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本文介绍了一种受生物启发的可重编程化学流体皮肤及基于其设计的软面罩。该软面罩能实现至少 8 种人脸切换，通过化学流体系统和热致变色微胶囊等，实现无声、安全的面部变形和变色，在伪装、人机交互等领域有广阔应用前景。
### 研究背景
人类通过面部进行伪装和表情表达备受关注，如利用面部表情传达情绪、通过妆容或戴面具伪装等。在科幻电影中，动态变脸场景常见，其在军事、舞台表演和日常生活中应用前景广阔。但现实中，人们只能通过一次性的面具、妆容或整容改变外貌，无法实现多次动态变脸。
自然界为软机器人的发展提供了诸多灵感，许多生物通过皮肤变形或颜色变化实现伪装和信息表达。例如，河豚吸入液体使身体和皮肤变形以抵御敌人，章鱼利用皮肤变色和变形融入环境，变色龙通过变色隐藏自身并传递信息。然而，现有的普通面具无法主动变形和变色，机器人面部研究也局限于表情控制，不能改变面部形状和颜色特征，且刚性驱动组件不适用于人体面部穿戴。因此，开发可穿戴、主动、动态的变脸面具是一项重大挑战。
研究成果
- 用于人体伪装和表情的软面罩：受河豚和变色龙皮肤特性的启发，研究人员提出了一种可重编程化学流体皮肤。这种皮肤主要由嵌入液态金属加热纤维的变色表面、一系列弹性表面和形状可编程表面以及提供驱动压力的化学流体组成。通过编程控制液态金属加热纤维和化学流体压力，可实现皮肤形状和颜色的定制化变换。基于此，设计出的软面罩能在至少 8 种人脸之间切换，且重量轻、厚度薄，贴合佩戴者头部，驱动无声、安全，可实现面部颜色和形状的切换，能用于机器人和人类的面部调整。
- 可编程化学反应：为实现可重编程化学流体皮肤和软面罩的灵活驱动，研究人员提出了一种基于可逆产气化学反应的化学流体驱动方法。该方法以可逆氨溶液分解反应为基础，加热氨溶液时，大量氨气逸出作为压力源驱动腔室膨胀变形；冷却后，氨气溶解，腔室恢复原状。此方法无需笨重的泵和阀门，整体材料柔软，可作为可逆通用气源，且运行无声。通过控制氨溶液的加热功率和时间，能调节驱动速率和腔室变形状态，具有良好的可控性。此外，基于该驱动方法提出的软可编程化学反应概念，可实现对可重编程化学流体驱动的精确控制。
- 可拉伸大面积可控变色机制：研究人员提出了一种集成大面积可控变色、可拉伸性和可定制复杂曲面配置特性的曲面架构。该架构包含含有热致变色微胶囊的硅基可拉伸表面和按设定图案嵌入的加热纤维。加热纤维由封装在细管中的液态金属构成，可调节相邻区域的颜色特征变化。通过研究不同加热功率下液态金属加热纤维诱导的变色区域宽度和所能达到的温度，发现可根据热致变色微胶囊的阈值温度选择合适的加热功率。该变色表面具有显著的变色能力和良好的拉伸性，且颜色变化基于氧化还原反应的热致变色微胶囊方案，具有制造简单、变形与变色互不干扰、颜色丰富可调、颜色稳定性好等优点。
- 可重编程化学流体皮肤：利用上述形状和颜色驱动策略，可重编程化学流体皮肤能实现形状和颜色特征的可重编程调节。通过调节激活的液态金属加热纤维分布，可控制特定区域的颜色特征变化，实现图案和文本的编程表达；通过设计不同热致变色微胶囊的分布，可定制不同的可变颜色并调节变色阈值温度，实现编程顺序变色。该皮肤的颜色变化和变形具有可逆性，可反复改变为多种不同的颜色和形状状态。有限元模拟结果与实验结果吻合良好，证明了模拟模型的可靠性和准确性。
- 软面罩的设计与制造：基于可重编程化学流体皮肤，研究人员设计了软面罩，包括嵌入液态金属加热纤维的变色表面和内部可变形腔室。为实现软面罩复杂曲面结构的设计与制造，提出了一套设计和制造方法。利用参数化模型将三维人脸形状映射到低维向量空间，通过线性组合生成不同的三维人脸。获取三维面部信息后，将其注册到参数化人脸模型中，通过缩放、布尔运算等操作设计软面罩各层结构。同时，软面罩中的形状可编程表面具有材料回收、表面形状重编程和设计信息重写的功能。
- 软面罩的特性：软面罩由可重编程化学流体皮肤构成，具有可重编程调节颜色和形状特征的能力，能单独或联合调节自身形状和颜色特征，实现人脸的可重编程变换。软面罩采用隔热设计，与佩戴者面部接触的内表面温度适宜，确保了使用安全。通过控制加热功率，软面罩的颜色变化具有稳定性，且热致变色微胶囊和腔室的变形具有良好的耐久性。在真人佩戴实验中，软面罩能有效改变佩戴者的面部特征，使面部识别系统中变化前后面部的相似度大幅降低，验证了软面罩在欺骗面部识别系统方面的有效性。同时，采取多种密封措施确保了氨溶液和氨气不会泄漏，保证了佩戴的安全性。
- 在机器人和人类中的可穿戴演示：软面罩可佩戴在人形机器人头部，使人形机器人具备调节面部表情和头部姿势的能力，为研究人形机器人的表情显示和面部形态变化开辟了新方向。真人佩戴软面罩时，可多次切换到不同的面部，通过改变面部特征欺骗面部识别系统，实现身份切换和私人信息保护，接近科幻电影中的变脸场景。
研究讨论
本研究提出了一种可穿戴变脸面具的概念，通过可重编程化学流体皮肤实现了软面罩的设计，该软面罩具有可调节面部形状和颜色特征、柔软、可穿戴、可重编程等优点，使人类和机器人的变脸成为现实。然而，该研究仍存在一些局限性，如真人佩戴软面罩在动态使用时缺乏表情变化，可能会被识别出与真人不同；氨溶液 / 气存在泄漏风险，需要进一步探索更安全的驱动技术；热致变色方案的变色速度和可控性有待提高。未来研究将致力于改进这些不足，推动相关技术在人类伪装与表情表达、人机交互、人形机器人等领域的应用。
材料和方法
- 软面罩的材料和制造：可重编程化学流体皮肤系统由变色表面、可变形腔室和软可编程化学反应组成。软面罩的制造步骤包括：将热致变色微胶囊与硅酮混合固化制作变色表面，并在背面嵌入液态金属加热纤维；用硅酮制作弹性表面和限制层，通过热压密封制作可变形腔室；用热塑性聚乙烯制作形状可编程表面，通过热风编码写入形状；最后组装各部分得到软面罩。软可编程化学反应由软质材料、氨溶液、康铜加热丝和软管等组成，通过调节加热参数控制化学反应。
- 表征：使用 3D 扫描仪获取面部三维几何信息，用红外相机和数码相机分别获取可重编程化学流体皮肤和软面罩的红外和光学图像信息。采用排水法测量由可逆氨溶液分解反应驱动的腔室体积膨胀。利用商业面部识别系统的面部比较功能获取面部变化前后的相似度。
- 变形模拟：使用 ABAQUS 软件通过有限元方法模拟可重编程化学流体皮肤的变形，将软可编程化学反应提供的压力等效施加在腔室内表面，采用超弹性不可压缩 Yeoh 材料模型描述弹性体材料的非线性行为。
- 面部信息注册：在软面罩设计中，通过优化目标函数估计模型系数，将获取的三维面部信息注册到参数化人脸模型中。目标函数包括数据项、地标项和先验项，通过最小化目标函数得到最佳匹配的模型系数。
- 软面罩的设计过程：软面罩的设计过程包含经验设计。构建腔室 1 的表面 1 和表面 2、变色表面以及夹层支撑分别基于获取的不同面部信息进行设计。腔室 2 的设计通过插值参数模型获取中间目标状态，对不同设计和压力条件下的变形表面形状进行有限元模拟，比较模拟形状与目标形状的误差，找到最佳匹配的设计参数。
- 软面罩的电源电子设备：软面罩的驱动仅需电源系统提供几个可控电流。电源系统主要由生成控制信号的微控制器、根据脉冲宽度调制（PWM）信号可控调节直流电源输入电压的金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOS）和用于无线控制连接不同负载的每个输出开关的遥控器组成。
