Инженеры научили синтетическую кожу менять рисунок по сигналу: видео

Команда из Пенсильванского государственного университета создала инновационный способ производства синтетической кожи, способной по желанию менять облик, поверхность и очертания, а также прятать или показывать данные. Их работа вышла в журнале Nature Communications. Этот материал, сделанный из гидрогеля печатают с помощью 4D-технологии.

Вдохновение от природы и как это работает

Ученые черпали идеи у осьминогов и других моллюсков, которые мгновенно маскируются, меняя цвет и рельеф кожи для защиты или общения. Вместо сложных биологических механизмов они применили цифровой дизайн к мягкому синтетическому веществу. Основной трюк — метод печати с полутоновым кодированием. Представьте, как в старых газетах изображения состоят из точек разной плотности; здесь цифровые картинки или текстуры превращают в бинарные шаблоны — черно-белые узоры, — которые наносят на гидрогель. Эти узоры действуют как встроенная программа, диктующая, как разные зоны материала отреагируют на тепло, жидкости или давление.

«Проще говоря, мы наносим инструкции на материал с помощью печати. Эти инструкции указывают коже, как реагировать на изменения, происходящие вокруг», — объяснил Хонгтао Сунь, доцент по промышленной инженерии и ведущий автор. 

Под действием раздражителей части гидрогеля набухают, становятся мягче или искривляются предсказуемым образом. Такой контроль позволяет одному куску материала справляться с несколькими ролями сразу, чего трудно добиться от обычных синтетиков, заточенных под одну функцию.

Удивительные демонстрации

В одном эксперименте в кожу закодировали портрет Моны Лизы. При контакте с этанолом гидрогель делался прозрачным, полностью стирая изображение. А в холодной воде или при нагреве картина возвращалась.

«Такое поведение может использоваться для маскировки, когда поверхность сливается с окружающей средой, или для шифрования информации, когда сообщения скрываются и раскрываются только при определенных условиях», — отметил Хаоцин Ян, аспирант и первый автор.

Материал умеет скрывать информацию не только визуально, но и через физические изменения. Если слегка растянуть пленку, на ее поверхности проступают закодированные узоры — их можно увидеть и расшифровать с помощью специальных методов анализа изображений (например, цифровой корреляции).

Кроме того, плоский лист способен самостоятельно превращаться в сложные трехмерные формы, такие как купола или другие выпуклые структуры. При этом для такой трансформации не нужны дополнительные слои или разные материалы — все происходит внутри одного и того же гидрогеля.

«Подобно тому, как головоногие моллюски координируют форму тела и рисунок кожи, "умная" кожа может одновременно контролировать свой внешний вид и деформацию, и все это в рамках одного мягкого материала», — добавил Сунь.

Перспективы и применения

Эта технология открывает путь к гибким платформам для адаптивных веществ в разных сферах. В мягкой робототехнике она поможет создавать устройства, меняющие форму на ходу, как робот-помощник, подстраивающийся под задачу. Для защищенной связи — материалы, хранящие данные, видимые только в нужных условиях. В биомедицине — импланты или повязки, реагирующие на тело. А в производстве — умные покрытия для оборудования.