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“人工僞裝技術”不同的是，其利用溫度來調節仿生變色龍顔色，可簡單實現熱緻變色功能，在變色系統中加入一個具備負反饋調節的傳感器來避免溫度受外界環境的影響，即可确保“變色”更加穩定。

圖｜變色龍軟體機器人變色實驗圖（來源：Nature Communications）

将變色龍與自然顔色瞬間匹配，這為下一代“人工僞裝”提供了一種令人興奮的解決思路，人工僞裝技術不僅在軍事應用中頗受青睐，在建築、藝術、時尚和戶外活動等領域也頗受關注。8 月 10 日，相關論文以《仿生變色龍軟體機器人具有人工隐型和破壞性有色皮膚》（Biomimetic chameleon soft robot with artificial crypsis and disruptive coloration skin）為題發表在 Nature Communications 上。

圖｜相關論文（來源：Nature Communications）

在大自然中，為了躲避天敵和自然環境的入侵，許多動物都有獨特的“僞裝”技能，如拟态、保護色等，不得不說變色龍是一種非常高明的僞裝“專家”。受變色龍僞裝技能的啟發，人類研究出許多人工防僞技術，“軍事僞裝”是頗為經典的應用。

然而，完整人工防僞技術的突破依然困難重重，尤其通過高分辨率僞裝模式，實現更前沿更自然地僞裝仍是一項挑戰極大的工作。

主要有三方面的原因：

一是人工僞裝與變色龍的内在機理不一緻，在 RGB 可見光的範圍内，使用人工僞裝的主導技術尚未完全确立；

二是主動型檢索和相鄰顔色所需的傳感器、控制電路和高分辨率人工僞裝設備等導緻系統複雜性增加；

三是在僞裝性能方面，變色龍微栖息地的模拟及信息傳遞對其更自然的隐藏至關重要。

賓夕法尼亞州立大學助理教授程寰宇向 DeepTech 表示，“之前很多研究文章都是關于大的陣列密度來實現變色和環境整合，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顔色。

該研究最主要的亮點之一，是對像素與像素結合的現象做了前期調研，變色龍在某些栖息地時，外界溫度變化并沒有設想中那麼多，很可能隻有幾個特定改變。如果變色龍隻有幾處栖息地，那麼它身體的變色隻需要很簡單的幾個像素即可實現。”

圖｜程寰宇（來源：受訪者）

從特定物種的多态性進化現象來看，任意圖像的顯示對受限栖息地的僞裝應用都是多餘的

因此，該團隊構建了一種豎直加熱器，用激光圖案選定栖息地後，通過疊加多層銀納米線加熱器（Silver Nanowire Heaters），不同加熱器産生的溫度分布疊加在最外層的熱緻變色油墨層（thermochromic liquid crystal，TLC），使背景顔色與環境表達同時匹配。

最後，通過相應策略消除像素之間的死角，從而在輔助色彩出現較大變化時，即可實現連續過渡，借此降低系統的整體複雜性，最終實現更加自然的僞裝。

熱緻變色材料，在很小的溫度變化範圍内就能實現紅、綠、藍這三種顔色的變化。從經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，将變色龍皮膚上的加熱器激活之後，TLC 在可見區域可呈現出鮮豔的色彩，反射光譜可以在較寬的可見光譜範圍内操縱。

TLC 層的溫度決定了人工變色龍皮膚的反射光譜，在 CIE 1931 的坐标圖中，将 25.5℃、28℃ 和 36℃ 對應的三個點作為代表性的 RGB 顔色，在現有條件下維持藍色，單個商用電池可以在 100 cm^2 的區域主動僞裝 92 分鐘。根據變色龍模型的形狀，該團隊準備了範圍從 21.96 cm^2 到 67.2 cm^2 不等的 7 個不同的斑塊，來完全覆蓋人工變色龍外觀。

圖｜具有 RGB 着色的人工變色龍圖案（來源：Nature Communications）

程寰宇向 DeepTech 表示：“該團隊使用的熱緻變色材料，在很小的溫度變化範圍内就能實現紅、綠、藍這三種顔色的變化。另外垂直堆疊的加熱器可以實現可控多态、高度降低複雜性的關鍵功能，帶有銀納米線加熱層的人工變色龍具有明顯的鴕鳥圖案，這三層圖案分别是鴕鳥站起來、頭往中間移動和頭低下去。”

圖｜帶有多層鴕鳥圖案的人造變色龍皮（ATACS，Artificial Chameleon Skin）（來源：Nature Communications）

這三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顔色一一對應，比如第一層加熱到紅色對應的溫度，就産生了紅色鴕鳥直立的圖片，第二層實現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很高密度的陣列，然後形成對應的圖案，這就會造成一些所謂的死角，這個地方沒有顔色，因而産生的效果不太好。

而垂直堆疊是直接在每一層垂直的加熱器裡直接引帶的圖案，進而熱緻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。”

即使具有主動動态僞裝功能的物種，其可表達的僞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。

人工僞裝與現實生活中的物種僞裝相似，也是分步驟完成的，人工僞裝涉及背景顔色檢驗及匹配表面顔色傳遞的整個過程。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僞裝模型。

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，而是從顔色傳感器測量的 RGB 強度獲取每個像素的局部顔色，通過紅、綠、藍的強度就能知道外界顔色分别是什麼，然後把紅、綠、藍顔色強度輸入到系統裡面，系統有了這個輸入，就可以對應地控制溫度，實現紅、綠、藍顔色的生成。

程寰宇向 DeepTech 表示，“在顔色實現的過程中，加熱器的應用比較關鍵，但溫度比加熱器的應用還要關鍵，因為溫度對顔色的調節具有一一對應的關系，并且顔色對溫度的變化非常敏感，當環境溫度一旦發生很低的變化時，就會對變色産生很大的影響，所以在帶有加熱器的反饋電路自主防僞系統中設計了反饋機制，加入一個比例積分分化（PID，Proportion Integration Differentiation ）傳感器檢測外界溫度改變了多少，以匹配局部背景顔色。”

圖｜帶有加熱器反饋控制邏輯電路的自主僞裝系統原理（來源：Nature Communications）

該研究主要選擇 25.5℃ - 36℃ 這個溫度範圍，來實現紅、綠、藍的顔色改變，比如目前的狀态為紅色，外界環境一旦超過 25.5℃，那麼熱緻變色材料的顔色就會發生變化，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，使得原來栖息地的顔色保持不變，當變色龍模型分别在 R、G 和 B 三個不同栖息地移動時，人工僞裝就被瞬時激活。

圖｜變色龍軟體機器人瞬時隐形（來源：Nature Communications）

該研究成果在人工僞裝方面取得了一定的進步，但在改善隐藏方面有一定的局限性，因為隻有少數像素具有清晰的邊界。

再比如，在一個有花草的現實環境中進行隐身，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，但隻擋住紅花的一半，另一半還顯示綠色，一眼就能讓别人發現，在這種複雜的場景下如何有效防僞是一個很大的挑戰，這是該研究成果有待提升的點。

“該技術在軍事隐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僞裝仍具有很大價值。” 程寰宇向 DeepTech 表示。

圖｜變色龍（來源：Pixabay）

因此，人工變色龍防僞技術在落地方面臨一定的挑戰，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，它隻能在一些栖息地變化不太大的情況下，用少量的像素來實現僞裝，所以使用者需要對這個應用場景有相對較好的把握。

程寰宇向 DeepTech 表示：“一些較為複雜的研究在商業化方面并不适合，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，而初創公司雖有這方面的采購意向，但他們并沒有那麼多的流動資金，采購一個高成本的技術不太現實。”

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