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26岁上海交大青年研发仿生迷彩材料,有望用于战时装备与人员保护

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DeepTech深科技 2021-11-24 20:33

“真的是拍得我汗流浃背,” 26 岁的上海交大博士生马天骄回忆称。

2020 年的上海盛夏,他蹲在烈日下和树荫下去拍摄伪装效果。有时条件不好把握,拍摄出的效果总是不太好,前后大概摸索了一俩月。

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图 | 马天骄(来源:马天骄)

这些汗水没白流,11 月 22 日,其担任一作的论文以《光驱动的动态表面褶皱,应用于自适应的可见光伪装》(Light-driven dynamic surface wrinkles for adaptive visible camouflage)为题发表在 PNAS 上,他的导师姜学松教授担任通讯作者[1]。

研究中,他设计出一种新型伪装技术,仅使用光即可改变一个人的外貌。通过借鉴头足类动物的生物学并借助彩色薄膜,这种光驱动技术可产生褶皱,从而实现散射颜色信息。目前,它已实现对多种动物的伪装,比如伪装虫子和蝴蝶。

(来源:PNAS)

给点阳光,就能工作

在自然世界,很多动物都具备伪装技能。鱿鱼把身体颜色变为海底的颜色,以避免成为其他动物的嘴下猎物。变色龙则更强大,一天之内可连续几次变色,其主要依靠色素细胞和虹色细胞这两种细胞的变色来进行伪装。

但是,人类在伪装艺术并不是很有天赋。比如,一个隐秘的野生动物摄影师固然可以穿上绿棕色的斑点夹克,但仍然无法像鱿鱼或章鱼那样灵活。

从外表模仿学到精髓,是否可以从变色动物的生物原理上进行模仿?

(来源:PNAS)

基于此,该研究中使用的褶皱图案,也借鉴了变色龙的颜色原理,这种图案也有一个基底和表层结构色,两者结合之后即可进行颜色上的伪装。

由于动态表面褶皱可让材料按需控制反射光信号,并可提供自适应形式的伪装。因此马天骄在研究中,展示了一种基于光驱动的动态表面褶皱的自适应可见伪装策略。

迄今为止,已经报道了许多自适应伪装材料和系统,因此设计伪装技术并不是一个新想法,而该研究的与众不同之处,在于低成本的技术。大多数动态伪装系统都以主动形式工作,同时需要额外机械或电刺激,有时甚至需要外部传感器,这些要求增加了设计的复杂性和质量,做出来的设备也比较笨拙。

(来源:PNAS)

此外,高电源电压会增加能源耗用。如果使用透明材料,仍旧需要外部能源进行光驱动。而该团队的技术无需依赖额外的电源或传感器,只需使用阳光即可工作,即依靠自然光作为驱动力。

马天骄表示,之前的伪装类研究大多采用主动式控制。而该研究采用的技术手段比较新颖,即采用了被动式控制。

他所在的课题组主要是研究褶皱,受到相关启发之后,他发现褶皱图案可用于伪装领域。

在此之前,该团队就做出了依靠光驱动的褶皱图案,但一直没有跟伪装联系起来。后来受到自然界的启发,联想到褶皱图案也可用于光学领域。同时也注意到,通过褶皱图案可对红外信号进行调控。于是,马天骄开始思考,这个图案是否也能对可见光信号进行调控?

接下来,他开始探索在伪装方面的应用,并开始研究不同条件下的伪装。一开始使用比较简单的背景比如黑色,后来丰富到其他背景例如绿色等。再后来丰富到在太阳光下的伪装,最后丰富到可在透明环境在内的任何条件下的伪装。

两种 “双层结构”

具体来说,他使用一个包含蒽共聚物(PAN)和含色素的聚二甲基硅氧烷(色素-PDMS)的双层系统。

在该系统中,光热效应诱导的色素-PDMS的热膨胀可以消除褶皱,而多波长光驱动的动态表面褶皱则能调节光的散射、以及蒽共聚物薄膜干涉颜色的可见性。

据介绍,马天骄捕捉到的颜色,可在与背景不同的曝光状态、以及与周围环境相似的伪装状态之间切换。这类面向自适应可见伪装的双层褶皱系统,不仅配置简单,而且操作方便、用途广泛,且具有没有任何外部传感器和额外刺激的原位动态特性。

(来源:PNAS)

为了更好地显示这种伪装技术制备出的动物般的 “皮肤”,它制备了一种双层结构:刚性聚合物薄膜、以及混合颜料的软基材层。

材料的每一层都有不同的热膨胀率。一层注入混合颜色的颜料,另一层与背景颜色相同。当材料冷却时,各层具有不同的收缩应力,从而在表面形成细小的皱纹和折痕。照射在表面上的光线使这些层升温,使它们以不同的速度膨胀,并使两种材料再次变得光滑。

创建和消除这些皱纹可以控制任何颜色反射光的可见性:在起皱状态下,反射出明亮颜色的混合光谱,但当材料变平滑时,反射的颜色与背景相匹配,材料中的任何包层都会被伪装。

(来源:PNAS)

当受到光波撞击时,这种柔软的有色层会膨胀和收缩,而这两层状态之间的“不匹配”会在皮肤上产生可逆的皱纹。其中涉及到散射光的科学原理,它能决定皮肤是彩色还是隐藏。

当所有的东西都皱缩起来时,他发现光线强烈地从表面散射出来,这可能是因为表面有更高的粗糙度可以散射,这和切割玻璃的光散射是同样道理。在这种皱纹状态下,皮肤呈现出鲜艳的色彩。然而,当皱纹变平时,皮肤反而呈现出周围环境的颜色,这意味着伪装十分有效。

概括来说,在没有任何外部传感器和额外刺激的被动控制下,该材料表现出了原位动态特性,甚至可在自然条件下实现完全的适应性伪装。因此,该研究提供了一种低成本、配置简单、易于操作、有效的适应性可见伪装的策略。

(来源:PNAS)

更 “亲民” 的应用:检测动物生活状态

马天骄表示,研究中无时无刻不在克服困难,一开始染料和背景很难匹配到比较好的状态,只好暂停研究转而学习色彩知识。

再就是做透明条件下的伪装时,一开始很想做但就是做不出来,后来借用其他团队的透明材料,终于达到目的,他表示,这是一种在可见光下透明、同时又可以吸红外光的材料。不过其他材料在造价上都比较低廉,使用的都是市面上能买到的橡胶或塑料。

此外,想要让伪装达到比较好的效果,在染料用量、褶皱形貌、光的强度、背景、拍照设备等方面,都需要一定时间的摸索。

(来源:PNAS)

目前,这项技术的主要应用是有望为军方开发一种可选择的伪装技术,这有助于减少战斗中的生命损失。伪装使设备或机器人能够无缝融入其环境,以进行有效的环境和物种监测。此外,侦察和反侦察在战场上的目标生存能力方面发挥着重要作用。而伪装有助于军事目标避免被敌人发现,从而减少伤亡。

更“亲民”的应用,是用在动物园或野生动物保护区,去监测动物的生活状态。如果使用更能和自然环境融为一体的设备,那么在监测时就不至于打扰动物。要想具备更好的落地前景,还需解决稳定性,以及避免材料升温等问题。但是,单就依靠外界刺激可以变色这一成果,还可用于智能显示和防伪系统等领域。

下一步,他打算继续在伪装领域探索,还将设法让材料实现不同颜色的变化。目前只是伪装和暴露两种状态之间的切换,如果加一些可变色染料,或者让薄膜厚度可以进行切换,即可实现在不同条件下的环境匹配。

(来源:PNAS)

他认为,该策略有望将热致色颜料和厚度动态可调的薄膜应用到双层体系中,使颜色更丰富,以适应更多的背景。此外,还可以通过波长控制的温度来创建多态颜色,从而实现多态伪装。

接下来,他打算增加这款褶皱皮肤的颜色感知和动态适应性。现在,平面皮肤默认的背景颜色是预先编程好的,为的是可以匹配周围环境。未来,这项技术或可对周围环境进行智能化颜色匹配。

图 | 马天骄(来源:马天骄)

据介绍,马天骄是河北保定人,生于 1994 年,高中就读于河北衡水高中,通过化学竞赛拿到省一等奖,并被保送至上海交大化学化工学院,后又被保送读直博,博士就读于上海交通大学化学化工学院印杰-姜学松课题组。明年即将毕业,未来仍打算从事科研。

-End-

参考:

1、Tianjiao Ma, Jing Bai, Tiantian Li, Shuai Chen, Xiaodong Ma, Jie Yin, and Xuesong Jiang. Light-driven dynamic surface wrinkles for adaptive visible camouflage. PNAS 2021, 118 (48), e2114345118. https://www.pnas.org/content/118/48/e2114345118

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