Технології
Технології

Робот-хамелеон змінив дорогою три кольори і сховався у траві

Тонкий шар рідких кристалів, що змінюють колір під впливом температури, та датчики кольору змінили забарвлення робота-хамелеона поки він рухався різними поверхнями. Разом з системою керування і своїм сенсорним датчикам робот швидко зчитує навколишні умови та миттєво змінює колір тієї частини тіла, що потрапила на новий колір. Про штучний камуфляж для робота корейські інженери повідомили у Nature Communications.

NPG Press / YouTube

NPG Press / YouTube

Як сховати робота?

Основним принципом маскування можна вважати узгодження власного забарвлення із кольором навколишнього середовища. Причому вашою головною задачею є не стільки підібрати собі необхідний відтінок, скільки спотворити ваші обриси. Тож аби сховатися десь вам варто не просто перефарбуватися, а і зуміти відтворити певний візерунок. На думку дослідників, ідеальним камуфляжем є набір міток, які створюють видимість помилкових меж і перешкоджають розпізнаванню справжніх обрисів і форм об'єкта або його частин. Завдяки збільшенню безперервності між елементами фону і принаймні деякими з маркерів, можливість виявлення обрисів об'єкта стає мінімальною. Але навіть найкраще сконструйований заздалегідь візерунок програє активному камуфляжу, який зможе підлаштовуватися під зовнішні умови.

Домінуючою технологією маскування у видимому спектрі є відображення кольору, аналогічного фону, що налаштовується під час роботи безпосередньо вручну. Але подібні пристрої мають бути гнучкими, механічно міцними, щоб легко покривати об'єкти, не заважати їхньому руху та загалом бути сумісними з навколишніми умовами. Зазвичай окремі пристрої умовно ділять на пікселі, але складність одиничного пристрою буде збільшуватися разом із вашим об'єктом, бо вимагатиме нових датчиків і схем управління на кожний піксель. Втім, для маленьких речей справи не кращі — маскування не буде ефективним, якщо навколишнє середовище не буде монотонним. Поки справжніми професіоналами активного камуфляжу лишаються природні приклади, як-то каракатиці, восьминоги і хамелеони. Останні, наприклад, мають чудову здатність демонструвати складні і швидкі зміни кольору під час соціальних взаємодій. Вважається, що хамелеонам це вдається завдяки дисперсії органел, що містять пігмент, у світловідбиваючих клітинах дерми. Їм вдається змінювати колір за допомогою активного налаштування решітки нанокристалів гуаніну в поверхневому товстому шарі пігментних клітин.

Чим перефарбували робохамелеона?

Як ми вказали раніше, спроби відтворити на собі колір фону за допомогою решітки з окремих пікселів є складним завданням з огляду на необхідність створення індивідуального сенсорного блоку і системи зворотного зв'язку. Але на думку корейських інженерів з Національного університету Сеула, взагалі немає необхідності у тому, щоб точково пробувати підібрати колір. Багато видів і у природі повністю не підлаштовуються під фон, але еволюційно пристосувалися до найтиповіших маркерів їхнього місця проживання. Наприклад, ті ж каракатиці обмежуються пунктирними, краплистими чи смугастими візерунками. Так штучний камуфляж з керованим поліморфізмом, який дає змогу відображати тільки обрані текстури, для окремих середовищ, на думку дослідників є найбільш ефективною стратегією. Тож до каракатиць і до вказаних раніше хамелеонів та їхніх способів ховатися від сторонніх очей, вчені і вирішили звернутися.

Їхня стратегія полягає в об'єднанні термохромних рідкокристалічних чорнил, що можуть проявляти певний колір за певної температури, зі срібними нанодротами, які укладають вертикально у кілька шарів та використовують як нагрівачі. Оскільки спектр відображення термохромних рідких кристалів може контролюватися в широкому діапазоні видимого спектра за досить невеликого діапазону температур. Хоч чутливість до температури дійсно є несприятливою характеристикою, якщо нам необхідна термічна стійкість, але водночас це компактний діапазон вхідних сигналів і низьке енергоспоживання під час роботи, якщо температура точно контролюється. Активний контроль теплового потоку також дозволяє значно скоротити час реакції, щоб бути на одному рівні за швидкістю підлаштування навіть із тваринами. У поєднанні з активною системою управління і сенсорними блоками повна модель робота-хамелеона швидко реагує на локальний колір фону і миттєво зіставляє його із собою. Причому вчені позбулися і впливу температури навколишнього середовища — збільшували потужність пристрою, після охолодження компенсувати втрати тепла і відновити задану температуру.

Що змушує робота червоніти?

Шкіра робохамелеона складається з прозорої підкладки, на яку нанесли електроди з частинок срібла, та срібний нанодріт-нагрівач, з якого сформували однорідний, смугастий, хвилястий візерунки. Все це покривають термохромними рідкокристалічними чорнилами, що завдяки своїй спіральній структурі швидко передають забарвлення всій поверхні під впливом температури. Для більш яскравого відображення кольору між шаром чорнил і нагрівачем розмістили шар чорного забарвлення. За синій, зелений і червоний кольори відповідають температури у 25,5, 28 і 36 градусів Цельсію. Якщо температура поверхні дорівнює температурі навколишнього середовища, хамелеон забарвлюється у чорний колір. Три нагрівачі необхідні, щоб була можливість отримувати візерунки невеликого розміру, а не просто однорідно забарвлювати робота. Активація окремого нагрівача або їхньої комбінації дозволяє не тільки узгодити колір фону (квадратний візерунок) або текстуру (штриховий візерунок), але і обидва одночасно.

Патчі на роботі без впливу температури та можливий візерунок, якщо регулювати роботу нагрівачів. Hyeonseok Kim et al. / Nature Communications, 2021

Патчі на роботі без впливу температури та можливий візерунок, якщо регулювати роботу нагрівачів. Hyeonseok Kim et al. / Nature Communications, 2021

Для підтримки забарвлення робота вченим знадобилася одна батарея ємністю 2500 міліамперів-година та напругою в 1,2 вольта. Цього вистачило для маскування робота покриттям розміром у 100 квадратних сантиметрів протягом 92 хвилин. Колір змінювався менш ніж за 0,6 секунди — майже миттєве для людського ока зрушення. Тож на думку дослідників, їхня розробка підійде не лише роботам, а і одягу для людей, архітектурним задумам та для військових цілей.

Як добре він сховається у кімнаті?

Важливо зазначити, що поки роботу не вдастся сховатися, якщо температура зовні буде близької до робочих температур кристалів. У цій роботі вчені підібрали такі для експериментів у температурному діапазоні від 25,5 до 36 градусів Цельсію, а нагріву від нанодротів вже не вистачає для рівномірного забарвлення робота за температури у мінус 20 градусів. Але діапазон робочих температур термохромних рідкокристалічних чорнил можна змістити від мінус 30 до 115 градусів Цельсію, змінивши їхній хімічний склад. Тож оскільки стратегія вчених полягає у підборі оптимальних параметрів під певне середовище, вони пропонують просто підбирати матеріали різних характеристик залежно від цільового середовища для роботи.

Видимість роботизованого і справжнього хамелеонів у траві. Hyeonseok Kim et al. / Nature Communications, 2021

Видимість роботизованого і справжнього хамелеонів у траві. Hyeonseok Kim et al. / Nature Communications, 2021

Існує величезна кількість стратегій, щоб сховатися від спостерігачів. Наприклад, рябчики Делавея з часом набули камуфляжного забарвлення, щоб ховатися від людей у скелях. Нічні метелики мають акустичний камуфляж, щоб не бути почутими кажанами, а вчені іноді намагаються використати магію поза Гоґвортсом та ракоподібних бокоплавів, щоб створити пристрій, невидимий одночасно у коротко- та довгохвильовому діапазонах.