Навыки осьминога + 4D-печать = умная кожа, способная менять форму и прятать данные по вашей команде
Один кусок полимера заменяет сложные микросхемы, просто меняя плотность своих точек.
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.
