變色龍機器人問世！在一百平方米區(qū)域主動偽裝九十二分鐘，有望在軍事等領域廣泛應用

近日，韓國首爾大學等團隊公開了“仿生變色龍軟體機器人”成果，與以往“人工偽裝技術”不同的是，其利用溫度來調節(jié)仿生變色龍顏色，可簡單實現(xiàn)熱致變色功能，在變色系統(tǒng)中加入一個具備負反饋調節(jié)的傳感器來避免溫度受外界環(huán)境的影響，即可確?！白兩备臃€(wěn)定。

將變色龍與自然顏色瞬間匹配，這為下一代“人工偽裝”提供了一種令人興奮的解決思路，人工偽裝技術不僅在軍事應用中頗受青睞，在建筑、藝術、時尚和戶外活動等領域也頗受關注。

相關論文以《仿生變色龍軟體機器人具有人工隱型和破壞性有色皮膚》為題發(fā)表在Nature Communications上。

在大自然中，為了躲避天敵和自然環(huán)境的入侵，許多動物都有獨特的“偽裝”技能，如擬態(tài)、保護色等，不得不說變色龍是一種非常高明的偽裝“專家”。受變色龍偽裝技能的啟發(fā)，人類研究出許多人工防偽技術，“軍事偽裝”是頗為經(jīng)典的應用。

然而，完整人工防偽技術的突破依然困難重重，尤其通過高分辨率偽裝模式，實現(xiàn)更前沿更自然地偽裝仍是一項挑戰(zhàn)極大的工作。

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主要有3方面的原因：

一是人工偽裝與變色龍的內在機理不一致，在RGB可見光的范圍內，使用人工偽裝的主導技術尚未完全確立;

二是主動型檢索和相鄰顏色所需的傳感器、控制電路和高分辨率人工偽裝設備等導致系統(tǒng)復雜性增加;

三是在偽裝性能方面，變色龍微棲息地的模擬及信息傳遞對其更自然的隱藏至關重要。

變色龍軟體機器人變色實驗圖

賓夕法尼亞州立大學助理教授程寰宇表示，“之前很多研究文章都是關于大的陣列密度來實現(xiàn)變色和環(huán)境整合，中間變色的部分很可能無法把每個像素都覆蓋，這會造成對應的像素點沒有顏色。

該研究最主要的亮點之一，是對像素與像素結合的現(xiàn)象做了前期調研，變色龍在某些棲息地時，外界溫度變化并沒有設想中那么多，很可能只有幾個特定改變。如果變色龍只有幾處棲息地，那么它身體的變色只需要很簡單的幾個像素即可實現(xiàn)?！?/p>

從特定物種的多態(tài)性進化現(xiàn)象來看，任意圖像的顯示對受限棲息地的偽裝應用都是多余的。

因此，該團隊構建了一種豎直加熱器，用激光圖案選定棲息地后，通過疊加多層銀納米線加熱器，不同加熱器產(chǎn)生的溫度分布疊加在最外層的熱致變色油墨層，使背景顏色與環(huán)境表達同時匹配。

最后，通過相應策略消除像素之間的死角，從而在輔助色彩出現(xiàn)較大變化時，即可實現(xiàn)連續(xù)過渡，借此降低系統(tǒng)的整體復雜性，最終實現(xiàn)更加自然的偽裝。

程寰宇

人工變色龍可生成具有紅、綠、藍著色功能的多個皮膚圖案

熱致變色材料，在很小的溫度變化范圍內就能實現(xiàn)紅、綠、藍這三種顏色的變化。從經(jīng)典的人工變色龍皮膚底部可以看到許多垂直的圖案和呈半透明帶狀的加熱器層，將變色龍皮膚上的加熱器激活之后，TLC在可見區(qū)域可呈現(xiàn)出鮮艷的色彩，反射光譜可以在較寬的可見光譜范圍內操縱。

TLC層的溫度決定了人工變色龍皮膚的反射光譜，在CIE1931的坐標圖中，將25.5攝氏度、28攝氏度和36攝氏度對應的3個點作為代表性的RGB顏色，在現(xiàn)有條件下維持藍色，單個商用電池可以在100cm^2的區(qū)域主動偽裝92分鐘。根據(jù)變色龍模型的形狀，該團隊準備了范圍從21.96cm^2到67.2cm^2不等的7個不同的斑塊，來完全覆蓋人工變色龍外觀。

具有RGB著色的人工變色龍圖案

程寰宇表示：“該團隊使用的熱致變色材料，在很小的溫度變化范圍內就能實現(xiàn)紅、綠、藍這3種顏色的變化。另外垂直堆疊的加熱器可以實現(xiàn)可控多態(tài)、高度降低復雜性的關鍵功能，帶有銀納米線加熱層的人工變色龍具有明顯的鴕鳥圖案，這3層圖案分別是鴕鳥站起來、頭往中間移動和頭低下去。”

這3層圖案每一層都是一個加熱器，每個加熱器上都一個溫度與顏色一一對應，比如第一層加熱到紅色對應的溫度，就產(chǎn)生了紅色鴕鳥直立的圖片，第二層實現(xiàn)了綠色鴕鳥往中間走和第三層藍色鴕鳥頭往低下去的圖案。

程寰宇表示：“該研究最大的亮點是，垂直堆疊的設計結構避免了平面堆疊中的一些問題，因為平面堆疊需要實現(xiàn)很高密度的陣列，然后形成對應的圖案，這就會造成一些所謂的死角，這個地方?jīng)]有顏色，因而產(chǎn)生的效果不太好。而垂直堆疊是直接在每一層垂直的加熱器里直接引帶的圖案，進而熱致變材料上不需要形成很多的像素，因而加工成本和制造的難度就會極大地降低?！?/p>

帶有多層鴕鳥圖案的人造變色龍皮（ATACS，Artificial Chameleon Skin）簡圖

在熱致變色材料中加入冰塊，人工變色龍可實現(xiàn)瞬時偽裝

即使具有主動動態(tài)偽裝功能的物種，其可表達的偽裝模式在許多情況下也不是完全任意的，它局限于某些特定的條件。

人工偽裝與現(xiàn)實生活中的物種偽裝相似，也是分步驟完成的，人工偽裝涉及背景顏色檢驗及匹配表面顏色傳遞的整個過程。基于此，該團隊提出了一種直接而簡單的自動傳感器集成人工變色龍瞬時偽裝模型。

人工變色龍變色的基本原理，不需要再分析高密陣列的視覺信息，而是從顏色傳感器測量的紅綠藍強度獲取每個像素的局部顏色，通過紅、綠、藍的強度就能知道外界顏色分別是什么，然后把紅、綠、藍顏色強度輸入到系統(tǒng)里面，系統(tǒng)有了這個輸入，就可以對應地控制溫度，實現(xiàn)紅、綠、藍顏色的生成。

帶有加熱器反饋控制邏輯電路的自主偽裝系統(tǒng)原理

變色龍軟體機器人瞬時隱形

程寰宇表示，“在顏色實現(xiàn)的過程中，加熱器的應用比較關鍵，但溫度比加熱器的應用還要關鍵，因為溫度對顏色的調節(jié)具有一一對應的關系，并且顏色對溫度的變化非常敏感，當環(huán)境溫度一旦發(fā)生很低的變化時，就會對變色產(chǎn)生很大的影響，所以在帶有加熱器的反饋電路自主防偽系統(tǒng)中設計了反饋機制，加入一個比例積分分化傳感器檢測外界溫度改變了多少，以匹配局部背景顏色?！?/p>

該研究主要選擇25.5攝氏度～36攝氏度這個溫度范圍，來實現(xiàn)紅、綠、藍的顏色改變，比如目前的狀態(tài)為紅色，外界環(huán)境一旦超過25.5攝氏度，那么熱致變色材料的顏色就會發(fā)生變化，從而無法與局部背景匹配。

溫度的反饋對于冰塊所帶的擾動進行調節(jié)，使得原來棲息地的顏色保持不變，當變色龍模型分別在R、G和B3個不同棲息地移動時，人工偽裝就被瞬時激活。

該研究成果在人工偽裝方面取得了一定的進步，但在改善隱藏方面有一定的局限性，因為只有少數(shù)像素具有清晰的邊界。

再比如，在一個有花草的現(xiàn)實環(huán)境中進行隱身，可以達到和綠色植被比較貼近的效果，假如從綠草移到紅花上面，雖然沒必要和背景完全匹配，但只擋住紅花的一半，另一半還顯示綠色，一眼就能讓別人發(fā)現(xiàn)，在這種復雜的場景下如何有效防偽是一個很大的挑戰(zhàn)，這是該研究成果有待提升的點。

人工變色龍防偽技術未來落地情況取決于具體應用場景

變色龍

“該技術在軍事隱身方面有較大的應用價值，但該技術并不局限在軍事上，我認為這是他們的一個引出例子，其實在軍事應用中加熱耗能、精度有限等問題并未解決，在叢林中這個局限性更大，因為熱成像儀很可能在夜晚可見光或光線不好的情況下才使用，軍隊在白天大部分時候不太會需要，但該技術在光學上的偽裝仍具有很大價值。”程寰宇表示。

因此，人工變色龍防偽技術在落地方面臨一定的挑戰(zhàn)，最主要的還是取決于該技術落地時的應用場景。此外，該技術也存在一定局限性，它只能在一些棲息地變化不太大的情況下，用少量的像素來實現(xiàn)偽裝，所以使用者需要對這個應用場景有相對較好的把握。

程寰宇表示：“一些較為復雜的研究在商業(yè)化方面并不適合，因為頭部公司擁有豐富的資源，通常情況下不會直接采購一個全新的技術，而初創(chuàng)公司雖有這方面的采購意向，但他們并沒有那么多的流動資金，采購一個高成本的技術不太現(xiàn)實?！保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚ň庉?費勒萌）