围内发生变化，模拟变色龙表皮上的鸟嘌呤晶体在不同周期下的不同颜色效果；下层为液晶弹性体(LCE)，通过热致相变，可以产生近50%的收缩率，模拟变色龙的皮肤肌肉的主动致动能力；在LCE薄膜的两侧涂有碳纳米管(CNTs)作为电热层，自身的电阻在尺寸变化时会产生变化，可以用于间接感知顶层的颜色，模拟变色龙的皮下神经在变色过程中的感知作用。各部分的功能在集成后可以实现颜色的大范围可逆变化，如图2所示。通过对施加电压和时间的控制，可以实现智能皮肤的颜色调节，接近于变色龙皮肤变色的调节方式，提供了一种控制颜色的简便途径。
图2 一体化智能皮肤的变色与致动功能
智能皮肤的变形/变色自感知
智能皮肤上CNTs层在LCE变形过程中的电阻变化类似于变色龙皮下神经对皮肤收缩作出的神经信号反应，可用于自感知功能的实现。智能皮肤电阻的变化与其自身尺寸相关，可以用于检测LCE的变形，从而间接感知光子晶体产生的颜色，提供了用于反馈控制的传感信号。在施加电压时，智能皮肤颜色变化的同时CNTs层的电阻变化率也发生变化，如图3所示。电阻与颜色的对应关系表明通过CNTs的电阻可以间接获得智能皮肤的当前颜色，验证了智能皮肤的自感知功能。
图3 一体化智能皮肤的自感知功能
系统搭建与自适应变色展示
受变色龙整体变色过程的启发，在变色、致动、传感多功能一体化的智能皮肤基础上，进一步集成图像采集单元和信号处理单元，建立了结构色调节系统。这一集成创新相当于在变色龙皮肤结构的基础上结合眼睛和大脑，来实现在变色过程中的颜色识别和总体控制功能，是对变色龙变色能力的进一步仿生。研究团队采用小型摄像机及其图像处理系统作为视觉系统，采用STM32单片机和电流测量模块作为控制系统。视觉系统将环境颜色变为相应 信号，之后控制系统将之与智能皮肤的电阻信号进行对比，以得出此时目标颜色所需的电压模式。系统会实时比较摄像机和智能皮肤传来的信号，使智能皮肤及时调整为与环境颜色一致，即自适应的变色。在模拟绿色和红色的变化环境中，该系统成功实现了对环境颜色的主动调节和适应，如图4所示，为当前的可调结构色提供了一种新的设计策略。
图4 结构色调节系统的搭建与自适应变色
邵金友、田洪淼团队长期致力于人工肌肉及其软体机器人的相关研究，已在结构设计、性能提升、软体机器人开发等领域做出创新性工作。本研究所提出的仿变色龙结构色调节系统，是受变色龙主动适应性变色能力的启发，与传统被动式变色材料或结构具有本质不同。基于对变色龙皮肤结构的多功能耦合仿生，实现了颜色的简易调节。进一步，集成智能皮肤与视觉采集、控制系统可以模拟变色龙在环境中真实完整的变色过程，在不同环境下，颜色会随着环境颜色的变化而自主变化。本研究提出的基于智能皮肤的自适应结构色实现方法可以为开发变色系统提供新的途径，并有效促进基于结构色的设备或系统的发展。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00070b
