大家好！在科幻电影里，我们常常看到神奇的变脸情节，像《终结者》里特工用液态金属改变外貌，《X战警：天启》里魔形女随意变换容貌执行任务，可现实中却很难实现。今天来一起了解一项可重新编程化学液体皮肤及基于它的软面具——《Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin》发表于《SCIENCE ADVANCES》！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景：为何要研发软面具
在生活中，人们会用化妆、戴普通面具来改变容貌，但这些方法都只能静态改变一次，远远达不到科幻电影里动态变脸的效果。在科研领域，虽然对机器人面部表情控制有所研究，但那些刚性驱动部件又大又吵，根本没法用在人脸上，而且也不能改变面部形状和颜色。所以，开发能让人类实现伪装和表情表达的可穿戴、主动、动态变脸面具，成了一个巨大挑战。
二、软面具的设计灵感：源于大自然的智慧
自然界是最好的老师，很多生物都有独特的伪装和表情表达能力。比如河豚，遇到危险时会吸入大量液体让身体膨胀、皮肤变形来吓退敌人；还有变色龙，能根据环境、温度和心情改变皮肤颜色，隐藏自己或传递信息。受这些生物启发，研究团队研发出了可重新编程化学液体皮肤，它像河豚皮肤一样能靠液体变形，又像变色龙皮肤一样能变色，基于这个皮肤，设计出软面具。
三、软面具的神奇之处：多样功能大揭秘
（一）软面具实现伪装与表情表达
软面具主要由嵌入液态金属加热纤维的变色表面、弹性表面、形状可编程表面以及提供驱动压力的化学流体组成。从下图能看到它的结构，很多热致变色微胶囊分布在变色表面，通过控制液态金属加热纤维加热，就能调整变色表面颜色。不同设计的腔室在化学流体压力作用下会变形，让整个皮肤跟着变，实现形状调整。基于这个原理，软面具能在至少八张人脸之间切换，而且很轻薄，戴在头上很贴合，启动时没声音还安全，能改变面部颜色和形状，不管是机器人还是人戴上，都能实现面部变化和表情调节。
（二）可编程化学反应提供动力
为了让软面具灵活变形，需要一个好用的驱动压力源。传统流体驱动方法用的泵、压缩机和阀门又大又复杂，还不适合用在人机界面。研究团队提出了基于可逆产气化学反应的化学流体驱动方法，以可逆的氨溶液分解反应为例，加热氨溶液会产生氨气，推动腔室膨胀变形；冷却后，氨气溶解，腔室恢复原状。从下图能直观看到这个过程，而且通过控制加热功率和时间，能调节驱动速率和腔室变形状态。基于这个方法，还提出了软可编程化学反应概念，给软面具变形提供动力，它柔软、可编程、定制性强，还轻便、无声，是软面具理想的驱动方式。
（三）大面积可控变色的奥秘
在柔性显示和可穿戴设备领域，在可拉伸复杂曲面上实现大面积可控变色特别重要。研究团队提出的曲面架构，把大面积可控变色、可拉伸性和定制复杂曲面配置这些特性都集于一身。这个架构里的液态金属加热纤维能调节相邻区域颜色变化，不同加热功率下，单根液态金属加热纤维诱导的变色区域宽度不同。而且通过调节加热功率，能控制纤维达到的温度，选择合适功率就能让热致变色微胶囊变色。这种变色表面不仅变色能力强，还很有弹性，保证了软面具的变形效果。和其他变色方式比，热致变色微胶囊方案制造简单、变色和变形互不干扰，还能调出很多颜色，颜色稳定性也很好。
（四）可重新编程化学液体皮肤的独特魅力
可重新编程化学液体皮肤能对形状和颜色特征进行编程调整。通过调节激活的液态金属加热纤维分布，能控制特定区域颜色变化，实现图案和文字显示；设计不同热致变色微胶囊分布，能定制变色和调节变色阈值温度，实现顺序变色。它的颜色变化和变形都是可逆的，在实验条件下，变形时间大概100秒。有限元模拟也证明了变形设计的可靠性和准确性。
（五）软面具的设计与制造：精密打造的科技产物
软面具的设计和制造可不简单。它包含嵌入液态金属加热纤维的变色表面和内部可变形腔室。为了让软面具贴合人脸，研究团队用了参数化人脸模型，通过3D扫描等方式获取面部信息，注册到模型里，再缩放模型得到软面具各层设计所需的人脸形状。具体流程，比如设计可变形腔室时，要建立理论模型，通过插值、体素化等操作，找到最合适的设计和压力参数。软面具的形状可编程表面还能回收材料、重新编程表面形状和改写设计信息。
四、软面具的性能表现：实力验证
软面具继承了可重新编程化学液体皮肤的优点，能单独或联合调节形状和颜色特征，实现多种人脸切换。在不同人脸间切换的效果，而且能通过不同中间步骤变成目标脸。
软面具采用隔热设计，戴在人脸上很安全，即使变色时，和人体接触的内表面大部分区域温度都低于30°C。它的颜色变化稳定性好，热致变色微胶囊能循环变色500多次，腔室变形也很耐用，在2个月的间歇性实验里都能正常工作。在不同温度环境下，软面具的变色时间会有变化，不过在适合人类生活的常温环境里都能正常使用。
五、软面具的应用展示：未来已来
软面具戴在人形机器人头上，能让机器人调节面部表情和姿势，机器人戴上软面具后的生动表现，这为机器人研究开拓了新方向。真人戴上软面具，能多次切换不同人脸，欺骗面部识别系统。
软面具改变面部特征后，和初始脸的相似度大幅降低，在实验的商业面部识别系统里，最低相似度能降到19%、64%和52%，都低于一般的判断阈值，成功实现身份切换和隐私保护，就像科幻电影里的变脸场景走进了现实。
六、研究总结与展望：持续探索新可能
这项研究成功做出了能在现实中让人变脸的软面具，和传统普通面具、现有的数字脸、机器脸、功能面具比，它在调节面部形状和颜色、柔软度、可穿戴性、可重新编程等方面都有很大优势。不过目前也有一些不足，软面具在动态使用时因缺乏表情变化易被识别，氨气存在泄漏风险，热致变色方案的速度和可控性待提升。未来将探索更安全的驱动技术和可拉伸电致变色器件。
七、一起来做做题吧
1、关于人类伪装和表情的方式，以下说法正确的是（ ）
A. 人类目前可以通过普通面具实现动态多层面部变化
B. 电影中的面部伪装和表情方式在现实中已广泛应用
C. 现有研究中机器人面部表情控制的刚性组件可用于人类面部
D. 人类可通过化妆或戴普通面具进行一次性外貌改变
2、可重新编程化学液体皮肤模仿了哪些生物的特性（ ）
A. 仅模仿了变色龙的变色特性
B. 仅模仿了河豚的变形特性
C. 模仿了河豚的变形和变色龙的变色特性
D. 模仿了章鱼的伪装和变形特性
3、关于软面具的设计和制造，下列说法错误的是（ ）
A. 软面具的设计不需要考虑与佩戴者面部的贴合度
B. 利用参数化模型可将 3D 面部形状映射到低维向量空间
C. 制造软面具需要设计并组装多个不同功能的部件
D. 形状可编程表面可实现材料回收和信息改写
4、软面具在实际使用中的优势不包括以下哪一点（ ）
A. 可以实现面部颜色和形状的独立调节
B. 能够欺骗所有面部识别系统
C. 采用隔热设计，使用安全
D. 具有良好的耐久性
5、关于软面具目前存在的局限性，说法正确的是（ ）
A. 静态图片中面部仿真度较低
B. 氨溶液和氨气完全没有泄漏风险
C. 热致变色方案的速度和可控性无需改进
D. 动态使用时因缺乏表情变化易被认出
参考文献：
Yiding Zhong et al. Human camouflage and expression via soft mask from reprogrammable chemical fluid skin. Sci. Adv.11, eadq6141(2025).
