Команда исследователей разработала инновационный метод печати, позволяющий зашифровать изображение Моны Лизы на материале, который они называют «умной кожей». Это изображение может быть скрыто внутри материала и становится видимым только при определённых воздействиях — например, при растяжении, нагреве, контакте с жидкостью или изменении формы материала с плоской (2D) на объёмную (3D).

Многофункциональные синтетические материалы

Синтетические материалы широко применяются в науке, инженерии и промышленности, однако большинство из них предназначены для решения ограниченного круга задач. Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания под руководством доцента Хонгтао Сунь разработала новую технологию производства многофункциональной «умной синтетической кожи». Эти адаптивные материалы можно программировать для выполнения различных функций: от скрытия и раскрытия информации до создания адаптивного камуфляжа и поддержки мягких робототехнических систем.

Программируемая умная кожа из гидрогеля

В рамках нового подхода учёные создали программируемую умную кожу на основе гидрогеля — мягкого, насыщенного водой материала. В отличие от традиционных синтетических материалов с фиксированными свойствами, эта умная кожа может быть настроена на широкий спектр реакций. Её внешний вид, механические характеристики, текстура поверхности и способность изменять форму регулируются внешними факторами, такими как тепло, растворители или физическое воздействие. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications и отмечены в разделе Editors' Highlights.

Вдохновение природой

Хонгтао Сунь рассказал, что идея создания материала возникла благодаря наблюдению за осьминогами и другими головоногими моллюсками, которые способны быстро менять внешний вид и текстуру своей кожи для маскировки или коммуникации. «Головоногие используют сложную систему мышц и нервов для динамического контроля внешнего вида и текстуры кожи. Вдохновившись этими мягкими организмами, мы разработали систему 4D-печати для реализации подобных возможностей в синтетическом материале», — пояснил Сунь.

Технология полутоновой кодированной печати

Для достижения адаптивности команда применила метод полутоновой кодированной печати. Эта техника преобразует данные изображения или текстуры в двоичный код и встраивает их непосредственно в материал, подобно тому, как точечные узоры используются в газетах или фотографиях для создания изображений.

Кодируя цифровые узоры внутри гидрогеля, исследователи могут программировать реакцию умной кожи на различные стимулы. Напечатанные узоры определяют, как отдельные участки материала будут реагировать: некоторые могут набухать, сжиматься или становиться мягче при изменении температуры, воздействии жидкости или механических сил. Тщательно проектируя эти узоры, команда управляет общим поведением материала. «Проще говоря, мы печатаем инструкции внутри материала, которые определяют его реакцию на изменения окружающей среды», — отметил Сунь.

Демонстрация скрытия и раскрытия информации

Одной из наиболее наглядных демонстраций стала способность материала скрывать и раскрывать визуальную информацию. Аспирант и первый автор статьи Хаоцин Ян отметил, что эта функция подчёркивает потенциал умной кожи. Для демонстрации команда закодировала изображение Моны Лизы в гидрогелевую плёнку. При промывке материала этанолом он становился прозрачным, и изображение исчезало. Скрытое изображение проявлялось только после помещения плёнки в ледяную воду или постепенного нагрева.

Ян подчеркнул, что Мона Лиза использовалась лишь как пример — технология позволяет закодировать практически любое изображение в гидрогель. «Такое поведение может применяться для камуфляжа, когда поверхность сливается с окружением, или для шифрования информации, когда сообщения становятся видимыми только при определённых условиях», — пояснил он.

Исследователи также показали, что скрытые узоры можно обнаружить, аккуратно растягивая материал и анализируя его деформацию с помощью цифрового анализа корреляции изображений. Это означает, что информацию можно раскрывать не только визуально, но и механическим воздействием, что добавляет дополнительный уровень безопасности.

Гибкость и координация функций

Умная кожа продемонстрировала удивительную гибкость: материал легко переходит из плоского листа в сложные, вдохновлённые природой формы с детализированной поверхностью. В отличие от многих других материалов, меняющих форму, для такой трансформации не требуется несколько слоёв или различных веществ. Изменения формы и текстуры полностью контролируются напечатанными полутоновыми узорами внутри одного листа, что позволяет воспроизводить эффекты, похожие на кожу головоногих.

Развивая эту возможность, команда показала, что можно программировать несколько функций для одновременной работы. Тщательно проектируя полутоновые узоры, они закодировали изображение Моны Лизы в плоские плёнки, которые затем трансформировались в трёхмерные формы. По мере изгибания листов в куполообразные структуры скрытое изображение постепенно проявлялось, демонстрируя, что изменения формы и внешнего вида могут быть скоординированы в одном материале. «Подобно тому, как головоногие координируют форму тела и рисунок кожи, синтетическая умная кожа может одновременно управлять своим внешним видом и деформацией — всё в одном мягком материале», — отметил Сунь.

Перспективы и будущее развитие

Сунь добавил, что новая работа основана на предыдущих исследованиях команды по 4D-печати умных гидрогелей, также опубликованных в Nature Communications. В том исследовании внимание уделялось сочетанию механических свойств с программируемыми переходами от плоских к трёхмерным формам. В текущей работе команда расширила подход, используя полутоновую 4D-печать для интеграции ещё большего числа функций в одну гидрогелевую плёнку.

В будущем исследователи планируют создать масштабируемую и универсальную платформу, позволяющую точно кодировать цифровым способом множество функций в одном адаптивном материале. «Междисциплинарные исследования на стыке передовых производственных технологий, интеллектуальных материалов и механики открывают новые возможности для создания систем, реагирующих на стимулы, биомиметической инженерии, технологий шифрования, биомедицинских устройств и многого другого», — заключил Сунь.