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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

“这项技术的实现难度极高，如果做得不好，面具根本无法呈现出人脸的效果，如果不能做到这一点，即便它能够变色变形也毫无意义。”邹俊表示。

在论文审稿过程中，审稿人对技术的伦理性提出质疑。专家们担心这种面具可能带来社会冲击和伦理道德问题，研究人员也对此做出了回应。

实际上，用于人类的可穿戴变形面具只是该技术的应用方向之一，该团队更希望将这种技术应用到人形机器人领域，来实现其面部局部特征的变化，这是首次尝试，也是目前其他技术无法实现的。

比如，让陪伴式机器人能够像人类一样，不仅可以实现肤色变化，随着时间的推移还可以呈现出从青年到老年的衰老特征变化，如色斑、皱纹、面部肌肉的松弛等。

这种技术不仅能够提升人形机器人的交互能力，还可能对未来机器人的表情驱动方式产生深远影响。

此外，该研究还有一个重要的启示：人类的面部驱动是通过表皮和肌肉的协同作用实现的，而现有的机器人面部驱动通常是通过内置的电机或其他技术来实现的，这需要在机器人的头部安装大量的驱动装置。相比之下，人类的面部结构要简单得多，只有一层表皮和一层肌肉。

该研究为未来机器人面部驱动指出了一个可能的方向：就像团队制作的面具那样，通过表皮和人工肌肉的驱动方式，让人形机器人换脸变得更加简单。

该课题组的终极目标是，在人形机器人领域实现与人类相似的外观和表情驱动。具体来说，他们希望借助一层厚度不到 1 厘米的表皮和肌肉层来驱动表情、形貌，甚至颜色变化，并且在其中集成传感器。

基于这一目标，课题组当前的研究侧重于通过气体驱动改变面部轮廓，例如模拟不同年龄阶段的面部特征或调整面部的整体形状。然而，气体驱动的反应速度相对较慢（分钟级别切换），而人类表情变化通常在几秒内完成。

随着技术的发展，未来可能会出现新的变形驱动材料，这些材料不仅能改变轮廓，还能实现更快速响应、更丰富面部种类和多种夸张表情的表达。

变色变形技术在多个领域都有广泛的研究和应用，此前，已有相关研究利用变色材料实现环境适应性伪装，通过材料的颜色变化来与周围环境相匹配。此外，还有一些研究专注于开发柔性变色材料，用于适应不同形状和环境需求。

在该研究中，一个特别有潜力的技术是可逆化学反应驱动系统。这种技术不仅稳定性高，而且能够输出较大的力，并实现双向可逆操作。

邹俊解释说道：“这意味着它不仅可以单向输出，还能收回，从而实现小型化驱动装置的设计，这对于可穿戴设备尤其有价值。”

此前，邹俊课题组已经对穿戴式辅助肌肉进行相关研究，这种小型化的驱动装置可以应用于多种场景，比如为老年人设计的便携式外骨骼装置。随着年龄增长，老年人的肌肉力量会减弱，导致行动不便。通过这种技术，可以开发出轻便、灵活的外骨骼装置，帮助他们在行走、爬山或登楼时更加轻松。

据了解，邹俊作为创始人已经在不久前成立相关公司，正在有条不紊地推动该技术的商业化进程。并且，已经承接了相关项目。

“浙江省的创新氛围非常浓厚，浙江大学高端装备研究院也给予了我们很大的支持，希望未来能够推动技术在商业化落地，为人形机器人在表情驱动和交互领域的应用提供更多可能性。”邹俊表示。

参考资料：

1.Zhong,Y. et al. Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin.Science Advances11,7(2025). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6141

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