Робохамелеона замаскували рідкими кристалами

Корейські інженери розробили камуфляжне покриття, колір якого можна змінювати, підлаштовуючи під навколишній фон на зразок того, як це роблять деякі тварини, наприклад каракатиці, восьминоги і хамелеони. Багатошарове камуфляжне покриття складається з шару термохромних рідких кристалів, колір яких залежить від температури, і декількох вертикально інтегрованих шарів з нагрівальними елементами зі срібної нанопроволоки, які формують камуфляжні візерунки різної форми. Для демонстрації інженери побудували робохамелеона, на тілі якого розмістили сім сегментів з камуфляжним покриттям. Кожен сегмент здатний змінювати свій колір незалежно від інших у реальному часі згідно з кольором фону поверхні, по якій рухається робот у цей момент. Крім військової області, система камуфляжу також може знайти застосування в архітектурі, мистецтві, для створення одягу і товарів для полювання, йдеться в роботі, опублікованій в журналі

Інженери давно працюють над створенням технології активного камуфляжу, який би дозволив маскувати об'єкти, змінюючи їх забарвлення в реальному часі відповідно до навколишнього фону. У природі подібною здатністю володіють деякі тварини, наприклад, восьминоги, каракатиці і хамелеони, які змінюють забарвлення свого тіла для маскування або комунікації завдяки особливим клітинам шкіри, що містять кілька різних пігментів.

Незважаючи на те, що на сьогоднішній день немає єдиного підходу до створення пристроїв активного маскування, вважається, що така система, що працює у видимому діапазоні хвиль, повинна вміти не тільки відображати колір навколишнього тла, дозволяючи маскованому об'єкту візуально зливатися з ним, але також володіти можливістю демонструвати візерунки і колірні патерни для отримання так званого розчленованого або дизруптивного забарвлення, яка за рахунок контрастних смуг і плям розбиває спостережувані контури об'єкта на окремі ділянки і перешкоджає правильному сприйняттю його форми. Крім цього, система повинна мати гнучкість і механічну міцність, що важливо для створення повноцінного носимого пристрою маскування.

На основі цих уявлень корейські інженери під керівництвом Сон Хван Ко (Seung Hwan Ko) з Сеульського національного університету розробили прототип системи штучного активного камуфляжу і оснастили їм невеликого крокуючого м'якого робота, що імітує хамелеона. Система, названа «штучною шкірою хамелеона», складається з окремих гнучких багатошарових пластин-модулів, здатних змінювати свій колір і демонструвати кольорові візерунки.

Як підкладку в них використовується прозорий полімер поліімід, на який напилюються наночастинки срібла, що грають роль електродів, і нагрівальний елемент із срібної нанопроволоки, за допомогою якої можна сформувати будь-який необхідний візерунок. Ця конструкція покривається ще одним шаром прозорого полімеру, поверх якого наноситься шар чорних чорнил і покриття з термохромних рідких кристалів. Кількість шарів з нагрівальними елементами, що формують візерунки різних форм, може змінюватися. Загальна товщина пристрою з одним нагрівальним шаром дорівнює приблизно 30 мікрометрам, при цьому товщина нагрівального шару становить всього близько 100 нанометрів.

Інженери використовували холестеричні рідкі кристали, молекули в яких розташовуються шарами, причому в межах кожного окремого шару вони мають тенденцію вибудовуватися вздовж деякого загального напрямку. При переході на наступний шар цей напрямок зсувається на невеликий кут відносно попереднього шару, в результаті чого утворюється спіральна структура, яка при освітленні білим світлом веде себе подібно до дифракційної решітки, селективно відображаючи світло певної довжини хвилі. Зміна кроку спіралі, наприклад коливання температури, призводить до зміни довжини хвилі відбивного світла, а значить і кольору кристалів.

Таким чином, керуючи за допомогою напруги температурою електричних нагрівачів із срібної нанопроволоки, розташованих на нижньому шарі пристрою, можна керувати кольором зовнішнього покриття з рідких кристалів. Колір змінюється лише в області нагрівання, повторюючи контури нагрівального елемента. Тому, комбінуючи кілька інтегрованих вертикально шарів з нагрівачами, що формують різні візерунки - суцільна заливка, прямі і хвилясті лінії, точки - можна отримувати складні колірні патерни.

З вимкненими нагрівачами пристрій залишається темним при температурі навколишнього повітря 20 градусів Цельсія. Підвищення напруги на нагрівачах призводить до плавного нагріву та зміни кольору поверхні від червоного відтінку до синього. При температурах 25,5, 28 і 36 градусів рідкі кристали фарбуються в три основних кольори: червоний, зелений і синій. При цьому пристрій досить економічний і одного елемента живлення типу АА ємністю 2500 міліампер-годину і напругою 1,2 Вольт достатньо для підтримки синього відтінку пристрою площею 100 квадратних сантиметрів протягом 92 хвилин.

Щоб уникнути небажаних змін кольору при коливаннях температури навколишнього середовища використовується система управління нагрівом зі зворотним зв'язком, що використовує як параметр температурний коефіцієнт опору нагрівача. Для видалення кольору навколишнього фону застосовуються датчики кольору.

Щоб продемонструвати технологію в дії, інженери виготовили невеликого крокуючого робота-хамелеона, тіло якого покрите сімома окремими камуфляжними сегментами. Кожен з сегментів виступає як один великий піксель, який здатний змінювати свій колір відповідно до кольору поверхні, по якій рухається робот, причому зміна кольору відбувається в режимі реального часу незалежно від інших сегментів. Крім суцільного кольору кожен сегмент також може відображати колірний візерунок, що нагадує візерунки на тілі справжнього хамелеону.

Автори роботи зазначають, що пристрій втрачає свою ефективність, коли температура навколишнього середовища знаходиться в зоні робочих температур рідкокристалічного шару. Однак цього можна уникнути, якщо застосовувати рідкі кристали з іншим діапазоном робочих температур, що відповідає передбачуваному рівню температури навколишнього середовища, або використовувати як нагрівальні елементи термоелектричні пристрої з можливістю охолодження.

Крім цього, можна відзначити, що система здатна демонструвати тільки обмежений набір заздалегідь заготовлених колірних патри, відповідних набору шарів з нагрівальними елементами, хоча цього повинно бути достатньо для більшості випадків можливого застосування. До переваг створеної системи штучного камуфляжу можна віднести простоту, високу швидкість роботи, а також механічну міцність і гнучкість, що дає можливість використовувати її в майбутньому для створення носимого камуфляжного пристрою. Крім цього розробка може знайти застосування в індустрії моди, архітектурі та мистецтві. Надалі інженери планують удосконалити систему розпізнавання кольорів навколишнього фону, застосувавши для цих цілей більш ефективні методи обробки сигналів та аналізу даних.

Навіть якщо камуфляжне забарвлення дозволяє замаскувати об'єкт у видимому діапазоні, він може залишатися помітним в інфрачервоному діапазоні хвиль за рахунок свого теплового випромінювання. Американські і сінгапурські інженери розробили прототип активного теплової камуфляжу на основі термоелектричних панелей, який підлаштовує свою температуру під температуру навколишніх об'єктів.