可伸缩材料在生产生活中的应用越来越广泛,但是我们好像还无法控制比气球膨胀更复杂的材料变形。
但在自然界,有些物种却做得很好,比如很多头足类动物(如海里的软氏三雄:章鱼、墨鱼与鱿鱼)就可以毫秒为单位让皮肤产生分层,借此达到伪装的目的。
受头足类动物肌肉形态和皮肤结构的启发,康乃尔大学的研究人员最近开发了一款能让机器人达到隐身的新“皮肤”,其纹理可与背景环境完美融合。不过目前这套“皮肤”纹理现在还只能按照研究人员提前设定的图案显示,比如凸起的岩石或类似高丽菜的多肉植物等。
▲ 充气版多肉高丽菜。(Source:Video by JH Pikul et al., Science (2017))
具体来说,研究人员的灵感来自章鱼,这种黏稠的生物简直就是机器人工程师创新的缪斯,因为章鱼是自然界名副其实的伪装大师。某些种类的章鱼可以改变肤色,还有一些透过控制小肌肉群来快速改变皮肤纹理(形成隆起或褶皱)。
利用对章鱼的观察,研究团队成员 Pikul 等人将硅树脂倒入模具,形成与皮肤类似的材质,之后在上层放置一个固定长度的纤维网用来模拟肌肉组织;接着他们按照设定好的图案用激光切割网格(清除网状物以添加硅胶),并在上面浇筑更多有机弹性硅胶,之后整个东西变干并形成三明治结构。
简单来理解这个三明治结构,从下到上材料依次是:硅树脂、弹性硅胶和纤维网。纤维网做为局部结缔组织有纤维增强的作用,提供中心轴力学并控制 3D 形状。而弹性硅胶为可伸展的软组织,可垂直于合成皮肤表面伸缩。
▲ 黑色部分是嵌入式网格,透明区域是被切割的位置,让硅树脂可以自由膨胀。(Source:康乃尔大学)
当研究人员充气合成皮肤时,可从二维(2D)可伸缩表面转换为 3D 形状,并膨胀到其目标形状的 10% 那么大。
然后,研究人员将纤维网刷成灰色,并按照石头的图案把多余网状物切除,之后将硅胶注进模型,得到一块类似“岩石”的皮肤。他们还画出一绿色植物图案,看起来就像高丽菜的多肉植物。
目前,这款皮肤的局限是研究人员必须预先规划好想要的物体模型,这在某种程度上限制了机器人的隐身能力。但研究团队在论文的最后写道:“未来或许可以透过向上或向下拨动网格模型的刚度来改变图案,继而改变硅树脂的形状。”
有了这套皮肤,下一代软件机器人可在 2D 与 3D 间轻松切换。未来,类似这种根据设定的图案伪装的“皮肤”可用于机器人隐形,也可用来窥探动物行为以利学术研究,或者用于隐密的军事侦查等。
(本文由 36Kr 授权转载;首图来源:影片截图)