Biomimetic chromatophores for camouflage and soft active surfaces

ABSTRACT

Chromatophores are the pigment-containing cells in the skins of animals such as fish and cephalopods which have chromomorphic (colour-changing) and controllable goniochromic (iridescent-changing) properties. These animals control the optical properties of their skins for camouflage and, it is speculated, for  communication. The ability to replicate these properties in soft artificial skin structures opens up new possibilities for active camouflage, thermal regulation and active photovoltaics. This paper presents the design and implementation of soft and compliant artificial chromatophores based on the cutaneous chromatophores in fish and cephalopods. We demonstrate artificial chromatophores that are actuated by electroactive polymer artificial muscles, mimicking the radially orientated muscles found in natural chromatophores. It is shown how bio-inspired chromomorphism may be achieved using both areal expansion of dielectric  elastomer structures and by the hydrostatic translocation of pigmented fluid into an artificial dermal  melanophore.

INTRODUCTION

The controlled chromomorphism of the skin is a characteristic employed by several organisms for active camouflage and, as argued by Messenger (2001), for communication. Octopuses for example use the tight neuro-muscular interaction of brain impulses with chromomorphic skin cells to generate extremely sophisticated visual patterns that run along their bodies for the purposes of social interaction. Cephalopods such as the common cuttlefish, Sepia officinalis, shown in figure 1 also rely on the effectiveness of their chromomorphic appearance o disrupt or confuse the visual attention of natural predators (Allen et al 2009, Hanlon 2007, Cornwell et al 1997). There are many different types of biological chromatophores (Mathger ¨
and Hanlon 2007). For example, cephalopod chromatophores contain pigment granules which are spread under local uscular action, while zebrafish chromatophores rely on pigmented fluid which is translocated, or ‘pumped’, from a sub-dermal reservoir to a display structure near the skin surface. All mechanisms however have evolved to maximize visual impact and hence maximize the potential for evasion, escape or for the attraction of a mate (Mathger ¨ et al 2009).  In artificial systems the mimicry of such natural chromomorphism is expected to result in entirely new approaches to (1) camouflage, for example by matching an organism with a background (Tachi 2003); (2) thermal regulation, for example by the controlled exposure of thermalemitting cells or cooling fluids and (3) active photovoltaics, for example where photo- sensitive elements are exposed when necessary to regions of high photon density.

چکیده

کروماتوفورها سلولهای حاوی رنگدانه در پوست حیوانات مانند ماهی و سفالوپودها هستند که دارای خواص کرومورفیک (تغییر رنگ) و کنترل گنویکرومی (تغییر رنگ درخشان) هستند. این حیوانات خواص اپتیکی پوسته های خود را برای استتار کنترل می کند و برای ارتباطات به نظر می رسد. توانایی تکثیر این خواص در ساختارهای پوستی مصنوعی پوست، فرصت های جدید برای استتار فعال، تنظیم حرارتی و فتوولتائیک فعال را باز می کند. این مقاله طراحی و پیاده سازی کروماتوفورهای مصنوعی نرم و سازگار را بر اساس کروماتوفورهای پوستی ماهی و سرخجه ها ارائه می دهد. ما کروماتوفور مصنوعی را نشان می دهیم که توسط عضلات مصنوعی پلیمری الکتروکواک انجام می شود، که تقلید از عضلات رانده شده ای که در کروماتوفورهای طبیعی یافت می شوند، تقلید می کنند. نشان داده شده است که چگونه کرومورفیسم الهام گرفته از بیوفیلم می تواند با استفاده از هر دو گسترش زیستی از ساختارهای الاستومر دی الکتریک و با انتقال هیدرواستاتیک مایع رنگدانه به ملانوفور پوستی مصنوعی حاصل شود.

مقدمه

کرومورفیسم کنترل شده پوست یک مشخصه است که توسط چندین موجودات برای استتار فعال استفاده می شود و، همانطور که توسط مسنجر (2001) مورد بحث قرار گرفته، برای برقراری ارتباط است. برای مثال، هشتوپس از تداخل عصبی-عضلانی تسریع کننده مغز با سلول های کرومورفیک پوست برای تولید الگوهای بصری پیچیده ای که در طول بدن آنها برای تعامل اجتماعی اجرا می شود، استفاده می کند. سفالوپودها مانند ساقه دریایی معمولی، Sepia officinalis، که در شکل 1 نشان داده شده نیز بر اثربخشی ظاهری کرومورفیک خود تأکید می کنند. دچار آسیب دیدگی یا آسیب دیدگی شکارچیان طبیعی (Allen et al 2009، Hanlon 2007، Cornwell et al. 1997). انواع مختلفی از کروماتوفورهای بیولوژیکی وجود دارد (Mathger ¨و هانلون 2007). به عنوان مثال، کروماتوفورهای سفالوپود حاوی گرانولهای رنگدانه هستند که تحت فعالیت عضلانی موضعی گسترش می یابند، در حالی که کروماتوفورهای کریستفیش بر روی سیال رنگدانه که از یک مخزن زیر پوستی به یک ساختار نمایش در نزدیکی سطح پوست انتقال داده می شود، تکیه می کنند. با این وجود، همه مکانیسم ها برای به حداکثر رساندن تاثیرات بصری تکامل یافته اند و از این رو حداکثر توانایی فرار، فرار یا جذب یک همسر را به حداکثر می رسانند (Mathger ¨ et al 2009). انتظار می رود که تقلید از چنین کرومورفیسم طبیعی در سیستم های مصنوعی، روشی کاملا جدید برای (1) استتار، به دست آورد، به عنوان مثال با تطبیق یک ارگانیسم با پس زمینه (Tachi 2003)؛ (2) مقررات حرارتی، به عنوان مثال، تحت کنترل قرار گرفتن در معرض سلول های حرارتی یا مایعات خنک کننده و (3) فتوولتائیک فعال، به عنوان مثال در صورتی که عناصر حساس به نور در صورت نیاز به مناطق با تراکم بالا فوتون در معرض قرار می گیرند.

Year: 2012

Publisher : IOP

By : Jonathan Rossiter, Bryan Yap and Andrew Conn

File Information: English Language/ 11 Page / size: 1.44 KB

Download

سال : 1391

ناشر : IOP

کاری از : Jonathan Rossiter، Bryan Yap و Andrew Conn

اطلاعات فایل : زبان انگلیسی / 11 صفحه / حجم : KB 1.44

لینک دانلود