MIT团队让物品速成“变色龙”,特殊染料光致变色,可重复编程

变色龙,作为爬行动物中尤为特殊的一种,其变色能力一直吸引着许多人进行长期的观察研究。而它们皮肤这种奇特的色彩变换能力,也给人类在一些应用领域带来了创新灵感。尽管目前,人们通过改变自身皮肤颜色从而伪装于环境中还不现实。但是,对于无生命的物体来说,现在已不是问题。

麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的一个科研团队创造出一种新型的可重复编程的“墨水”,它 可以让物体利用光来改变自身的颜色 。未来,“五彩斑斓的黑”或许也不再是一个玩笑。

MIT 的研究团队通过设计一种名为“PhotoChromeleon”(光致变色)的系统,让人们距离实现变色龙的能力更近了一步。该系统 使用一种混合的光致变色染料作为“墨水”,它可以喷涂到任何物体的表面,并通过紫外线或可见光的照射来改变其颜色。 更为关键的是,这个变色过程是完全可逆的,还可以无限地重复。

研究人员表示,PhotoChromeleon 可以用于定制任何产品,不论是手机外壳、运动鞋等小型生活用品,还是汽车、飞机等大型设备的表面,只要客户对颜色和设计有更新的需求,这个系统就都能够满足。做到让你的物品“一天一变样”。而且,这些颜色在自然环境中不会褪色。

图 | PhotoChromeleon 系统——光致变色(来源: MIT CSAIL)

光致变色染料产生炫酷效果

语言与文字难以表达出 PhotoChromeleon 系统通过可重复编程的“墨水”实现的炫酷效果,所以请大家耐心地看完下面的视频介绍。

视频 | 物品变色效果,以及实现其功能的实验过程(来源: YouTube,MIT CSAIL)

在视频中,研究团队在一只鞋、一个手机壳、一个汽车模型和一个小变色龙玩具上展示了该系统。 根据物体的形状和方向的不同,在表面“绘图”的时间在 15 分钟~ 40 分钟之间不等。 所有图案都有很高的分辨率,还可以在需要的时候完全擦除,不留痕迹; 或者随意换成其他图案。

该团队通过将青色、品红和黄色(CMY)的光致变色染料混合到一种可喷雾的溶液中,创造了这种墨水。 CMY 代表相减混色模式,因为其会减少视觉系统识别颜色所需要的反射光。

具体来说,研究人员使用了三种不同波长的光,来分别消除每一种原色。 例如,如果使用蓝光,它大部分会被黄色染料吸收并失去活性,而品红和青色会保留下来,从而产生蓝色; 如果使用绿光,品红色染料会吸收并灭活它,最后黄色和青色都会保留下来,并产生绿色。

在物体表面涂抹上该溶液之后,用户只需要把物体放到一个装有投影仪和紫外线(UV light)的盒子中就可以静候图案成型了。 紫外线会让颜色从透明变为完全饱和,投影仪则会根据需要降低颜色的饱和度。 一旦光线激活了颜色,新图案就会出现。

如果你对设计的图案不满意,所要做的也十分简单——就是用紫外线来擦除它,然后就可以重新开始设计了。

图 | 通过 PhotoChromeleon 设计的不同图案的鞋子(来源: MIT CSAIL)

积累演进而成的创新

PhotoChromeleon 系统是建立在该研究团队此前的 ColorMod 技术的基础上演进而来,这个技术可以让 3D 打印的部件能够在打印成型后改变颜色。他们在当时就专注于对紫外线敏感染料的使用研究上。

但是,由于 ColorMod 项目存在一些限制,比如配色方案有局限性并且图案的分辨率较低等问题,研究团队下决心对紫外线敏感墨水进一步深入探索。

使用 ColorMod 技术需要打印对象上的每一个像素,因此产生的每个小正方形的分辨率都有点颗粒状。同时,物体的颜色也受到限制,每个像素只能有两种状态:透明或染料身上颜色。就是说,蓝色染料在激活时只能从蓝色变为透明,而黄色染料只能显示黄色。

但是,这一次研究团队设计的 PhotoChromeleon 的可重复编程墨水,你可以用它创造任何图案,从各种动物到广阔的景观,再到五彩缤纷的火焰等等,有更为丰富的色彩可供选择。

这正是因为他们掌握了每种染料与不同波长光之间的相互作用,从而能够通过激活和停用相应的光源来控制每种颜色通道。研究人员还开发了一个用户界面来自动处理设计和相应模式,这些设计与模式可以根据不同的需求处理项目。用户可以通过加载他们自己的蓝图,让程序自动生成将要在物体上“绘画”的映射。

“这种特殊的染料可以提供丰富的定制选项,从而提高生产效率,减少总体浪费。” CSAIL 的博士后 Yuhua Jin 说,他是该项目最近一篇论文的第一作者。“用户可以在日常生活中个性化自己的物品和外观,而不需要多次购买不同颜色和风格的同一件物品。”

当然,这项研究仍有部分问题需要解决。 目前的光致变色染料虽然色域已经很广,但也并不能表现出所有的颜色。 例如,品红和青色就没有很好地匹配项。所以,研究团队还需要估算出最接近的颜色来弥补空缺。他们表示,未来计划通过与材料科学家合作来扩大这方面的研究,以便创造出更好的染料。

“通过赋予用户个性化物品的自主权,可以保留无数资源,创造性地改变你最喜爱物品的机会是无限的。”麻省理工学院教授 Stefanie Mueller 如此表示。

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参考:

https://news.mit.edu/2019/changing-colors-photochromeleon-mit-csail-0910

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