韩国研究者开发出可见光+红外光范围的主动隐形皮肤

自然界的一些物种积极地融入环境中,既有助于捕食者捕食,也可以防止受到攻击,从而大大增加了各种物种的生存机会。头足类动物的表皮(如章鱼、墨鱼和鱿鱼),可以根据其需要在可见光和红外波长范围内,通过快速的神经和肌肉信号重新排列真皮层中的色素团与环境匹配。人类皮肤并不具备这一特点,因此开发这种隐身技术已经得到了广泛的研究,隐身技对于隐蔽军事行动或侦察非常有效,可通过伪装不被敌人发现。然而,目前大多数商业化以及广泛使用的产品仅局限于被动伪装图案纺织品,模仿周围环境的彩色图案。

受自然的主动隐身系统的启发,最近的一些研究利用物理机制来重建头足类动物的隐身功能。许多文献都集中在如电致变色、热致变色和机械致变色的各种方法,通过改变可见波长内的颜色来实现隐身。另外,由于温度(或辐射)可以直接转化为红外信号,因此一些研究者也利用超材料、电子驱动进行红外反射,或简单地通过调节器件温度来匹配背景温度的红外隐身技术。然而,他们中的大多数只实现了可见或红外微感知系统,且在单器件结构中没有可以根据需要在可见光和红外模式之间切换的双模。

针对上述问题,韩国首尔国立大学Seung Hwan Ko教授团队开发了一种热控制的可见-红外光范围内的主动隐形人造皮肤。此工作近日以“Thermally Controlled, Active Imperceptible Artificial Skin in Visible-to-Infrared Range”为题,于2020年7月14日发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上,论文链接为:https://doi.org/10.1002/adfm.202003328

图1 生物灵感的来源和装置设计。
图2 优化设计参数,检查设备性能。

研究者展示了一种可见光-红外变色范围的隐形人造皮肤,它通过一个输入变量:温度(T),即可在白天和晚上按需隐身。热电(TE)单元的双功能特性(能够主动制冷和加热)使得每个像素具有良好的温度可调性,因此可以在红外范围内很好的通过匹配环境温度进行隐身。通过在表面加入热致变色液晶,研究者将隐身性能进一步扩展到了红外至可见光范围(它根据温度改变光反射率),通过控制温度产生不同数量的颜色实现。

图3 器件特性与机械稳定性。

作为一个整体,研究者将两个独立的光谱和隐身光谱用单一的软器件结构整合成完整的光谱,该结构通过简单地调整输入变量(“温度”)来工作。因此,这种隐形穿戴设备可以根据用户的需要在两种模式(可见光模式和红外隐形模式)间切换,而不用将两种不同的隐形设备集成到一种设备上(这样会使设备变得笨重,阻碍两种设备之间的热传导)。此外,研究者还制作了能传递各种光学信息的热显示器,以构建其微感知人造皮肤的实用平台。

图4 可穿戴式热显示和多光谱隐形人工皮肤。

综上所述,这项工作有望帮助开发下一代柔性隐蔽军用可穿戴设备,或许还能帮助开发出属于头足类动物的多光谱斗篷或电影中的未来伪装工具。

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