מדענים יוצרים עור סינטטי חכם שיכול להסתיר תמונות ולשנות צורה

באמצעות גישה חדשה זו, החוקרים יצרו עור חכם הניתן לתכנות העשוי מהידרוג'ל, חומר רך ועשיר במים. בניגוד לחומרים סינתטיים רגילים עם התנהגויות קבועות, ניתן לכוון את העור החכם הזה כך שיגיב במספר דרכים. ניתן להתאים את המראה, התנהגותו המכנית, מרקם פני השטח והיכולת לשנות צורה כאשר החומר נחשף לטריגרים חיצוניים כגון חום, ממיסים או מתח פיזי.

הממצאים פורסמו ב תקשורת טבעשם נבחר המחקר גם עבור הדגשי העורכים.

בהשראת Octopus Skin and Living Systems

סאן, החוקר הראשי של הפרויקט, אמר שהרעיון נוצר בהשראת צפלפודים כמו תמנונים, שיכולים לשנות במהירות את המראה והמרקם של העור שלהם. בעלי חיים אלה משתמשים בשינויים כאלה כדי להתמזג בסביבתם או לתקשר אחד עם השני.

"הצפלפודים משתמשים במערכת מורכבת של שרירים ועצבים כדי להפגין שליטה דינמית על המראה והמרקם של העור שלהם", אמר סאן. "בהשראת האורגניזמים הרכים הללו, פיתחנו מערכת הדפסה 4D כדי ללכוד את הרעיון הזה בחומר סינתטי ורך."

Sun מחזיקה גם בהנדסה ביו-רפואית, במדעי החומר והנדסה, ובמכון לחקר החומרים בפן סטייט. הוא תיאר את התהליך כהדפסת 4D מכיוון שהאובייקטים המודפסים אינם סטטיים. במקום זאת, הם יכולים להשתנות באופן פעיל בתגובה לתנאי הסביבה.

הדפסת הוראות דיגיטליות לחומר

כדי להשיג יכולת הסתגלות זו, הצוות השתמש בשיטה הנקראת הדפסה מקודדת חצי טון. טכניקה זו ממירה נתוני תמונה או מרקם לבינאריים ואפסים ומטמיעה מידע זה ישירות בחומר. הגישה דומה לאופן שבו משתמשים בדפוסי נקודות בעיתונים או בתצלומים ליצירת תמונות.

על ידי קידוד הדפוסים הדיגיטליים הללו בתוך ההידרוג'ל, החוקרים יכולים לתכנת כיצד העור החכם מגיב לגירויים שונים. הדפוסים המודפסים קובעים כיצד מגיבים אזורים שונים של החומר. אזורים מסוימים עשויים להתנפח, להתכווץ או להתרכך יותר מאחרים כאשר הם נחשפים לשינויי טמפרטורה, נוזלים או כוחות מכניים. על ידי תכנון קפדני של דפוסים אלה, הצוות יכול לשלוט בהתנהגות הכוללת של החומר.

"במונחים פשוטים, אנחנו מדפיסים הוראות לתוך החומר", הסביר סאן. "ההוראות האלה אומרות לעור איך להגיב כשמשהו משתנה סביבו."

הסתרה וחשיפה של תמונות לפי דרישה

אחת ההדגמות המושכות את העין כללה את יכולתו של החומר להסתיר ולחשוף מידע חזותי. Haoqing Yang, מועמד לדוקטורט ב-IME והמחבר הראשון של העיתון, אמר כי יכולת זו מדגישה את הפוטנציאל של העור החכם.

כדי להדגים את האפקט, הצוות קידד תמונה של המונה ליזה לסרט ההידרוג'ל. כאשר החומר נשטף באתנול, הוא נראה שקוף ולא הראה תמונה נראית לעין. התמונה הנסתרת התבהרה רק לאחר שהסרט הונח במי קרח או מחומם בהדרגה.

יאנג ציין שהמונה ליזה שימשה רק כדוגמה. טכניקת ההדפסה מאפשרת קידוד של כמעט כל תמונה לתוך ההידרוג'ל.

"ההתנהגות הזו יכולה לשמש להסוואה, שבה משטח משתלב בסביבתו, או להצפנת מידע, שבה הודעות מוסתרות ונחשפות רק בתנאים ספציפיים", אמר יאנג.

החוקרים גם הראו שניתן לזהות דפוסים סמויים על ידי מתיחה עדינה של החומר וניתוח כיצד הוא מתעוות באמצעות ניתוח מתאם תמונה דיגיטלי. המשמעות היא שניתן לחשוף מידע לא רק חזותית, אלא גם באמצעות אינטראקציה מכנית, מה שמוסיף רמה נוספת של אבטחה.

שינוי צורה ללא שכבות מרובות

העור החכם גם הפגין גמישות יוצאת דופן. לדברי Sun, החומר יכול לעבור בקלות מסדין שטוח לצורות מורכבות בהשראה ביולוגית עם טקסטורות פני שטח מפורטות. בניגוד לחומרים רבים אחרים שמשנים צורה, טרנספורמציה זו אינה דורשת שכבות מרובות או חומרים שונים.

במקום זאת, השינויים בצורה ובמרקם נשלטים לחלוטין על ידי דפוסי החצי-גוון המודפסים דיגיטלית בתוך גיליון אחד. זה מאפשר לחומר לשכפל השפעות דומות לאלו הנראות בעור הצפלופודי.

בהתבסס על יכולת זו, הצוות הראה שניתן לתכנת מספר פונקציות לעבודה יחד. על ידי תכנון קפדני של דפוסי החצי-גוון, הם קידמו את תמונת המונה ליזה לסרטים שטוחים שהפכו מאוחר יותר לצורות תלת מימדיות. כשהסדינים התעקמו לצורות דמויות כיפה, התמונה המוסתרת הופיעה לאט, והראתה שניתן לתאם שינויים בצורה ובמראה החזותי בתוך חומר אחד.

"בדומה לאופן שבו cephalopods מתאמים את צורת הגוף ואת דפוס העור, העור החכם הסינתטי יכול לשלוט בו זמנית איך הוא נראה וכיצד הוא מתעוות, הכל בתוך חומר אחד ורך", אמר סאן.

הרחבת הפוטנציאל של הידרוג'לים מודפסים ב-4D

Sun אמרה כי העבודה החדשה מתבססת על מחקר מוקדם יותר של הצוות על הידרוג'לים חכמים מודפסים ב-4D, שפורסם גם ב- תקשורת טבע. מחקר מוקדם זה התמקד בשילוב תכונות מכניות עם מעברים הניתנים לתכנות מצורות שטוחות לתלת מימדיות. במחקר הנוכחי, הצוות הרחיב את הגישה על ידי שימוש בהדפסת 4D מקודדת חצי טון כדי לשלב עוד יותר פונקציות בסרט הידרוג'ל בודד.

במבט קדימה, החוקרים שואפים ליצור פלטפורמה מדרגית ורב-תכליתית המאפשרת קידוד דיגיטלי מדויק של מספר פונקציות בתוך חומר אדפטיבי אחד.

"המחקר הבינתחומי הזה בצומת של ייצור מתקדם, חומרים חכמים ומכניקה פותח הזדמנויות חדשות עם השלכות רחבות על מערכות מגיבות לגירוי, הנדסה ביומימטית, טכנולוגיות הצפנה מתקדמות, מכשירים ביו-רפואיים ועוד", אמר סאן.

המחקר כלל גם מחברי פן סטייט Haotian Li ו-Juchen Zhang, שניהם מועמדים לדוקטורט ב-IME, ואת Tengxiao Liu, מרצה להנדסה ביו-רפואית. H. Jerry Qi, פרופסור להנדסת מכונות במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה, שיתף פעולה גם הוא בפרויקט.