浙江大学邹俊/唐威Science子刊：变脸面具赋能人形机器人与人类

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开发一种主动、动态的 变脸面具 用于人形机器人与人类的面部表达是一项巨大的挑战。近期， 浙江大学机械工程学院邹俊课题组 在该方向取得突破性进展，课题组研制出一种可重编程化学流体皮肤，并基于该皮肤研制出一种可穿戴变脸面具，可以实现一张面具在多个相貌之间的变换。该研究在现实世界中实现了人形机器人或人类在多个人物角色之间的无痕切换，为面部变装和面部表达提供了新的思路。

国际知名学术期刊 Science Advances 报道了来自浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室这一最新研究成果“ Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin ”。论文全部作者均来自 杨华勇院士 团队， 仲一丁 博士为论文第一作者， 唐威 研究员和 邹俊 教授为论文通讯作者。

团队在交互式人形机器人领域拥有多年积累，已经研发多代交互式人形机器人样机，并逐步实现了前沿科学的产业化落地。“我们的征途永远是星辰大海！”

交互式人形机器人研发历程

为了在技术上实现可穿戴变脸面具，我们提出了一种 可重编程化学流体皮肤 ，它集成了变形和变色能力。可重编程化学流体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重新编程表面以及提供驱动压力的化学流体组成。化学流体皮肤可以实现定制化的各种形状变换和颜色切换，并且柔软、可适应不同的形状，可以在变形过程中改变颜色，也可以在变色过程中变形。这种皮肤可以用于伪装和表达一些信息，例如变形成特定的形状以及表达求救信号。

基于可重编程化学流体皮肤，我们设计了一种 可穿戴变脸面具 ，可以 一次在至少8张脸之间切换 。在面具中，变形驱动是使用基于软可编程化学反应的化学流体系统实现的，变色驱动是使用嵌入的温致变色微胶囊和液态金属加热纤维实现的，实现了静音和可控的柔性驱动。该面具不仅轻、薄、贴合佩戴者的头部，并且可以静音、安全地驱动，可以被佩戴在机器人和人类的脸上，进行面部形色特征的调整以及面容切换。

图1. 可重编程化学流体皮肤和软面具的设计策略

视频1. 机器人穿戴面具实现动态变脸

视频2. 人类穿戴面具实现多次变脸

化学流体皮肤和面具的变形驱动是使用基于 软可编程化学反应 的化学流体系统实现的。我们提出的基于可逆产气化学反应的化学流体驱动方法，不仅柔软、轻质、静音、便携、可重编程、可定制、输出变形大，而且驱动区域保持在较低的温度，适合于人机界面。

我们提出了一种 曲面架构 用于化学流体皮肤和面具中的变色表面，它集成了大面积可控变色、可拉伸性和可定制复杂曲面配置的特性。曲面架构包括含有温致变色微胶囊的硅酮基可拉伸表面，以及按照设定模式嵌入其中的液态金属加热纤维。嵌入液态金属加热纤维的变色表面既具有显著的变色能力，又具有良好的拉伸性，可在内部腔室的调控下发生显著变形。

图2. 变形驱动和变色驱动

利用上述变形和变色驱动策略，化学流体皮肤可实现形状和颜色特征的可重编程调控。不仅能通过控制特定区域颜色特征的变化，实现编程的图案和文字信息表达，而且通过定制可变颜色和阈值温度，实现编程的顺序变色。使用有限元模拟来指导变形设计过程，与实验结果吻合良好。这样根据设定的颜色设计和形状设计，激活相应区域的液态金属加热纤维和可变形腔室，化学流体皮肤被反复编程变化为丰富多样的形色状态。

图3. 可重编程化学流体皮肤的变形和变色

视频3. 化学流体皮肤的可重编程颜色展示

视频4. 化学流体皮肤的可重编程形色变化

相较于相对简单的化学流体皮肤结构，变脸面具具有复杂曲面结构，为此我们为其提出了一套设计和制作方法。变脸面具包括变色表面和内部可变形腔室，可变形腔室从外到内依次由弹性变形腔室和折叠-展开变形腔室组成。折叠展开变形腔体由两个形状可重编程表面组成，而弹性变形腔体由两个形状相同的弹性表面组成。在这些表面的设计中，一部分采用经验设计，而另一部分根据建立的理论模型设计， 保证了变脸面具在面容调整过程中相对于真实人脸的逼真度 。

面具中的形状可重编程表面还具有 材料循环、表面形状重新编程和设计信息重写 等功能。其形状编程过程也可以看作是一个信息写入过程，将设计信息通过模板和热风编程被转移到形状可重编程表面上，重复这一过程，表面可以多次写入不同的信息，获得各种不同的表面形状或恢复平面形状。

图4. 变脸面具的设计和制造方法

由化学流体皮肤构成的变脸面具可以单独或联合调整自身的形状特征和颜色特征，从而实现面容的可重编程变换。这样面具可以在多个不同面容之间相互切换，并可以通过不同的中间步骤变换到目标面容。

由于面具采用隔热设计，加之采用对被驱动区域温度几乎无影响的化学流体驱动方法，在面具工作过程中与佩戴者面部接触的内表面 保持在适合人体接触的温度 ，确保了其作为可穿戴设备的安全性。

当真人佩戴变脸面具时，通过单独或联合调控面具形色特征，在多个面容之间连续切换，在此过程中面容发生了实质性的变化，对此我们通过人脸识别系统的比对实验进行了验证。以三种典型的商用人脸识别系统为例， 变脸面具变化后的面容与初始面容相比的相似度明显下降 ，这不仅证明了所实现的多张不同面容之间存在显著差异，也证明了前述理论和设计方法的有效性，在其指导下，面具能够在面容变化的过程中始终保持面容的逼真性。

图5. 变脸面具的表征