还记得《碟中谍》里汤姆·克鲁斯一戴面具就变身别人的科幻场景吗？随手一撕，立刻换一张脸。
这种只存在于科幻电影中的技术，现在被浙江大学的科学家们带入了现实世界。
最近，浙江大学机械工程学院邹俊教授团队在Science Advances上发表了一项重磅研究：他们研发出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，让人类或人形机器人可以一次在至少8张脸之间切换，整个过程静音安全，并且面具厚度仅约1厘米。
最神奇的是，这个面具不仅能变形，还能变色！它可以根据需要调整面部轮廓和肤色，让人形机器人实现真正意义上的”变脸”。
论文标题为《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。
▍受生物启发，既能“变色”又能“变形”
邹俊教授团队目前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。在探索人形机器人交互方案的过程中，他们从自然界中获得了灵感。
自然界中一些生物拥有独特的”伪装”能力 – 河豚通过身体的流体变形来改变外形，变色龙则可以改变皮肤颜色来适应环境。这让研究人员产生了将这种能力应用到人形机器人的想法：如果机器人能像这些生物一样变形变色，或许能让人机交互转变为更加丰富的”动态”模式。
浙大团队研发的变脸面具由两层关键结构组成：温度变色层和变形层。
变色层技术基于我们生活中常见的热致变色原理 – 就像那种倒入热水后会变色的杯子。这种电子转移型有机化合物在特定温度下会因分子结构变化而改变颜色。不仅颜色鲜艳，还能实现从”有色-无色”和”无色-有色”的转变，这是其他类型变色材料所不具备的特性。
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。
通过控制温度，可以实现从黑色到黄色，甚至各种肤色的过渡变化。温度设定略高于人体体温（约40℃），以避免人体温度对驱动变色产生干扰。
在变形层面，研究人员认识到人与人面部的差异主要来自两个方面：颅骨形状不同和肌肉分布不同。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。
为确保安全性，研究人员在面具中间设计了相对较厚的隔热层，并将驱动系统与佩戴者完全分离，只通过软管连接，避免了氨液与佩戴者直接接触。所有的控制装置都集成在一个仅有腰包大小的驱动装置中。
▍“丑八怪”到以假乱真：五年攻坚的技术突破
视频. 机器人穿戴面具实现动态变脸
视频. 人类穿戴面具实现多次变脸
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。
研发初期，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”。最初几代面具甚至连面部识别系统都无法将其识别为”人脸”。
团队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。经过不断改进和迭代，团队终于在第7版面具上取得了突破，一张可穿戴的变脸面具初具雏形。目前，制作一张面具的时间已缩短至两个多月。
在实验条件下，面具的变形时间约为100秒，颜色变化稳定且可逆，能够维持超过500次循环。面具内部温度控制在30℃左右，厚度约1厘米，能够贴近真实的脸部模拟。
研究团队进行了人脸识别系统测试。以三种典型的商用人脸识别系统为例，面具变化后的面容与初始面容相比的相似度明显下降，证明了所实现的不同面容之间存在显著差异。
实验中，佩戴者在初始面容状态下无法通过人脸比对，变脸后却能成功通过人脸识别门禁系统，随后再次通过变脸变换身份，实现了多重身份的切换。
▍重塑机器人交互：从表情系统到”七十二变”
这项技术的应用前景远不止于伪装。浙大团队早在2022年就研发出了人形机器人表情系统”ZJ-Face”，能让机器人通过眨眼、皱眉、微笑、张嘴等丰富动作表达情绪。而新的变脸面具系统则将这种能力提升到了新高度。
与传统的机器人表情驱动不同，这项技术为未来机器人面部驱动指出了一个全新方向。人类的面部驱动是通过表皮和肌肉的协同作用实现的，而现有机器人面部驱动通常需要在头部安装大量电机等驱动装置。相比之下，人类面部结构要简单得多，只有表皮和肌肉两层。
通过模拟这种表皮-肌肉的双层结构，团队创造的面具系统大大简化了机器人面部表达的复杂性，提高了效率。
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，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。
目前，一个名为“新白娘子”的机器人已经装备了这项技术，即将在杭州中国伞博物馆担任讲解员，为参观者提供富有表情和互动能力的导览体验。
这款变脸技术还有望应用于陪伴式机器人。通过这项技术，机器人不仅可以实现肤色变化，还能随着时间的推移呈现出从青年到老年的衰老特征变化，如色斑、皱纹和面部肌肉的松弛等。
在论文审稿过程中，审稿人曾对技术的伦理性提出质疑，担心这种面具可能带来社会冲击和伦理道德问题。团队解释，用于人类的可穿戴变形面具只是该技术的应用方向之一，他们更希望将这种技术应用到人形机器人领域。
此外，这项研究中的一项技术还能拓展到穿戴式辅助肌肉领域。团队此前已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，比如为老年人设计便携式外骨骼装置，帮助他们在行走、爬山或登楼时更加轻松。
▍结语与展望
团队也在持续开始探索更多变的原材料，希望让面具更轻薄、反应更迅速，并结合人工智能和大模型技术，为人形机器人定制更丰富的外貌、音色、皮肤和年龄特征，以期实现未来变脸面具“72变”。
值得一提的是，邹俊教授已经作为创始人成立了相关公司，正在推动该技术的商业化进程，并已承接相关项目。在浙江省浓厚的创新氛围和浙江大学高端装备研究院的支持下，这项技术有望尽快走向市场应用。
当我们回看机器人学的发展历程，可以看到人们一直在努力让机器人更加”人化”。从早期机械臂，到如今能够表达情感的类人机器人，每一步进步都让人机之间的互动更加自然和丰富。
浙大团队的这项研究，无疑是这一进程中的重要一步。它不仅让科幻电影中的情节走进现实，更为人机交互开辟了全新维度。从变色变形面具到未来可能的全身式拟人机器人，我们正见证着科幻与科技的深度融合。
（文：机器人大讲堂）