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人形机器人有望动态“变脸”？浙大团队设计可编程化学流体气动面具，已成立公司推动技术落地

DeepTech深科技 · 公众号 · 科技媒体 · 2025-03-21 20:04

正文

在电影《碟中谍》中，汤姆·克鲁斯通过戴上高科技面具瞬间切换为另一个人面孔的情节令人印象深刻。而如今，这种科幻技术已经照进现实。

近期，浙江大学邹俊教授课题组开发了一种基于可编程化学流体系统气体驱动的柔性可穿戴面具， 能实现 8 种不同面孔的颜色和面部轮廓的形状变换，整个过程静音且安全。

图丨为人形机器人表情驱动和动态变脸提供可能性（来源：邹俊）

在实验条件下，这种面具的变形时间约 100 秒，颜色变化稳定且可逆，能够维持超过 500 次循环。此外，面具的内部温度控制在 30℃ 左右，厚度约 1 厘米，能够贴近真实的脸部模拟。

该技术不仅有望应用于可穿戴设备领域，还可能为人形机器人表情驱动和“动态”变脸提供新思路。

日前，相关论文以《人类通过可重编程化学流体皮肤的柔性面具实现伪装与表情表达》（ Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin ）为题发表在 Science Advances [1]。

浙江大学仲一丁博士是第一作者，邹俊教授和唐威研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源： Science Advances ）

受生物“伪装”能力启发，让面具既能“变色”又能“变形”

目前，邹俊团队主要集中在两个研究方向：柔性驱动技术和交互式人形机器人。其中，柔性驱动技术更偏向基础研究，而交互式人形机器人则是落地应用的重点。

在探索人形机器人交互方案的过程中，他们注意到自然界中一些生物拥有独特的“伪装”能力，可以利用皮肤的变形或变色实现自然且高效的表达行为。例如，河豚通过身体的流体变形来改变外形，变色龙的皮肤则具有变色功能。

这为研究人员提供了科研灵感：人形机器人通常是静态相貌，如果将自然界这种“伪装”能力应用到人形机器人领域，或许可以让其与人类的交互方式转变为更加丰富的“动态”模式。

图丨从左至右依次为：唐威研究员、邹俊教授、仲一丁博士（来源：邹俊）

那么，面具中的变色和变形是如何实现的呢？

在生活中，我们常见到由热致变色材料制备的杯子在倒入热水后，随着温度变化会改变表面颜色或显示出文字/图案。实际上，这项研究中所涉及的变色原理与热致变色材料的应用类似。

这种材料是一种电子转移型有机化合物，属于特殊的有机发色体系。在特定温度下，因电子转移导致分子结构发生变化，从而实现颜色的转变。它不仅颜色鲜艳，还能实现从“有色-无色”和“无色-有色”状态的颜色变化，这是其他类型变色材料所不具备的。

在面具制作过程中，研究人员采用了液态金属加热纤维和热致变色微胶囊。这些微胶囊是嵌入到变色层表面的，温度变色微胶囊是通过将硅胶和温度变色粉末混合在一起，从而实现比较均匀的变色效果。

图丨可穿戴变脸面具的呈现效果（来源：邹俊）

那么，为什么选择液态金属加热纤维来加热呢？

邹俊解释说道：“因为面部本身是有形变的，普通的固定金属丝拉伸性不够，在形变范围上有一定的限制。而使用液态金属加热纤维，则可以满足面部较大范围的形变需求。即使面部发生形变，液态金属纤维也不会断裂，仍然可以继续完成加热。”

这种可穿戴面具由温度变色层和变形层两层结构组成。在温度变色层，通过这种特殊的变色材料可以改变最外层的颜色。研究人员选择了黑色和黄色之间的变化作为方案，并将温度设置为略高于人体的体温（约为 40℃ 左右），以避免人体温度对驱动变色的干扰。

在不同的温度区间内，材料会显示出不同的颜色，通过精确控制温度范围，可在特定区域内实现颜色的变化。

“这种变色材料通常以微胶囊形式存在，内部是变色物质，外部有一层透明外壳，以保护变色物质免受外界化学物质的侵蚀。”邹俊表示。

图丨变形和颜色变化的驱动作用（来源： Science Advances ）

需要了解的是，人与人之间的面部差异主要来自两个方面：一是颅骨的形状不同，二是肌肉分布不同，这些差异使得每个人的脸部轮廓各不相同。

针对这些关键部位，该团队设计了变形层，其采用气动驱动的方式在较大的范围内实现变形。该课题组选择了一种基于氨溶液的可逆分解反应来实现这种变形，它既可以向外鼓起，也可以将气体收回。

在安全性保障方面，研究人员在面具中间设计了相对较厚的隔热层，为佩戴舒适性和保持安全温度创造了条件。另外，他们还将柔性面具的驱动系统和佩戴者进行分离，只通过软管连接，避免了氨液与佩戴者直接接触，进而提升了安全性。

应用场景：人形机器人、动态伪装和老年陪伴

该研究从开始探索到论文发布共经历了五年时间，期间遇到了诸多挑战。“因为这是一个全新的领域，没有人做过类似的研究，也没有任何可以借鉴的经验，一切都要从零开始摸索。” 邹俊说。

在研究的最初阶段，制作一个面具就需要花费半年时间，而且制作出来的面具在变形后往往无法呈现出正常的人脸，而是一个“丑八怪”。

面具制作过程耗费了课题组大量时间，甚至在论文中还专门有一部分讨论如何让面具变形后依然保持人脸的特征，这背后其实有一套数学模型的约束。经过不断改进，目前制作一张面具的时间已缩短至两个多月。