Синтетическая кожа раскрывает скрытую «Мону Лизу», когда нагревается.
Осьминоги и их родственники-цефалоподы уже давно очаровывают биологов своим сверхъестественным умением менять форму. Цефалоподы быстро меняют цвет и текстуру, сливаясь с окружающей средой и ускользая от хищников. Этот природный камуфляж — удивительное явление в биологии, которое инженеры пытались воспроизвести, хотя и с ограниченным успехом. Но ситуация может измениться.
Исследователи из Пенсильванского государственного университета говорят, что разработали новый гидрогелевый материал, вдохновлённый кожей осьминога, который может кодировать изображения непосредственно в своей структуре. Закодированные изображения исчезают и появляются вновь, когда кожа подвергается незначительным изменениям температуры или воздействию окружающего растворителя. В результате получается «4D» синтетическая умная кожа, способная раскрывать скрытые изображения и изменять поверхностные узоры.
Чтобы продемонстрировать технологию, команда закодировала в материале чёрно-белое изображение «Моны Лизы» Леонардо да Винчи. При комнатной температуре изображение практически невидимо. Однако при нагревании скрытый контраст становится более чётким, пока изображение не станет ясным. Хотя разработка ещё находится на ранней стадии, материал может заложить основу для синтетического адаптивного камуфляжа, имеющего потенциальное военное применение и не только. Результаты были опубликованы на этой неделе в журнале Nature Communications.
Это впечатляющий инженерный подвиг, который также подчёркивает элегантную сложность, отточенную природой за миллионы лет эволюции. Даже с учётом всех наших ресурсов и объединённой умственной мощи, люди всё ещё не могут превзойти врождённое мастерство природы.
Как осьминоги прячутся
Учёные начинают по-настоящему понимать сложность мозга осьминога и его уникальную способность решать проблемы. Однако когда дело доходит до изменения формы, этот процесс кажется скорее инстинктивным, чем преднамеренным.
Биологически цефалоподы полагаются на специализированные нервно-мышечные органы, называемые хроматофорами, чтобы выполнять свой эволюционный трюк. Хроматофоры расширяются и сжимаются в ответ на нервные сигналы, запускаемые внешними раздражителями. Они также используют мышечные гидростаты для быстрого изменения текстуры кожи. Вместе эти особенности придают осьминогам необычайный динамический диапазон внешнего вида, позволяя им плавно сливаться с окружающей средой.
«Эта сложная система нервов и мышц наделяет мягкотелых организмов замечательной способностью одновременно изменять свой оптический вид, текстуру поверхности и форму», — пишет команда в этом новом исследовании.
Печать «газеты» на коже
Чтобы попытаться воспроизвести в лаборатории, как осьминоги маскируются и меняют форму, команде из Пенсильванского государственного университета нужен был способ изменить внешний вид и форму, используя один мягкий синтетический материал. Они начали с 3D-печати гидрогеля, который послужил бы их холстом. Используя процесс, называемый полутоновой печатью, исследователи сначала перевели изображение в двоичную сетку пикселей, где разные узоры из единиц и нулей соответствовали участкам материала с различными физическими свойствами. Подобно газетной печати, плотность и распределение этих пикселей создают иллюзию светлых и тёмных областей.
После преобразования изображения в двоичный шаблон команда закодировала его непосредственно в гидрогель с помощью контролируемого ультрафиолетового излучения во время процесса печати. Другими словами, изображение было «выжжено» непосредственно на холст из гидрогеля. Вместо добавления чернил или пигмента, как в татуировке, ультрафиолетовое воздействие запрограммировало тонкие различия во внутренней структуре материала. В нормальных условиях эти различия невидимы невооружённым глазом.
Но когда материал нагревается, области, соответствующие шаблонам 0 и 1, реагируют по-разному, постепенно увеличивая свой визуальный контраст. Ранее скрытое изображение затем появляется, когда материал реагирует на окружающую среду. Процесс чем-то похож на то, как невидимые чернила проявляются при воздействии проявляющего раствора или специального света. Исследователи описывают это как форму 4D-печати, потому что она берёт трёхмерный объект и изменяет его внешний вид с течением времени под воздействием внешних раздражителей. Они также смогли продемонстрировать тот же эффект, изменив окружающий растворитель, который заставил скрытое изображение вновь появиться.
«Мы печатаем инструкции в материале», — сказал инженер-промышленник из Пенсильванского государственного университета и соавтор исследования Хонтао Сун в блоге Пенсильванского государственного университета. «Эти инструкции сообщают коже, как реагировать, когда что-то меняется вокруг неё».
Чтобы продемонстрировать этот эффект, они сначала закодировали буквы «PSU» в гидрогелевую плёнку. После изменения температуры плёнки буквы проявились. Усложнив задачу, они повторили процесс с полутоновым изображением «Моны Лизы». Теоретически, по их словам, тот же подход может работать с любым изображением. Его просто нужно преобразовать в двоичный шаблон и закодировать на гидрогеле.
Это не первый раз, когда учёные черпают вдохновение из анатомии осьминога. В 2021 году инженеры из Университета Рутгерса создали синтетическую мышцу с 3D-печатью, которая слегка меняла свою форму под воздействием света. Совсем недавно исследователи из Стэнфорда разработали гибкий синтетический материал, который набухает и меняет размер под воздействием пучка электронов. В других местах робототехники даже разработали похожего на осьминога, слегка устрашающего «Тентакл-бота», оснащённого механическими армиями и присосками, которые помогают ему передвигаться и хватать предметы.