一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜及方法

一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜及方法
1.技术领域
2.本发明涉及变色薄膜技术领域，特别是指一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜及方法。


背景技术：

3.传统的可见光变色方法是在物体的表面涂上与背景颜色一致的迷彩或在物体表面罩上变色网。这些手段虽然实施起来较简单，但隐身效果只适用于静止目标或目标在变化不大的背景下运动的情况，因而影响了机器人或隐形设备的机动性。为了克服传统变色技术的缺陷，科研人员积极探索和研究基于“智能”变色材料的动态隐身技术，以适应周围复杂多变的背景环境。目前, 研究较多的有热致变色、光致变色和电致变色材料等，可应用于智能穿戴的外层变色外罩，其亮度和颜色会随着背景光的改变而相应地改变。但“智能”变色材料存在着变色速度慢、性能不稳定的缺点。液晶材料和 led 光源也曾被用于变色眼镜和服装变色的研究中，但这两种材料很难实现自然的变色效果。随着研究人员对透光度高的柔性薄膜材料和微流体自适应变色原理的深入研究，为此利用微流体薄膜的颜色调整，能够解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有可见光变色材料难以解决的变色速度慢、性能不稳定、色彩变化单一等技术问题，本发明提出了一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜及方法。
5.本发明的技术方案是这样实现的：一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜，包括：无色气体控制系统装置和有色液体容腔变色薄膜，所述有色液体容腔变色薄膜，包括上层pmma板（101）、有色液体容腔（102）、有色液体入口（103）、有色液体出口（104）、两容腔之间的pmma弹性薄膜（105）、无色气体容腔（106）、无色气体入口（107）、无色气体出口（108）和下层pmma板（110）；上层pmma板（101）与有色液体容腔（102）相连接，有色液体容腔（102）与有色液体入口（103）和有色液体出口（104）相连通，有色液体容腔（102）与两容腔之间的pmma弹性薄膜（105），两容腔之间的pmma弹性薄膜（105）与无色气体容腔（106）相连接，无色气体容腔（106）与无色气体入口（107）和无色气体出口（108）相连通，无色气体容腔（106）与下层pmma板（110）相连接；所述无色气体控制系统装置包括，换向阀（111）、比例减压阀（112）、压缩气源（113），无色气体容腔（106）通过无色气体入口（107）与换向阀（111-1）相连接，换向阀（111-1）通过比例减压阀（112-1）与压缩气源（113-1）相连接；无色气体容腔（106）通过无色气体出口（108）与换向阀（111-2）相连接，换向阀（111-2）通过比例减压阀（112-2）与压缩气源（113-2）相连接。
6.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜，所述有色液体容腔（102）顶部以及无色气体容腔（106）底部分别由上层pmma板（101）以及下层pmma板（110）覆盖；所述有色液体容腔
（102）所连接的有色液体入口（103）和有色液体出口（104）都与外部有色液池相连接；所述有色液体容腔（102）设有两个开口，有色液体容腔（102）分别与一个有色液体入口（103）和一个有色液体出口（104）、有色液体容腔（103）相连通。
7.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜，所述无色气体容腔（106）设有两个开口，无色气体容腔（106）分别与一个无色气体入口（107）和一个无色气体出口（108）相连通；所述无色气体容腔（106）所连接的无色气体入口（107）和无色气体出口（108）都与外部气动系统相连接。
8.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜，所述有色液体容腔（102）和无色气体容腔（106）之间由pmma弹性薄膜（105）相连接且相阻隔。
9.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜，所述换向阀（111-1）与无色气体入口（107）相连接，换向阀（111-1）在无色气体入口（107）与比例减压阀（112-1）之间；换向阀（111-2）与无色气体入口（108）相连接，换向阀（111-2）在无色气体入口（107）与比例减压阀（112-2）之间；所述比例减压阀（112-1）与压缩气源（113-1）相连接，换向阀（111-1）在压缩气源（113-1）与比例减压阀（112-1）之间；比例减压阀（112-2）与压缩气源（113-2）相连接，换向阀（111-2）在压缩气源（113-2）与比例减压阀（112-2）之间。
10.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜的变色方法，包括调节容腔式柔性变色膜气动系统、由有色液体容腔和下部的无色气体容腔组合而成的伪装变色薄膜变色、环境色彩变化的采集、气压驱动容腔式变色系统控制，1）调节容腔式柔性变色膜气动系统的压缩空气气体驱动装置将无色气体充入容腔式变色薄膜下层的气腔内，从而挤压有色薄膜形变，使薄膜完成变色；反方向调节微流体驱动装置将有色液体从容腔内吸出，或用无色的压缩空气把有色液体排出，或在容腔内再充入其他颜色液体则薄膜回复原色或变换成另外一种颜色；当换向阀电磁铁通电时，压缩气源产生的压缩空气经比例减压阀调压后进入柔性变色膜的无色气体容腔，使无色气体容腔薄膜产生膨胀或压缩变形，进而挤压或放松无色气体容腔上部的有色液体容腔，使得有色液体容腔内部的液体实现充、放液，从而实现薄膜的色彩调整。调节比例减压阀调定压力的大小就可以调节无色气体容腔膜壁的变形量。当换向阀电磁铁断电时，容腔式柔性变色膜无色气体容腔不再充气，薄膜回复充液状态。对不同整个拼接薄膜不同区域的无色气体容腔施加不同的气体压力，容腔式柔性变色膜可呈现出不同的色彩分布；其中，容腔式柔性变色薄膜装置总响应时间小于5 s；容腔式柔性变色气动装置工作压力小于0.2 mpa；容腔式柔性变色薄膜装置总重量小于10 kg；2）伪装变色薄膜变色，所述pmma 薄膜为透明度较高的柔性材料，当无色气体容腔中没有无色气体充入时，薄膜处于有色液体充满的状态，此时薄膜显示出有色液体的颜色；当无色气体容腔中逐渐无色气体充入时，薄膜中有色液体容腔遭到挤压，有色液体部分流出，此时薄膜显示出有色液体部分淡化的颜色；当无色气体容腔中逐渐充满无色气体时，薄膜中有色液体容腔遭到完全压缩，薄膜处于无液体的状态，此时薄膜显示出无色透明；当无色气体容腔中的无色气体完全排出的同时，有色液体容腔充入新的有色液体（与原先有色液体颜色相同或者不同），此时薄膜显示出新的有色液体的颜色。
11.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜的变色方法，所述气压驱动容腔式变色系统通
过感受外界环境色彩的变化和采集外界环境图像信息实时调整自身的颜色变化，达到动态的隐身和变色效果；采用气压驱动的腔式变色薄膜系统的工作方法：是通过在腔式变色薄膜的气体容腔内吸出设定量的无色气体，则弹性薄膜向气体容腔侧产生变形，液体容腔体积增加，压力降低，有色液体被吸入，薄膜液体腔体发生形变，使薄膜完成变色；反之，在气体容腔内充入设定量的无色气体，弹性薄膜在气体压力的作用下，液体容腔侧产生变形，液体容腔体积减小，压力升高，有色液体被排出，则薄膜回复原色；一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜的变色方法，所述气压驱动容腔式变色系统控制方法：其具体步骤如下：1）、通过气压驱动容腔式变色系统的反馈信号形式，分析比较环境图像采集及信号提取方式；2）、通过气压驱动容腔式变色系统的不同控制方式，分析比较电磁、比例和伺服等不同形式的控制元件；3）、通过气压驱动容腔式变色系统流量控制方法及气压驱动容腔式变色系统电磁开关控制方式的逻辑控制方法，设计逻辑控制电路；对容腔式变色系统的逻辑控制方法进行开环特性仿真及试验测试。
12.4）、通过深度学习算法对摄像机拍摄的环境图像进行颜色信息提取，生成气动系统比例减压阀的控制信号，控制减压阀调定气动系统的压力，驱动柔性变色薄膜内的无色气体容腔发生变形，通过挤压作用，调节无色气体容腔上部的有色液体容腔内有色液体的进出量，改变有色液体容腔的颜色变化，从而实现视觉上色彩调整的目的。
13.5）、通过摄像机拍摄容腔式柔性变色薄膜的图像，提取色彩信息与环境信息进行比较，从而对变色效果进行快速修正。
14.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜的变色方法，所述容腔式变色薄膜的制备，具体步骤如下：首先，a.制作微流控磨具，b.按比例配液，配置 6:1 比例的 pmma 硅胶和硅烷固化剂的预聚物，c. 覆膜和固化，将 pmma 预聚物缓慢浇注覆盖在制作微流控的模具板上，待冷却固化成型后形成 pmma 透明柔性薄膜；d. 揭膜，从模具板上揭下薄膜，e.用钢针在pmma薄膜上打孔，孔作为有色液体或者无色气体进出口使用；f.封装，最后将 pmma 透明柔性薄膜进行不可逆的封装，制备形成包括基底的容腔式 pmma 透明柔性薄膜变色薄膜。
15.一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜的变色方法，所述整体薄膜结构由上述若干同样的小容腔式膜拼接而成，根据伪装变色膜所处的环境变化需要的整体薄膜结构，通过不断调节变形腔中气体的压力实现变色，从而与环境色彩相匹配以达到隐身融合的效果。
16.由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜及方法,利用微容腔结构的调整实现变色，具有结构和原理简单，响应快速、制作快速便捷、可靠性高等特点，使目标在颜色、温度、亮度、纹理等特征上始终能够与周围背景融为一体，容腔式自适应变色技术是通过对感知周围环境变化从而改变颜色，调节亮度，改变红外和雷达光谱，使之与环境相融，降低被发现的概率。相较于传统的薄膜变色、仿形变色以及植被恢复变色等技术，自适应变色能够自动收集提取目标周围环境数据，快速改变自身特性，消除目标的暴露特征。使得这一原理的变色装置具有更加广阔的应用前景。通过气压驱动无色气腔压力变化，从而影响上部有色液腔有
色液体的量，控制充液变色膜的表面变形进行自适应调节，从而实现可见光范围的充液薄膜的自适应变色。能够实现有色液体在薄膜内部的循环，完成自动、快速、多彩变色功能，且整个容腔内微流体的体积小、重量轻，因此对运动物体的运动速度影响较小，既适用于静态变色，也适用于机动变色。
17.本发明通过在容腔中通入不同颜色的液体来实现薄膜面自动变色，整个过程通过微控制系统气体驱动无色气体容腔的膨胀和压缩来调控有色微流体流入或流出薄膜内部透明容腔，从而实现薄膜自身颜色改变的功能。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图 1 为本发明所述容腔式变色薄膜结构示意图。
20.图 2 为本发明所述容腔式变色薄膜工作原理图。
21.图 3 为本发明所述容腔式柔性变色薄膜变色原理图。
22.图 4 为本发明所述容腔式柔性变色薄膜气动系统原理图。
23.图 5 为本发明所述容腔式变色薄膜制备流程图。
具体实施方式
24.如图1、2、3、4、5所示，一种气压驱动容腔式柔性变色薄膜，包括上层 pmma 板101、有色液体容腔102、两容腔之间的弹性薄膜105、无色气体容腔106、第二色层、色层间 pmma 板、底层、下层 pmma 板110、无色气体控制系统装置和有色液体容腔变色薄膜装置。所述有色液体容腔与微量流体控制系统装置相连接；有色液体容腔102与两容腔之间的弹性薄膜105相连接，两容腔之间的弹性薄膜105与无色气体容腔106相连接。
25.通过调节压缩空气气体驱动装置将无色气体充入容腔式变色薄膜下层的气腔内，从而挤压有色薄膜形变，使薄膜完成变色；反方向调节微流体驱动装置将有色液体从容腔内吸出，或用无色的压缩空气把有色液体排出，或在容腔内再充入其他颜色液体则薄膜回复原色或变换成另外一种颜色。
26.容腔式柔性变色膜气动系统由压缩气源1、比例减压阀2、换向阀3组成，第一压缩气源1、通过第一比例减压阀2、第一换向阀3与柔性变色膜7的无色气体容腔连接，第二压缩气源4、通过第二比例减压阀5、第二换向阀6与柔性变色膜7的另一无色气体容腔连接。如图 4 所示。
27.当换向阀电磁铁通电时，压缩气源1产生的压缩空气经比例减压阀2调压后进入柔性变色膜7的无色气体容腔，使无色气体容腔薄膜产生膨胀或压缩变形，进而挤压或放松无色气体容腔上部的有色液体容腔，使得有色液体容腔内部的液体实现充、放液，从而实现薄膜的色彩调整。调节比例减压阀1调定压力的大小就可以调节无色气体容腔膜壁的变形量。当换向阀电磁铁断电时，容腔式柔性变色膜无色气体容腔不再充气，薄膜回复充液状态。对不同整个拼接薄膜不同区域的无色气体容腔施加不同的气体压力，容腔式柔性变色膜可呈
现出不同的色彩分布。容腔式柔性变色薄膜装置总响应时间小于5 s；容腔式柔性变色气动装置工作压力小于0.2 mpa；容腔式柔性变色薄膜装置总重量小于10 kg。
28.工作原理：有色液体容腔102与两容腔之间的弹性薄膜105相连接，两容腔之间的弹性薄膜105与无色气体容腔106相连接，无色气体容腔106与气泵装置相连接，通过在气体容腔内吸出一定量的无色气体，则弹性薄膜105向气体容腔侧产生变形，有色液体容腔102体积增加，压力降低，有色液体a被吸入，薄膜液体腔体发生形变，使薄膜完成变色；反之，在气体容腔内充入一定量的无色气体b，弹性薄膜105在气体压力的作用下，有色液体容腔102侧产生变形，液体容腔体积减小，压力升高，有色液体a被排出，即排液d.则薄膜回复原色，如图 1 所示。其中，弹性薄膜105为pdms弹性薄膜。有色液体入口103，有色液体出口104，无色气体入口107，无色气体出口108。
29.气压驱动容腔式变色系统通过感受外界环境色彩的变化和采集外界环境图像信息实时调整自身的颜色变化，达到动态的隐身和变色效果。采用气压驱动的腔式变色薄膜系统的原理图如图 2 所示。
30.伪装变色薄膜由有色液体容腔和下部的无色气体容腔组合而成，如图 3 所示。pmma 薄膜为透明度较高的柔性材料，当无色气体容腔中没有无色气体充入时，薄膜处于有色液体充满的状态，此时薄膜显示出有色液体的颜色；当无色气体容腔中逐渐无色气体充入时，薄膜中有色液体容腔遭到挤压，有色液体部分流出，此时薄膜显示出有色液体部分淡化的颜色；当无色气体容腔中逐渐充满无色气体时，薄膜中有色液体容腔遭到完全压缩，薄膜处于无液体的状态，此时薄膜显示出无色透明；当无色气体容腔中的无色气体完全排出的同时，有色液体容腔充入新的有色液体，与原先有色液体颜色相同或者不同，此时薄膜显示出新的有色液体的颜色。整体薄膜结构可以由上述若干同样的小容腔式膜拼接而成，根据伪装变色膜所处的环境变化的需要，通过不断调节变形腔中气体的压力可以实现变色，从而与环境色彩相匹配以达到隐身融合的效果。
31.气压驱动容腔式变色系统控制方法研究：研究气压驱动容腔式变色系统的反馈信号形式，分析比较环境图像采集及信号提取方式；研究气压驱动容腔式变色系统的不同控制方式，分析比较电磁、比例和伺服等不同形式的控制元件；研究气压驱动容腔式变色系统流量控制方法及气压驱动容腔式变色系统电磁开关控制方式的逻辑控制方法，设计逻辑控制电路；对容腔式变色系统的逻辑控制方法进行开环特性仿真及试验测试。
32.利用深度学习算法对摄像机拍摄的环境图像进行颜色信息提取，生成气动系统比例减压阀的控制信号，控制减压阀调定气动系统的压力，驱动柔性变色薄膜内的无色气体容腔发生变形，通过挤压作用，调节无色气体容腔上部的有色液体容腔内有色液体的进出量，改变有色液体容腔的颜色变化，从而实现视觉上色彩调整的目的。通过摄像机拍摄容腔式柔性变色薄膜的图像，提取色彩信息与环境信息进行比较，从而对变色效果进行快速修正，如图 4 所示。
33.容腔式变色薄膜的制备过程分为造模和封装两个部分。首先，配置 6:1 比例的 pmma 硅胶和硅烷固化剂的预聚物，然后将 pmma 预聚物缓慢浇注覆盖在制作微流控的专用模具板上，待冷却固化成型后形成 pmma 透明柔性薄膜。其次，从模具板上揭下薄膜，并用专用的钢针在薄膜上打孔，孔可以作为液体或者气体进出口使用。最后，将 pmma 透明柔
性薄膜进行不可逆的封装，制备形成容腔式 pmma 透明柔性薄膜变色薄膜，如图 5 所示。
34.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。