上海交大团队开发视觉伪装系统:可应用于生态监测等方面

2022-06-20 07:00:24

伪装在自然界中常见,比如章鱼、鱿鱼等头足类动物和变色龙之类的爬行动物,它们通过皮肤下肌肉驱动的色素细胞和虹色细胞实现变色,从而使其外观与周围环境相匹配、躲避追捕。受变色动物的启发,上海交通大学化学化工学院印杰-姜学松教授课题组开发了一种光驱动的适应性视觉伪装系统,利用褶皱实现伪装、暴露两种状态之间的切换。论文第一作者、上海交通大学博士生马天骄对澎湃新闻(WWW.THEPAPER.CN)记者表示,他们已经实现了在不同波长驱动的绿叶和枯叶背景下的伪装、红外光驱动的无序图案背景下的伪装、日光下黑色背景下的伪装,以及透明材料在任意背景下的伪装。“具体应用到生活中可能还有很长的路要走。可能会应用到军事伪装(避免军事目标被敌人发现而减少损伤)、生态监测(使设备融入环境,而不惊扰生物生存)等方面。”马天骄表示。相关研究11月30日发表在《美国科学院院报》上,论文标题为“LIGHT-DRIVENDYNAMICSURFACEWRINKLESFORADAPTIVEVISIBLECAMOUFLAGE”(用于自适应可见伪装的光驱动动态表面褶皱)。如今,配置简单、用户友好、稳定、低成本和节能的伪装方法的需求日益增加。目前,科学家们已经开发了可见光和红外伪装等伪装技术,能够隐藏光、电磁、声音或热信号。不过,大多数现有伪装材料以主动形式工作,需要额外的机械刺激、电刺激甚至外部传感器。这就会增加设计的复杂性,可能让伪装系统的外观看起来笨拙,而且高压电源会增加能耗。因此,开发具有色彩多样性、原位动态特性和高能效的伪装策略具有必要性。此项研究中,研究者展示了使用光驱动动态表面褶皱的自适应可见伪装的可行策略。“褶皱图案在生活中很常见,比如干瘪的苹果皮,人脸上的皱纹,泡胀的手指表面等,而我们研究的是尺度在微纳米级别的表面褶皱图案。”马天骄介绍道。这种广泛存在的微纳米级的表面褶皱能够控制光传播,包括光的反射、吸收和散射,从而可以调整观察者或检测设备的所接收的光信号。“关于褶皱图案的研究,基于线性屈服理论,前人提出了双层褶皱模型。”马天骄解释道,这是指一个软而厚的基底加上硬而薄的表层,通过加热-冷却,溶胀-干燥,拉伸-释放等过程,体系内表层与底层存在应力不匹配,体系为了使能量最低、最稳定,便自发形成褶皱。“变色龙等动物表皮有色素细胞和虹色细胞两种,所以它们的伪装是由色素色与结构色两种共同导致的。受它们启发,我们的双层褶皱模型中,基底混合的染料提供本征色,而表面薄膜干涉提供结构色,这与变色龙的表皮颜色原理比较类似。因而我们猜想:是否也可以实现类似于章鱼、变色龙之类的伪装效果。”马天骄表示。他们设计了一种双层系统,其中基底由含有颜料的聚二甲基硅氧烷(颜料-PDMS)组成,可吸收和反射特定波长的可见光,显示出类似色素的特定颜色。而刚性表层则是一个含蒽共聚物(PAN)的薄膜。该系统如何实现视觉伪装?在起皱状态下,褶皱结构引起强烈的光散射,观察者能看到表层的干涉色和的基底颜色;而随着光线照射,颜料-PDMS的光热效应引起的热膨胀消除了褶皱,即褶皱变平滑,观察者只能看到基底颜色(该颜色被选择为与背景一致)。简而言之,若无光的照射,该表面呈现与背景不同的曝光状态;若有光的照射,则切换至与周围环境相似的伪装状态。研究者表示,该系统无需任何外部传感器和额外刺激,可在自然条件下实现完全自适应伪装。因此,该研究为具有色彩多样性的自适应可见伪装提供了一种低成本、易于配置、易于操作且有效的策略。这种光驱动的动态表面皱纹可以是一个动态平台,可能在智能显示、信息存储和防伪等方面具有潜在应用。马天骄表示,由于表面微观图案与宏观图案可在光刺激下改变,因此能实现智能显示;由于褶皱具有类似指纹的独特细节,可应用到防伪中,而光驱动的动态褶皱的动态特性,则能进一步增强防伪的安全性,也可以用于信息存储,增大存储容量。不过,他也认为短期内不太可能实际应用,因为目前还有很多问题要解决。“由于我们利用的是光热效应带来的图案变化,该体系会升温(虽然温度不高),这尚未得到很好的解决;再如,双层体系的机械性能不够稳定,关于这点我们已经成功制备了许多单层褶皱,它们非常稳定,但尚未应用到伪装领域。”据马天骄介绍,这项研究约用了3年时间。他们很早就设计了多种波长响应的褶皱图案,后来约花两年时间探索在不同背景、不同光驱动的伪装效果。“我们最开始只是设计了一种多种波长响应的褶皱图案。后来,我们一直探索褶皱在光学上的应用,因为它对光的散射或衍射都有很奇妙的性能。伪装是光学应用的一种。”“后来,受一篇《科学》(SCIENCE)论文启发,其利用褶皱对红外光的调控实现了红外伪装。我们想,褶皱对可见光也有很强的调节作用,能不能实现可见光伪装,这相比于红外伪装也有很重要的意义。因而,我们开始探索褶皱图案在可见光伪装方面的应用。”装修效果图案例