Робохамелеона замаскировали жидкими кристаллами

Корейские инженеры разработали камуфляжное покрытие, цвет которого можно изменять, подстраивая под окружающий фон наподобие того, как это делают некоторые животные, например каракатицы, осьминоги и хамелеоны. Многослойное камуфляжное покрытие состоит из слоя термохромных жидких кристаллов, цвет которых зависит от температуры, и нескольких вертикально интегрированных слоев с нагревательными элементами из серебряной нанопроволоки, которые формируют камуфляжные узоры разной формы. Для демонстрации инженеры построили робохамелеона, на теле которого разместили семь сегментов с камуфляжным покрытием. Каждый сегмент способен изменять свой цвет независимо от остальных в реальном времени согласно цвету фона поверхности, по которой двигается робот в этот момент. Помимо военной области, система камуфляжа также может найти применение в архитектуре, искусстве, для создания одежды и товаров для охоты, говорится в работе, опубликованной в журнале Nature Communications.

Инженеры давно работают над созданием технологии активного камуфляжа, который бы позволил маскировать объекты, изменяя их окраску в реальном времени в соответствии с окружающим фоном. В природе подобной способностью обладают некоторые животные, например, осьминоги, каракатицы и хамелеоны, которые изменяют окраску своего тела для маскировки или коммуникации благодаря особым клеткам кожи, содержащим несколько различных пигментов.

Несмотря на то, что на сегодняшний день нет единого подхода к созданию устройств активной маскировки, считается, что такая система, работающая в видимом диапазоне волн, должна уметь не только отображать цвет окружающего фона, позволяя маскируемому объекту визуально сливаться с ним, но также обладать возможностью демонстрировать узоры и цветовые паттерны для получения так называемой расчленяющей или дизруптивной окраски, которая за счет контрастных полос и пятен разбивает наблюдаемые контуры объекта на отдельные участки и препятствует правильному восприятию его формы. Помимо этого, система должна обладать гибкостью и механической прочностью, что важно для создания полноценного носимого устройства маскировки.

На основе этих представлений корейские инженеры под руководством Сон Хван Ко (Seung Hwan Ko) из Сеульского национального университета разработали прототип системы искусственного активного камуфляжа и оснастили им небольшого шагающего мягкого робота, имитирующего хамелеона. Система, названная «искусственной кожей хамелеона», состоит из отдельных гибких многослойных пластин-модулей, способных изменять свой цвет и демонстрировать цветные узоры.

В качестве подложки в них используется прозрачный полимер полиимид, на который напыляются наночастицы серебра, играющие роль электродов, и нагревательный элемент из серебрянной нанопроволоки, с помощью которой можно сформировать любой необходимый узор. Эта конструкция покрывается еще одним слоем прозрачного полимера, поверх которого наносится слой черных чернил и покрытие из термохромных жидких кристаллов. Количество слоев с нагревательными элементами, формирующими узоры разных форм, может варьироваться. Общая толщина устройства с одним нагревательным слоем равна примерно 30 микрометрам, при этом толщина нагревательного слоя составляет всего около 100 нанометров.

Инженеры использовали холестерические жидкие кристаллы, молекулы в которых располагаются слоями, причем в пределах каждого отдельного слоя они имеют тенденцию выстраиваться вдоль некоторого общего направления. При переходе на следующий слой это направление сдвигается на небольшой угол относительно предыдущего слоя, в результате чего образуется спиральная структура, которая при освещении белым светом ведет себя подобно дифракционной решетке, селективно отражая свет определенной длины волны. Изменение шага спирали, например при колебаниях температуры, приводит к изменению длины волны отражаемого света, а значит и цвета кристаллов.

Таким образом, управляя с помощью напряжения температурой электрических нагревателей из серебрянной нанопроволоки, расположенных на нижнем слое устройства, можно управлять цветом внешнего покрытия из жидких кристаллов. При этом цвет изменяется только в области нагрева, повторяя контуры нагревательного элемента. Поэтому, комбинируя несколько интегрированных вертикально слоев с нагревателями, формирующими разные узоры — сплошная заливка, прямые и волнистые линии, точки — можно получать сложные цветовые паттерны.

С выключенными нагревателями устройство остается темным при температуре окружающего воздуха 20 градусов Цельсия. Повышение напряжения на нагревателях приводит к плавному нагреву и изменению цвета поверхности от красного оттенка к синему. При температурах 25,5, 28 и 36 градусов жидкие кристаллы окрашиваются в три основных цвета: красный, зеленый и синий. При этом устройство довольно экономично и одного элемента питания типа АА емкостью 2500 миллиампер-час и напряжением 1,2 Вольт достаточно для поддержания синего оттенка устройства площадью 100 квадратных сантиметров в течение 92 минут.

Для того чтобы избежать нежелательных изменений цвета при колебаниях температуры окружающей среды используется система управления нагревом с обратной связью, использующая в качестве параметра температурный коэффициент сопротивления нагревателя. Для считывания цвета окружающего фона применяются датчики цвета.

Чтобы продемонстрировать технологию в действии, инженеры изготовили небольшого шагающего робота-хамелеона, тело которого покрыто семью отдельными камуфляжными сегментами. Каждый из сегментов выступает как один большой пиксель, который способен изменять свой цвет в соответствии с цветом поверхности, по которой движется робот, причем изменение цвета происходит в режиме реального времени независимо от остальных сегментов. Кроме сплошного цвета каждый сегмент также может отображать цветовой узор, напоминающий узоры на теле настоящего хамелеона.

Авторы работы отмечают, что устройство теряет свою эффективность, когда температура окружающей среды находится в зоне рабочих температур жидкокристаллического слоя. Однако этого можно избежать, если применять жидкие кристаллы с другим диапазоном рабочих температур, соответствующим предполагаемому уровню температуры окружающей среды, или использовать в качестве нагревательных элементов термоэлектрические устройства с возможностью охлаждения.

Кроме этого, можно отметить, что система способна демонстрировать только ограниченный набор заранее заготовленных цветовых паттернов, соответствующих набору слоев с нагревательными элементами, хотя этого должно быть достаточно для большинства случаев возможного применения. К преимуществам созданной системы искусственного камуфляжа можно отнести простоту, высокую скорость работы, а также механическую прочность и гибкость, что дает возможность использовать ее в будущем для создания носимого камуфляжного устройства. Кроме этого разработка может найти применение в индустрии моды, архитектуре и искусстве. В дальнейшем инженеры планируют усовершенствовать систему распознавания цветов окружающего фона, применив для этих целей более эффективные методы обработки сигналов и анализа данных.

Даже если камуфляжная окраска позволяет замаскировать объект в видимом диапазоне, он может оставаться заметным в инфракрасном диапазоне волн за счет своего теплового излучения. Американские и сингапурские инженеры разработали прототип активного тепловой камуфляжа на основе термоэлектрических панелей, который подстраивает свою температуру под температуру окружающих объектов.

Андрей Фокин