還記得《碟中諜》里湯姆·克魯斯一戴面具就變身別人的科幻場(chǎng)景嗎？隨手一撕，立刻換一張臉。

這種只存在于科幻電影中的技術(shù)，現(xiàn)在被浙江大學(xué)的科學(xué)家們帶入了現(xiàn)實(shí)世界。

最近，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄒俊教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究：他們研發(fā)出一種基于可編程化學(xué)流體系統(tǒng)氣體驅(qū)動(dòng)的柔性可穿戴面具讓人類或人形機(jī)器人可以一次在至少8張臉之間切換，整個(gè)過程靜音安全，并且面具厚度僅約1厘米。

最神奇的是，這個(gè)面具不僅能變形，還能變色！它可以根據(jù)需要調(diào)整面部輪廓和膚色，讓人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正意義上的"變臉"。

論文標(biāo)題為《人類通過可重編程化學(xué)流體皮膚的柔性面具實(shí)現(xiàn)偽裝與表情表達(dá)》(Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin。

受生物啟發(fā)，既能“變色”又能“變形”

圖. 變形和顏色變化的驅(qū)動(dòng)作用

鄒俊教授團(tuán)隊(duì)目前主要集中在兩個(gè)研究方向：柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)和交互式人形機(jī)器人。在探索人形機(jī)器人交互方案的過程中，他們從自然界中獲得了靈感。

自然界中一些生物擁有獨(dú)特的"偽裝"能力 -河豚通過身體的流體變形來改變外形，變色龍則可以改變皮膚顏色來適應(yīng)環(huán)境。這讓研究人員產(chǎn)生了將這種能力應(yīng)用到人形機(jī)器人的想法：如果機(jī)器人能像這些生物一樣變形變色，或許能讓人機(jī)交互轉(zhuǎn)變?yōu)楦迂S富的"動(dòng)態(tài)"模式。

浙大團(tuán)隊(duì)研發(fā)的變臉面具由兩層關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成：溫度變色層和變形層。

變色層技術(shù)基于我們生活中常見的熱致變色原理- 就像那種倒入熱水后會(huì)變色的杯子。這種電子轉(zhuǎn)移型有機(jī)化合物在特定溫度下會(huì)因分子結(jié)構(gòu)變化而改變顏色。不僅顏色鮮艷，還能實(shí)現(xiàn)從"有色-無色"和"無色-有色"的轉(zhuǎn)變，這是其他類型變色材料所不具備的特性。

在面具制作過程中，研究人員采用了液態(tài)金屬加熱纖維和熱致變色微膠囊。這些微膠囊是嵌入到變色層表面的，溫度變色微膠囊是通過將硅膠和溫度變色粉末混合在一起，從而實(shí)現(xiàn)比較均勻的變色效果。

通過控制溫度，可以實(shí)現(xiàn)從黑色到黃色，甚至各種膚色的過渡變化。溫度設(shè)定略高于人體體溫（約40℃），以避免人體溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)變色產(chǎn)生干擾。

在變形層面，研究人員認(rèn)識(shí)到人與人面部的差異主要來自兩個(gè)方面：顱骨形狀不同和肌肉分布不同。針對(duì)這些關(guān)鍵部位，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了變形層，其采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變形。該課題組選擇了一種基于氨溶液的可逆分解反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)這種變形，它既可以向外鼓起，也可以將氣體收回。

為確保安全性，研究人員在面具中間設(shè)計(jì)了相對(duì)較厚的隔熱層，并將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與佩戴者完全分離，只通過軟管連接，避免了氨液與佩戴者直接接觸。所有的控制裝置都集成在一個(gè)僅有腰包大小的驅(qū)動(dòng)裝置中。

"丑八怪"到以假亂真：五年攻堅(jiān)的技術(shù)突破

該研究從開始探索到論文發(fā)布共經(jīng)歷了五年時(shí)間，期間遇到了諸多挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@是一個(gè)全新的領(lǐng)域，沒有人做過類似的研究，也沒有任何可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)，一切都要從零開始摸索。

研發(fā)初期，制作一個(gè)面具就需要花費(fèi)半年時(shí)間，而且制作出來的面具在變形后往往無法呈現(xiàn)出正常的人臉，而是一個(gè)"丑八怪"。最初幾代面具甚至連面部識(shí)別系統(tǒng)都無法將其識(shí)別為"人臉"。

團(tuán)隊(duì)在論文中還專門有一部分討論如何讓面具變形后依然保持人臉的特征，這背后其實(shí)有一套數(shù)學(xué)模型的約束。經(jīng)過不斷改進(jìn)和迭代，團(tuán)隊(duì)終于在第7版面具上取得了突破，一張可穿戴的變臉面具初具雛形。目前，制作一張面具的時(shí)間已縮短至兩個(gè)多月。

在實(shí)驗(yàn)條件下，面具的變形時(shí)間約為100秒，顏色變化穩(wěn)定且可逆，能夠維持超過500次循環(huán)。面具內(nèi)部溫度控制在30℃左右，厚度約1厘米，能夠貼近真實(shí)的臉部模擬。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了人臉識(shí)別系統(tǒng)測(cè)試。以三種典型的商用人臉識(shí)別系統(tǒng)為例，面具變化后的面容與初始面容相比的相似度明顯下降，證明了所實(shí)現(xiàn)的不同面容之間存在顯著差異。

實(shí)驗(yàn)中，佩戴者在初始面容狀態(tài)下無法通過人臉比對(duì)，變臉后卻能成功通過人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，隨后再次通過變臉變換身份，實(shí)現(xiàn)了多重身份的切換。

重塑機(jī)器人交互：從表情系統(tǒng)到"七十二變"

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景遠(yuǎn)不止于偽裝。浙大團(tuán)隊(duì)早在2022年就研發(fā)出了人形機(jī)器人表情系統(tǒng)"ZJ-Face"，能讓機(jī)器人通過眨眼、皺眉、微笑、張嘴等豐富動(dòng)作表達(dá)情緒。而新的變臉面具系統(tǒng)則將這種能力提升到了新高度。

與傳統(tǒng)的機(jī)器人表情驅(qū)動(dòng)不同，這項(xiàng)技術(shù)為未來機(jī)器人面部驅(qū)動(dòng)指出了一個(gè)全新方向。人類的面部驅(qū)動(dòng)是通過表皮和肌肉的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的，而現(xiàn)有機(jī)器人面部驅(qū)動(dòng)通常需要在頭部安裝大量電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置。相比之下，人類面部結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多，只有表皮和肌肉兩層。

通過模擬這種表皮-肌肉的雙層結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的面具系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了機(jī)器人面部表達(dá)的復(fù)雜性，提高了效率。

課題組的終極目標(biāo)是在人形機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)與人類相似的外觀和表情驅(qū)動(dòng)，希望借助一層厚度不到1厘米的表皮和肌肉層來驅(qū)動(dòng)表情、形貌，甚至顏色變化，并且在其中集成傳感器。

目前，一個(gè)名為"新白娘子"的機(jī)器人已經(jīng)裝備了這項(xiàng)技術(shù)，即將在杭州中國(guó)傘博物館擔(dān)任講解員，為參觀者提供富有表情和互動(dòng)能力的導(dǎo)覽體驗(yàn)。

這款變臉技術(shù)還有望應(yīng)用于陪伴式機(jī)器人。通過這項(xiàng)技術(shù)，機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)膚色變化，還能隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出從青年到老年的衰老特征變化，如色斑、皺紋和面部肌肉的松弛等。

在論文審稿過程中，審稿人曾對(duì)技術(shù)的倫理性提出質(zhì)疑，擔(dān)心這種面具可能帶來社會(huì)沖擊和倫理道德問題。團(tuán)隊(duì)解釋，用于人類的可穿戴變形面具只是該技術(shù)的應(yīng)用方向之一，他們更希望將這種技術(shù)應(yīng)用到人形機(jī)器人領(lǐng)域

此外，這項(xiàng)研究中的一項(xiàng)技術(shù)還能拓展到穿戴式輔助肌肉領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)此前已對(duì)穿戴式輔助肌肉進(jìn)行相關(guān)研究，這種小型化的驅(qū)動(dòng)裝置可以應(yīng)用于多種場(chǎng)景，比如為老年人設(shè)計(jì)便攜式外骨骼裝置，幫助他們?cè)谛凶摺⑴郎交虻菢菚r(shí)更加輕松。

結(jié)語與展望

團(tuán)隊(duì)也在持續(xù)開始探索更多變的原材料，希望讓面具更輕薄、反應(yīng)更迅速，并結(jié)合人工智能和大模型技術(shù)，為人形機(jī)器人定制更豐富的外貌、音色、皮膚和年齡特征，以期實(shí)現(xiàn)未來變臉面具“72變”。

值得一提的是，鄒俊教授已經(jīng)作為創(chuàng)始人成立了相關(guān)公司，正在推動(dòng)該技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，并已承接相關(guān)項(xiàng)目。在浙江省濃厚的創(chuàng)新氛圍和浙江大學(xué)高端裝備研究院的支持下，這項(xiàng)技術(shù)有望盡快走向市場(chǎng)應(yīng)用。

當(dāng)我們回看機(jī)器人學(xué)的發(fā)展歷程，可以看到人們一直在努力讓機(jī)器人更加"人化"。從早期機(jī)械臂，到如今能夠表達(dá)情感的類人機(jī)器人，每一步進(jìn)步都讓人機(jī)之間的互動(dòng)更加自然和豐富。

浙大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，無疑是這一進(jìn)程中的重要一步。它不僅讓科幻電影中的情節(jié)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，更為人機(jī)交互開辟了全新維度。從變色變形面具到未來可能的全身式擬人機(jī)器人，我們正見證著科幻與科技的深度融合。