Новая умная кожа на основе гидрогеля скрывает информацию и меняет форму
Учёные из Университета штата Пенсильвания разработали новый метод создания программируемой «умной синтетической кожи», способной менять внешний вид, текстуру и форму, а также скрывать или отображать информацию по команде. Материал создан на основе гидрогеля, богатого водой гелеобразного вещества, и изготовлен с использованием техники, которую команда описывает как 4D-печать.
В отличие от традиционных синтетических материалов с фиксированными свойствами, умная кожа может динамически реагировать на внешние воздействия, такие как тепло, растворители или механическое напряжение. Этот подход позволяет одному листу материала выполнять сразу несколько функций, включая адаптивный камуфляж, шифрование и дешифровку информации, а также изменение формы.
Исследователи отмечают, что достичь такого уровня многофункциональности с существующими синтетическими материалами, которые обычно создаются для одной конкретной задачи, было сложно. Работа вдохновлена такими головоногими, как осьминоги, которые могут быстро менять внешний вид и текстуру своей кожи, чтобы слиться с окружением или общаться. Команда стремилась воссоздать подобный динамический контроль в мягком синтетическом материале, используя цифровой дизайн вместо сложных биологических систем.
Ключ к умной коже лежит в технике, называемой полутоновой кодированной печатью. Этот метод преобразует данные цифрового изображения или текстуры в бинарные шаблоны, которые печатаются непосредственно в гидрогеле. Эти шаблоны действуют как встроенные инструкции, определяющие, как различные области материала реагируют при изменении окружающей среды.
«Проще говоря, мы печатаем инструкции в материале», — сказал Хунтао Сунь, доцент кафедры промышленного и производственного инженеринга в Пенсильванском университете и главный исследователь проекта. «Эти инструкции говорят коже, как реагировать, когда что-то меняется вокруг». При воздействии таких раздражителей, как перепады температуры, жидкости или механические силы, различные участки гидрогеля набухают, размягчаются или деформируются контролируемым образом. Тщательно проектируя полутоновые узоры, исследователи могут определять поведение материала в целом.
Одной из самых ярких демонстраций стало кодирование изображения Моны Лизы в умную кожу. При промывании этанолом гидрогель становился прозрачным, полностью скрывая изображение. Изображение вновь становилось видимым, когда материал погружали в ледяную воду или постепенно нагревали. «Такое поведение можно использовать для камуфляжа, когда поверхность сливается с окружающей средой, или для шифрования информации, когда сообщения скрыты и раскрываются только при определённых условиях», — сказал Хаоцин Ян, докторант Пенсильванского университета и первый автор исследования.
Помимо визуальных изменений, умная кожа также может раскрывать скрытую информацию посредством механической деформации. Аккуратно растягивая материал и анализируя его деформацию, закодированные узоры можно обнаружить с помощью методов цифровой корреляции изображений. Гидрогель оказался очень податливым, превращаясь из плоских листов в сложные, биовдохновлённые формы без необходимости использования нескольких слоёв или разных материалов. В другой демонстрации изображения, закодированные в плоских плёнках, постепенно становились видимыми по мере того, как материал превращался в куполообразные трёхмерные структуры.
«Подобно тому, как головоногие координируют форму тела и рисунок кожи, синтетическая умная кожа может одновременно контролировать то, как она выглядит и как деформируется, и всё это в одном мягком материале», — отметил Сунь. Исследователи считают, что этот метод может привести к созданию масштабируемых платформ для адаптивных материалов, используемых в мягкой робототехнике, безопасной связи, биомедицинских устройствах и передовом производстве.
Исследование было в журнале Nature Communications.