Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο κατασκευής που επιτρέπει τη δημιουργία ενός προγραμματιζόμενου «έξυπνου συνθετικού δέρματος», το οποίο μπορεί να αλλάζει εμφάνιση, υφή και σχήμα, ενώ παράλληλα να κρύβει ή να αποκαλύπτει πληροφορίες κατ’ απαίτηση. Το υλικό βασίζεται σε υδρογέλη, μια ουσία πλούσια σε νερό με μορφή γέλης, και παράγεται μέσω μιας τεχνικής που η ερευνητική ομάδα περιγράφει ως εκτύπωση 4D.
Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά συνθετικά υλικά που διαθέτουν σταθερές ιδιότητες, το συγκεκριμένο «έξυπνο δέρμα» μπορεί να ανταποκρίνεται δυναμικά σε εξωτερικά ερεθίσματα, όπως η θερμότητα, οι διαλύτες ή η μηχανική καταπόνηση. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει σε ένα και μόνο φύλλο υλικού να εκτελεί ταυτόχρονα πολλαπλές λειτουργίες, όπως προσαρμοστική παραλλαγή, κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση πληροφοριών, καθώς και μεταβολή του σχήματός του. Όπως σημειώνουν οι ερευνητές, αυτό το επίπεδο πολυλειτουργικότητας ήταν μέχρι σήμερα δύσκολο να επιτευχθεί με τα υπάρχοντα συνθετικά υλικά, τα οποία συνήθως σχεδιάζονται για έναν και μόνο συγκεκριμένο ρόλο.
Η έμπνευση για τη συγκεκριμένη έρευνα προήλθε από τα κεφαλόποδα, όπως τα χταπόδια, τα οποία μπορούν να αλλάζουν γρήγορα την εμφάνιση και την υφή του δέρματός τους, ώστε να ενσωματώνονται στο περιβάλλον τους ή να επικοινωνούν. Η ερευνητική ομάδα επιδίωξε να αναπαράγει αυτού του είδους τον δυναμικό έλεγχο σε ένα μαλακό, συνθετικό υλικό, αξιοποιώντας τον ψηφιακό σχεδιασμό αντί για πολύπλοκα βιολογικά συστήματα.
Σύμφωνα με το interestingengineering κομβικό ρόλο στο «έξυπνο δέρμα» παίζει μια τεχνική που ονομάζεται εκτύπωση με κωδικοποίηση ημιτόνων. Η μέθοδος αυτή μετατρέπει ψηφιακά δεδομένα εικόνας ή υφής σε δυαδικά μοτίβα, τα οποία εκτυπώνονται απευθείας μέσα στην υδρογέλη. Τα μοτίβα λειτουργούν ως ενσωματωμένες οδηγίες, καθορίζοντας τον τρόπο με τον οποίο διαφορετικές περιοχές του υλικού αντιδρούν όταν εκτίθενται σε μεταβολές του περιβάλλοντος. «Με απλά λόγια, εκτυπώνουμε οδηγίες μέσα στο υλικό», εξηγεί ο Χονγκτάο Σαν, επίκουρος καθηγητής βιομηχανικής και κατασκευαστικής μηχανικής και επικεφαλής του έργου. «Αυτές οι οδηγίες λένε στο δέρμα πώς να αντιδρά όταν κάτι αλλάζει γύρω του».
Όταν το υλικό εκτίθεται σε ερεθίσματα όπως μεταβολές θερμοκρασίας, υγρά ή μηχανικές δυνάμεις, διαφορετικά τμήματα της υδρογέλης διογκώνονται, μαλακώνουν ή παραμορφώνονται με ελεγχόμενο τρόπο. Μέσω του προσεκτικού σχεδιασμού των μοτίβων ημιτόνων, οι ερευνητές μπορούν να καθορίσουν τη συνολική συμπεριφορά του υλικού. Σε μία από τις πιο εντυπωσιακές επιδείξεις, ενσωματώθηκε στο «έξυπνο δέρμα» μια εικόνα της Μόνα Λίζα. Όταν το υλικό πλύθηκε με αιθανόλη, η υδρογέλη φάνηκε διαφανής, αποκρύπτοντας πλήρως την εικόνα, η οποία επανεμφανίστηκε όταν το υλικό βυθίστηκε σε παγωμένο νερό ή θερμάνθηκε σταδιακά.
«Αυτή η συμπεριφορά θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για παραλλαγή, όπου μια επιφάνεια εναρμονίζεται με το περιβάλλον της, ή για κρυπτογράφηση πληροφοριών, όπου τα μηνύματα παραμένουν κρυφά και αποκαλύπτονται μόνο υπό συγκεκριμένες συνθήκες», αναφέρει ο Χαοκίνγκ Γιανγκ, υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο της Πενσιλβάνια και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Πέρα από τις οπτικές μεταβολές, το «έξυπνο δέρμα» μπορεί να αποκαλύπτει κρυμμένες πληροφορίες και μέσω μηχανικής παραμόρφωσης. Με ήπια διάταση του υλικού και ανάλυση της παραμόρφωσης, τα κωδικοποιημένα μοτίβα μπορούν να ανιχνευθούν με τη χρήση τεχνικών ψηφιακής συσχέτισης εικόνας. Η υδρογέλη αποδείχθηκε ιδιαίτερα εύπλαστη, καθώς μπορεί να μετασχηματιστεί από επίπεδα φύλλα σε πολύπλοκα, βιο-εμπνευσμένα σχήματα χωρίς την ανάγκη πολλαπλών στρώσεων ή διαφορετικών υλικών. Σε μία ακόμη επίδειξη, εικόνες που είχαν ενσωματωθεί σε φιλμ έγιναν σταδιακά ορατές, καθώς το υλικό μεταμορφωνόταν σε θολωτές τρισδιάστατες δομές.
Όπως επισημαίνει ο Χονγκτάο Σαν, «παρόμοια με τον τρόπο που τα κεφαλόποδα συντονίζουν το σχήμα του σώματος και τα μοτίβα του δέρματός τους, το συνθετικό έξυπνο δέρμα μπορεί να ελέγχει ταυτόχρονα την εμφάνισή του και τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνεται, όλα μέσα σε ένα ενιαίο, μαλακό υλικό». Σύμφωνα με τους ερευνητές, η νέα αυτή μέθοδος θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία κλιμακώσιμων πλατφορμών για προσαρμοστικά υλικά, με εφαρμογές στη μαλακή ρομποτική, την ασφαλή επικοινωνία, τις βιοϊατρικές συσκευές και την προηγμένη βιομηχανική παραγωγή.