工程师们重新利用摄影技术来增强传感器、视觉

离散传感器和视觉洞察

• 麻省理工学院的一个团队将19世纪的彩色摄影技术应用到现代全息材料上，将大尺寸图像打印在弹性材料上，这种材料在拉伸时可以改变颜色。
• 这项技术可以改善压力监测绷带、触摸感应机器人和其他依赖于从地面收集数据的物体。
• 可穿戴技术在过去几年里变得相当流行，这是一种有趣的融合，当它们与现代技术结合时，旧技术获得了新生命。

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想象一下，拉长一张胶片来揭示隐藏的信息。或者通过检查臂带的颜色来衡量肌肉质量。或者穿一件随着你绕圈而改变颜色的泳装。由于麻省理工学院的工程师们复兴并重新利用了一种摄影技术，这种变色龙般的变色材料可能即将问世。通过将19世纪的彩色摄影技术应用于现代全息材料，麻省理工学院的一个团队将大尺寸图像打印在弹性材料上，当拉伸时，可以改变其颜色，在材料拉伸时反射不同的波长。

研究人员制作了印有详细花束的弹性薄膜，当薄膜被拉伸时，会从温暖的色调变成较冷的色调。他们还打印出能显示草莓、硬币和指纹等物体印记的薄膜。

该团队的结果提供了第一个可扩展的制造技术，用于生产具有“结构颜色”的详细的大规模材料，这种颜色是由材料的微观结构产生的，而不是由化学添加剂或染料产生。

麻省理工学院机械工程系的研究生本杰明·米勒(Benjamin Miller)说:“缩放这些材料并非易事，因为你需要在纳米尺度上控制这些结构。”“现在我们已经清除了这个缩放障碍，我们可以探索这样的问题:我们可以使用这种材料制造具有类似人类触觉的机器人皮肤吗?”我们能否为虚拟增强现实或医疗培训创造触摸感应设备?我们现在看到的是一个很大的空间。”

研究小组的研究结果今天出现在自然材料．米勒的合著者是麻省理工学院的本科生Helen Liu和麻省理工学院机械工程副教授Mathias Kolle。

全息图偶发事件

科勒的团队开发了受大自然启发的光学材料。研究人员研究了软体动物外壳、蝴蝶翅膀和其他彩虹生物的光反射特性，这些生物似乎会因微观表面结构而闪烁和改变颜色。这些结构有一定的角度和层次，像微型彩色镜子一样反射光线，或者工程师们所说的布拉格反射器。

包括Kolle 's在内的团体试图用各种技术在材料中复制这种自然的结构颜色。一些努力已经产生了具有精确纳米级结构的小样品，而另一些则产生了较大的样品，但光学精度较低。

正如该团队所写:“尽管有几个潜在的高影响力应用，但同时提供[微尺度控制和可扩展性]的方法仍然难以捉摸。”

在为如何解决这一挑战而困惑时，米勒碰巧去了麻省理工学院博物馆，那里的一位馆长向他介绍了全息摄影的展览，全息摄影是一种通过将两束光束叠加在物理材料上产生三维图像的技术。米勒说:“我意识到他们在全息摄影中所做的事情与大自然在结构色彩上所做的事情是一样的。”

那次访问促使他深入研究全息摄影术及其历史，这使他回到了19世纪晚期，以及李普曼摄影术——法国-卢森堡物理学家加布里埃尔·李普曼发明的一种早期彩色摄影技术，他后来凭借这项技术获得了诺贝尔物理学奖。

李普曼首先在一种非常薄的透明乳液后面放置一面镜子，这种乳液是由微小的光敏颗粒调制而成的。他把装置暴露在一束光下，镜子通过乳剂反射回来。进出光波的干涉刺激乳剂颗粒重新配置它们的位置，就像许多小镜子一样，并反射出曝光光的模式和波长。

利用这种技术，李普曼将花和其他场景的彩色结构图像投影到他的乳剂上，尽管这个过程很费力。它需要手工制作乳剂，并等待数天，使材料充分暴露在光线下。由于这些限制，这项技术在很大程度上逐渐消失在历史中。

一个现代的转折

米勒想知道，如果与现代全息材料配合使用，李普曼摄影技术是否可以加快生产大规模的、结构上有颜色的材料。就像李普曼的乳剂一样，目前的全息材料由光敏分子组成，当暴露在入射光子下时，可以交联形成彩色镜子。

Kolle说:“这些现代全息材料的化学反应非常灵敏，只需一台投影仪就可以在短时间内完成这项技术。”

在他们的新研究中，该团队将弹性透明全息薄膜粘附在反射镜面上(在这种情况下，是一片铝板)。然后，研究人员在距离胶片几英尺的地方放置了一台现成的投影仪，并将图像投射到每个样本上，包括李普曼式的花束。

正如他们所怀疑的那样，这些胶片在几分钟内(而不是几天)就制作出了大而细致的图像，生动地再现了原始图像中的颜色。

然后，他们把镜子上的薄膜剥开，粘在黑色弹性硅胶衬底上作为支撑。他们拉伸薄膜并观察到颜色的变化——这是材料结构颜色的结果:当材料拉伸变薄时，其纳米级结构会重新配置，以反射略微不同的波长，例如，从红色变成蓝色。

研究小组发现，薄膜的颜色对张力高度敏感。在制作出一层完全红色的薄膜后，他们将其粘附在厚度不同的硅胶衬底上。在衬底最薄的地方，薄膜保持红色，而较厚的部分拉伸薄膜，使其变成蓝色。

同样，他们发现，将各种物体压入红色薄膜样品中会留下详细的绿色印记，这是由草莓种子和指纹褶皱引起的。

有趣的是，他们还可以投射隐藏的图像，在制造彩色镜子时，通过将胶卷倾斜成与入射光有关的角度。这种倾斜本质上导致材料的纳米结构反射红移光谱。例如，在材料曝光和显影过程中使用的绿光会导致红光被反射，而红光暴露会使结构反射红外线——一种人类看不到的波长。当材料被拉伸时，这个原本看不见的图像会改变颜色，显示为红色。

“你可以用这种方式来编码信息，”科勒说。

总的来说，该团队的技术是第一个能够大规模投影细节化的彩色结构材料的技术。科尔指出，这种新的变色材料很容易集成到纺织品中。除了时尚和纺织品，该团队还在探索变色绷带等应用，用于治疗静脉溃疡和某些淋巴疾病时监测绷带压力水平。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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