任何事情都可以激发科学家的灵感。 而且，如果我们谈论动植物的代表，那么他们就是缪斯博物馆中的佼佼者，它激发了伟大的思想家创造了各种各样的设备，机器和整个技术。 今天，我们将了解一种受一种生物启发的研究，这是一个需要一定时间的“握手”-章鱼。 北卡罗来纳大学的科学家决定创建一种设备，该设备可以像章鱼的四肢一样，在没有集中式计算机的情况下，在材料级别上处理信息并做出决策。 该设备由什么组成，已经可以执行哪些功能以及“软触觉逻辑”的前景如何？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧
学习基础
章鱼是头足类中最精明的无脊椎动物软体动物。 章鱼的软体有八个触角，上面有固定在表面上所需的特殊吸盘，可对环境进行猎物和触觉研究。 此外，触手上还带有味蕾，可让章鱼确定其触感的可食用性（在市场上选择产品可能很方便）。
章鱼的触角也很独特，因为其体内所有神经元的2/3位于其中，这使触角能够独立发挥作用，即 没有来自大脑的信号。 有趣的是，章鱼的“手”是如此自主，给他带来了一些不便。 事实是，我们的八臂英雄无法通过感觉来准确确定他的四肢位置，而只能通过直接观察他的触角来确定。 这是由于章鱼没有完整的立体预测的事实，即 通过触摸识别物体的能力（物体的形状，大小等）。 章鱼可以感知物体纹理的各个部分，但无法将这个拼图组合成一张图片。 换句话说，只有当他亲眼看到时，他才知道一只手或另一只手做了什么动作。 当然，这有时会带来不便，但是如果章鱼可以说话，他们几乎不会抱怨。
这种“手动”自主权的科学家看到了未来，并决定使用技术来实现章鱼的解剖特征。 在他们的工作中，他们描述了一种小型且相当简单的设备（目前为止），该设备由硅树脂和嵌入其中的熔融金属链制成，被科学家称为“软触觉逻辑”（
soft触觉逻辑 ）。
该设备的主要材料是低熔点镓（Ga，占总质量的75％）和铟（In，占总质量的25％）的混合物，以及弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
该原型机的基本原理是焦耳加热，当电流流动产生热量时。 利用弹性体内部的液态金属（熔点15.7°C）精确实现的这种效果，由于引入的颜料的响应，可以实现原型的颜色变化。
因此，存在一种柔软且具有足够弹性的装置，该装置响应于压力或拉伸而改变颜色。 因此，此过程在没有任何控制中心参与的情况下进行，而是直接在原型材料中进行。
研究成果
科学家们注意到，选择该原型是为了改变颜色，原因是：首先，在技术实施的现阶段，这是演示该设备基本原理的简便方法。 其次，自然界和技术界都存在着颜色变化。 行星动物世界的代表使用颜色变化来掩饰天敌，展示其毒性，寻找伴侣甚至表达情感，这在人类中尤为固有（尴尬的红色，恐惧的面色等等）。 在技术世界中，颜色也很重要，因为更改单个像素，像素簇和监视器上整个图片的颜色是人机交互的方法。
但是，动物和技术之间存在差异。 显示器经常使用基于光产生的“主动策略”，而动物在外部光从表面反射时会使用“被动策略”。
根据科学家的说法，改变色素沉着的被动策略可以通过多种方式实施：热致变色液晶，通过微通道泵送的有色液体，薄膜干涉，动态光子晶体和等离激元结构，磁敏材料和电致变色分子。 在这项工作中，使用了热变色颜料。
图片编号1图
1a显示了原型的基本平台：液态金属，位于两层PDMS之间，其中一层是透明的，另一层包含热致变色颗粒。 设备的运行不需要透明层，而仅允许您在研究过程中仔细考虑液态金属的动力学。 流过液态金属的电流会产生焦耳热，由于分子结构的重新排列，热致变色颗粒会在临界温度以上改变其颜色。
为了证明这一原理，热敏物质TF-R1为粉红色。 该设备的该版本立即显示为红色，但是当温度达到28°C或更高时，颜色将变为白色（下面的视频）。
温度达到28°C时，从红色变为白色。红外图像（图
1b中的插图）显示了与观察到的颜色变化视觉图像相对应的高温区域（
1b ）。
自然地，可以用任何颜色实现类似的原理。 例如，科学家使用了蓝色的热致变色剂，该设备在室温下保持了蓝色，仅在37°C及以上（
1秒 ）时才变成白色。
加热至37°C及以上时，蓝色变为白色。在颜色不变的区域，存在铜线。 并且，由于铜的电阻率（1.68×10
-6Ω ·cm）比液态金属的电阻率（29.4×10
-6Ω ·cm）低，因此产生的焦耳热少，在铜的存在下不变色。
假设不同的热致变色物质具有不同的响应（激活）温度，则将它们混合在一个设备中会创建一个显示三种颜色的新系统（
1d ）。
1d处的温度动态还显示了颜色如何从一种变为另一种：品红色变为蓝色（T <28°C，因为没有红色），然后又变为白色（T> 37°C，没有蓝色和红色）。 在这种装置中，液态金属通道的宽度为0.4mm。
电流变化时颜色也会变化。该过程本身是可以理解的，但是仍然有必要确定在什么功率指示符下会发生颜色变化。 为此，科学家建议在焦耳加热过程中，根据施加的电流（
I ）和液态金属的电阻（
R ）依照
P =
I 2 R来产生功率（
P ）
。由于电阻与通道的宽度成反比，因此进行了实验，器件的几何形状始终保持不变，但是通道的宽度发生了变化（在
1e处插入）。 如在曲线图
1e上可以看到的，温度是电流的平方的线性函数。 对于给定的电流，由于焦耳热的增加，液态金属宽度的减小增加了温度变化。 即，电流的增加不仅增加了最大表面温度，而且增加了经历升高的表面温度的区域。
对每个装置的颜色变化区域的宽度进行测量，以建立电流与颜色变化区域的宽度之间的关系。 电流密度的增加（由于电流的增加或由于液态金属的宽度的减小）导致颜色变化区域的扩大。
改变动物界中色素沉着的颜色通常与伪装有关，即 具有与环境视觉融合的能力。 被调查的设备也可以做到这一点。
图
1f显示了根据背景更改设备颜色的过程。 通过调节液态金属通道中的电流可以达到这种效果。
自适应颜色更改（伪装）。您不仅可以实现设备的单色，还可以实现不同颜色（
1g ）的不同组合。 当某些颜色随着电流的增加而开始褪色时，其他颜色则变得更亮。
动态变化自适应颜色变化。我们已经知道，原型的成功在巨大的角色中扮演的角色是一种不寻常的导体-液态金属，它能够改变其形状，即 由于具有弹性，因此可以获取由于变形而产生的焦耳加热的动态特性。 换句话说，这样的系统可以对设备的状态（压力，张力等）进行热致变色报告。
研究人员将这种效果与软机器人中的机械化学进行了比较，当颜色变化对应于一定程度的变形时，就警告可能发生故障。 但是，在液态金属导体的情况下，不需要化学试剂，并且比色输出的数量要大得多。 鉴于颜色变化（尽管由于热暴露）仍被机械激活，因此科学家将此过程称为热机械变色现象。
这一切如何运作？ 研究人员给出了一个简单的例子-液态金属通道的张力。 在这种情况下，通道长度增加，但是横截面积减小。 其结果是电阻的增加，因此焦耳热（
2a ）的增加。
图片编号2根据以下公式，变形（
ɛ =（
L -
L 0 ）
L 0-1 ，其中
L为长度）会导致初始电阻（R
0 ）增加：
R =
R 0 （
ɛ +1）
2 。
有了这个理论基础，研究人员创建了一种传感器，该传感器可响应电压而改变颜色。 如预期的那样，液态金属通道的电阻随伸长率（
2b ）的增加而增加。 在拉伸时，施加了0.2 A的直流电（以下视频）。
机械色变的演示。在零变形时，该电流不足以激活颜色变化，但是当通道拉长（实际变形）时，焦耳热开始增加，从而导致颜色变化。
图像
2c示出了在各种电压下0.2mm厚的液态金属通道的图像。 由于缺少红色（在温度> 28°C下），该设备的颜色从品红色变为蓝色，并且由于激活了蓝色热致变色组件，因此变形时从蓝色变为白色（60％变形）。 然后，当设备由于可逆热致变色而恢复到0％变形时，它再次变为紫色。
通过评估设备上的颜色和颜色变化区域，可以使用类似的效果来确定变形程度及其局部化。
为了了解颜色在张力下如何变化，并因此能够调整颜色对变形的反应，科学家们结合了两个对这项工作很重要的公式（
P =
I 2 R和
R =
R 0 （
ɛ +1）
2 ），得到了以下公式：
dP /
d （+1）= 2
I 2 R 0 （+1）。
此公式表明，功率（
P ）随变形（）的变化取决于电流（
I ，在这些实验中为常数）和初始电阻（
R 0 ）。 事实证明，具有较高初始电阻的通道对拉伸更敏感。 为了证实这一理论，研究人员创建了长度为35毫米，高度为0.05毫米，宽度为X毫米（其中X为0.2、0.3、0.4、0.5和1.0毫米）的线性导体，然后在施加直流电时测量了颜色变化区域的宽度。
不同电阻值的实验结果图。作为实验的结果，发现具有较窄的液态金属通道的器件以较低的电阻改变颜色。 相反，最宽的器件由于其低初始电阻，即使在180％变形时也不会变白。 这表明您可以通过调整初始电阻来配置设备，以便在特定电压值下发生颜色变化。
除电阻外，颜色变化的另一个重要因素是电流。 在实验过程中，将0.2、0.3和0.4 A的电流施加到通道宽度为1 mm的设备上。
不同电流实验结果的图表。使用0.2 A延长时，该设备不会将颜色更改为白色。将电流增加至0.4 A后，该设备可以在低变形（≈50％）的情况下更改颜色。 该观察结果证实电流可用于控制颜色变化的地方的变形。
除了拉伸之外，还有许多其他类型的变形，其中之一是压缩。 按压设备还会导致液态金属通道尺寸的改变。 此时，通道横截面积的变化会由于电阻的局部变化而引起局部颜色变化（当然，如果电流恒定）。
为了验证这一点，进行了一个实验，其中在设备上施加了0.1 A的电流，并在1x1 cm的区域上施加了100、200、300和400 kPa的压力（两次压力之间的时间间隔为15秒）。在施加压力的地方。
最初的蓝色在100 kPa的压力下变为紫色，然后白色在200 kPa时出现（下面的视频）。
演示设备对压力的响应。接下来，科学家决定展示液态金属通道的电流和宽度如何影响压缩过程中的颜色变化。 为此，制成长度为50mm，高度为0.05mm，宽度为Xmm的液态金属通道（其中X ＝ 0.2、0.3、0.4、0.5和1.0mm）。 将0.1、0.2和0.3 A的电流施加到具有1 mm宽通道的设备上，然后测量颜色变化随压力（
2e ）的变化。 紫色和蓝色的压力值范围随电流的增加而增加。
研究人员注意到，在
2d和
2e上显示的设备只有一个导电通道。 因此，单击它会导致电阻的局部变化和电流密度的增加，因为电流必须流经压缩区域。 但是您可以创建具有多个通道以通过电流的系统。 此概念可用于在不使用半导体的情况下重新分配电路中的能量并执行简单的逻辑运算。
图片编号3为了演示该概念，制作了一个原型（
3a ），该原型由两个“输入”区域（图像中的
A和
B ）和一个“显示”区域（图像中的
C ）组成。
在这种情况下，输入信号为压力。 像晶体管中的阈值电压一样，存在阈值压力，该阈值压力必须引起足够的电流以在“显示区域”中引起颜色变化。 按照二进制逻辑的语言，高于阈值的压力值称为“ 1”，而低于阈值的压力值称为“ 0”。
向该设备施加0.4 A的电流，并在区域A和B中施加各种压力信号“ 1”和“ 0”。响应于这些信号，显示区域会发生颜色变化（
3b ）。
“软触觉逻辑。”这些颜色变化是由于基于物理输入的电流重定向到区域C而发生的。 这个简单的设备是类似NAND的逻辑运算，尽管输出是由三个输出状态而不是两个复杂的。
具有10个并行通道的设备。可以通过在设备内部创建并行通道来扩展此概念，该通道在按下时会重新分配电流。
在电子设备中使用“软触觉逻辑”。除了焦耳热以外，重新分配的电流还可以激活某些电路元件（上视频中的LED）或机械元件（下视频中的风扇）。
在机械设备中使用“软触觉逻辑”。为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
在这项研究中，科学家演示了原型设备，该设备由具有一个或多个液态金属导电通道的弹性体组成。
这样的通道的使用允许维持装置本身的弹性。演示了由于热致变色液晶而改变设备颜色的概念，该概念响应于特定指示符（或一次全部）的变化：导电通道的宽度，变形程度，电流和电阻。该设备非常简单，无需中央处理器的参与即可执行某些功能，即在材料本身的水平上。但是，这只是一个原型，可以通过添加其他通道和/或热致变色元素来扩展其功能和功能范围，从而进一步加以改进和复杂化。颜色变化不是基于上述技术的设备可以做的唯一事情。配备液态金属通道的弹性体可以改变尺寸，位置，形状等。此类技术可以在诸如软机器人和假肢等领域找到其应用。章鱼的决策权下放并不是什么新鲜事，但是对于人造机器来说，到目前为止，这只是未来。这个遥远的未来有多远取决于这些研究的成功。周五顶峰：
用“软”机械手进行实际实验（我希望螃蟹不是很害怕）。
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