Инженеры из Государственного университета Пенсильвании разработали способ изготовления программируемой «умной» синтетической кожи, которая может по команде менять внешний вид, рельеф и форму, а также скрывать или показывать заложенные данные. Основа материала - гидрогель. Это мягкая водонасыщенная полимерная масса, по структуре похожая на плотное желе. Заготовки получают методом 4D-печати, где к обычной трехмерной геометрии добавляется еще один параметр - поведение во времени под действием внешних факторов.
В отличие от привычных искусственных покрытий с фиксированными характеристиками, новый лист реагирует на условия среды. Он перестраивается при нагреве, контакте с жидкостями или механическом воздействии. Один и тот же образец способен выполнять сразу несколько задач, от адаптивной маскировки до сокрытия и проявления сообщений, а также управляемого изменения геометрии. Обычно подобные функции требуют разных слоев или разных веществ, здесь все реализовано в одной мягкой матрице.
Идею подсказали головоногие моллюски, например осьминоги. Эти животные умеют быстро менять окраску и микрорельеф покровов, чтобы сливаться с фоном или подавать сигналы. Исследовательская группа попыталась воспроизвести похожий принцип не за счет биологических механизмов, а через цифровое проектирование структуры полимера.
Основной элемент технологии - полутоновое кодирование при печати. Исходную картинку или карту текстуры сначала переводят в бинарный микрошаблон, набор крошечных точек и ячеек. Затем этот узор встраивают прямо в структуру гидрогеля во время печати. В итоге внутри материала появляется не просто изображение, а набор заданных параметров, который определяет его поведение.
После этого разные зоны начинают реагировать на внешние условия по-своему. Одни сильнее набухают от влаги, другие легче изгибаются при нагреве или растяжении, третьи почти не меняются. Если заранее правильно рассчитать такую схему, можно задать, как весь лист будет менять форму и внешний вид при воздействии среды.
В одной из демонстраций внутрь структуры даже закодировали изображение Моны Лизы. После промывки этанолом пленка становилась прозрачной и картинка исчезала. В холодной воде или при постепенном нагреве рисунок снова проявлялся. Такой эффект подходит для маскировки поверхностей и для защиты данных, чтобы сообщение было видно только при заданных условиях среды.
Исследователи показали и другой способ «прочитать» спрятанные данные. Рисунок можно выявить не только по цвету или прозрачности, но и по тому, как образец ведет себя при растяжении. Пленку слегка тянут и снимают на камеру, после чего программа сравнивает кадры и вычисляет, как именно смещаются разные участки поверхности. Такой прием называется цифровой корреляцией изображений, его часто применяют в инженерных тестах, когда нужно точно измерить деформации. В случае с гидрогелем скрытый узор выдает себя через характерную картину изгибов и растяжений.
Сам гидрогель показал высокую пластичность. Изначально плоские листы без дополнительных слоев и вставок сами переходили в сложные объемные формы, похожие на природные структуры. В одном из экспериментов закодированные картинки постепенно проявлялись по мере того, как материал изгибался и собирался в куполообразные трехмерные элементы. Разработчики отмечают, что один и тот же мягкий лист может одновременно менять геометрию и внешний рисунок, без разделения на отдельные функциональные слои.