在電影《碟中諜》中，湯姆·克魯斯透過戴上高科技面具瞬間切換為另一個人面孔的情節令人印象深刻。而如今，這種科幻技術已經照進現實。
近期，浙江大學鄒俊教授課題組開發了一種基於可程式設計化學流體系統氣體驅動的柔性可穿戴面具，能實現 8 種不同面孔的顏色和麵部輪廓的形狀變換，整個過程靜音且安全。
圖丨為人形機器人表情驅動和動態變臉提供可能性（來源：鄒俊）
在實驗條件下，這種面具的變形時間約 100 秒，顏色變化穩定且可逆，能夠維持超過 500 次迴圈。此外，面具的內部溫度控制在 30℃ 左右，厚度約 1 釐米，能夠貼近真實的臉部模擬。
該技術不僅有望應用於可穿戴裝置領域，還可能為人形機器人表情驅動和“動態”變臉提供新思路。
日前，相關論文以《人類透過可重程式設計化學流體皮膚的柔性面具實現偽裝與表情表達》（Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin）為題發表在 Science Advances[1]。
圖丨相關論文（來源：Science Advances）
受生物“偽裝”能力啟發，讓面具既能“變色”又能“變形”
目前，鄒俊團隊主要集中在兩個研究方向：柔性驅動技術和互動式人形機器人。其中，柔性驅動技術更偏向基礎研究，而互動式人形機器人則是落地應用的重點。
在探索人形機器人互動方案的過程中，他們注意到自然界中一些生物擁有獨特的“偽裝”能力，可以利用皮膚的變形或變色實現自然且高效的表達行為。例如，河豚透過身體的流體變形來改變外形，變色龍的皮膚則具有變色功能。
這為研究人員提供了科研靈感：人形機器人通常是靜態相貌，如果將自然界這種“偽裝”能力應用到人形機器人領域，或許可以讓其與人類的互動方式轉變為更加豐富的“動態”模式。
圖丨從左至右依次為：唐威研究員、鄒俊教授、仲一丁博士（來源：鄒俊）
那麼，面具中的變色和變形是如何實現的呢？
在生活中，我們常見到由熱致變色材料製備的杯子在倒入熱水後，隨著溫度變化會改變表面顏色或顯示出文字/圖案。實際上，這項研究中所涉及的變色原理與熱致變色材料的應用類似。
這種材料是一種電子轉移型有機化合物，屬於特殊的有機發色體系。在特定溫度下，因電子轉移導致分子結構發生變化，從而實現顏色的轉變。它不僅顏色鮮豔，還能實現從“有色-無色”和“無色-有色”狀態的顏色變化，這是其他型別變色材料所不具備的。
在面具製作過程中，研究人員採用了液態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，溫度變色微膠囊是透過將矽膠和溫度變色粉末混合在一起，從而實現比較均勻的變色效果。
圖丨可穿戴變臉面具的呈現效果（來源：鄒俊）
那麼，為什麼選擇液態金屬加熱纖維來加熱呢？
鄒俊解釋說道：“因為面部本身是有形變的，普通的固定金屬絲拉伸性不夠，在形變範圍上有一定的限制。而使用液態金屬加熱纖維，則可以滿足面部較大範圍的形變需求。即使面部發生形變，液態金屬纖維也不會斷裂，仍然可以繼續完成加熱。”
這種可穿戴面具由溫度變色層和變形層兩層結構組成。在溫度變色層，透過這種特殊的變色材料可以改變最外層的顏色。研究人員選擇了黑色和黃色之間的變化作為方案，並將溫度設定為略高於人體的體溫（約為 40℃ 左右），以避免人體溫度對驅動變色的干擾。
在不同的溫度區間內，材料會顯示出不同的顏色，透過精確控制溫度範圍，可在特定區域內實現顏色的變化。
“這種變色材料通常以微膠囊形式存在，內部是變色物質，外部有一層透明外殼，以保護變色物質免受外界化學物質的侵蝕。”鄒俊表示。
圖丨變形和顏色變化的驅動作用（來源：Science Advances）
需要了解的是，人與人之間的面部差異主要來自兩個方面：一是顱骨的形狀不同，二是肌肉分佈不同，這些差異使得每個人的臉部輪廓各不相同。
針對這些關鍵部位，該團隊設計了變形層，其採用氣動驅動的方式在較大的範圍內實現變形。該課題組選擇了一種基於氨溶液的可逆分解反應來實現這種變形，它既可以向外鼓起，也可以將氣體收回。
在安全性保障方面，研究人員在面具中間設計了相對較厚的隔熱層，為佩戴舒適性和保持安全溫度創造了條件。另外，他們還將柔性面具的驅動系統和佩戴者進行分離，只通過軟管連線，避免了氨液與佩戴者直接接觸，進而提升了安全性。
應用場景：人形機器人、動態偽裝和老年陪伴
該研究從開始探索到論文釋出共經歷了五年時間，期間遇到了諸多挑戰。“因為這是一個全新的領域，沒有人做過類似的研究，也沒有任何可以借鑑的經驗，一切都要從零開始摸索。”鄒俊說。
在研究的最初階段，製作一個面具就需要花費半年時間，而且製作出來的面具在變形後往往無法呈現出正常的人臉，而是一個“醜八怪”。
面具製作過程耗費了課題組大量時間，甚至在論文中還專門有一部分討論如何讓面具變形後依然保持人臉的特徵，這背後其實有一套數學模型的約束。經過不斷改進，目前製作一張面具的時間已縮短至兩個多月。
“這項技術的實現難度極高，如果做得不好，面具根本無法呈現出人臉的效果，如果不能做到這一點，即便它能夠變色變形也毫無意義。”鄒俊表示。
圖丨可重程式設計的化學流體皮膚和軟掩膜的設計策略（來源：Science Advances）
在論文審稿過程中，審稿人對技術的倫理性提出質疑。專家們擔心這種面具可能帶來社會衝擊和倫理道德問題，研究人員也對此做出了回應。
實際上，用於人類的可穿戴變形面具只是該技術的應用方向之一，該團隊更希望將這種技術應用到人形機器人領域，來實現其面部區域性特徵的變化，這是首次嘗試，也是目前其他技術無法實現的。
比如，讓陪伴式機器人能夠像人類一樣，不僅可以實現膚色變化，隨著時間的推移還可以呈現出從青年到老年的衰老特徵變化，如色斑、皺紋、面部肌肉的鬆弛等。
這種技術不僅能夠提升人形機器人的互動能力，還可能對未來機器人的表情驅動方式產生深遠影響。
此外，該研究還有一個重要的啟示：人類的面部驅動是透過表皮和肌肉的協同作用實現的，而現有的機器人面部驅動通常是透過內建的電機或其他技術來實現的，這需要在機器人的頭部安裝大量的驅動裝置。相比之下，人類的面部結構要簡單得多，只有一層表皮和一層肌肉。
該研究為未來機器人面部驅動指出了一個可能的方向：就像團隊製作的面具那樣，透過表皮和人工肌肉的驅動方式，讓人形機器人換臉變得更加簡單。
該課題組的終極目標是，在人形機器人領域實現與人類相似的外觀和表情驅動。具體來說，他們希望藉助一層厚度不到 1 釐米的表皮和肌肉層來驅動表情、形貌，甚至顏色變化，並且在其中整合感測器。
圖丨互動式人形機器人（來源：鄒俊）
基於這一目標，課題組當前的研究側重於透過氣體驅動改變面部輪廓，例如模擬不同年齡階段的面部特徵或調整面部的整體形狀。然而，氣體驅動的反應速度相對較慢（分鐘級別切換），而人類表情變化通常在幾秒內完成。
隨著技術的發展，未來可能會出現新的變形驅動材料，這些材料不僅能改變輪廓，還能實現更快速響應、更豐富面部種類和多種誇張表情的表達。
變色變形技術在多個領域都有廣泛的研究和應用，此前，已有相關研究利用變色材料實現環境適應性偽裝，透過材料的顏色變化來與周圍環境相匹配。此外，還有一些研究專注於開發柔性變色材料，用於適應不同形狀和環境需求。
在該研究中，一個特別有潛力的技術是可逆化學反應驅動系統。這種技術不僅穩定性高，而且能夠輸出較大的力，並實現雙向可逆操作。
鄒俊解釋說道：“這意味著它不僅可以單向輸出，還能收回，從而實現小型化驅動裝置的設計，這對於可穿戴裝置尤其有價值。”
此前，鄒俊課題組已經對穿戴式輔助肌肉進行相關研究，這種小型化的驅動裝置可以應用於多種場景，比如為老年人設計的行動式外骨骼裝置。隨著年齡增長，老年人的肌肉力量會減弱，導致行動不便。透過這種技術，可以開發出輕便、靈活的外骨骼裝置，幫助他們在行走、爬山或登樓時更加輕鬆。
據瞭解，鄒俊作為創始人已經在不久前成立相關公司，正在有條不紊地推動該技術的商業化程序。並且，已經承接了相關專案。
“浙江省的創新氛圍非常濃厚，浙江大學高階裝備研究院也給予了我們很大的支援，希望未來能夠推動技術在商業化落地，為人形機器人在表情驅動和互動領域的應用提供更多可能性。”鄒俊表示。
參考資料：
1.Zhong,Y. et al. Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin. Science Advances 11,7(2025). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6141
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