Cientistas criam pele sintética inteligente que pode ocultar imagens e mudar de forma

Usando esta nova abordagem, os pesquisadores criaram uma pele inteligente programável feita de hidrogel, um material macio e rico em água. Ao contrário dos materiais sintéticos convencionais com comportamentos fixos, esta pele inteligente pode ser ajustada para responder de várias maneiras. Sua aparência, comportamento mecânico, textura superficial e capacidade de mudar de forma podem ser ajustados quando o material é exposto a fatores externos, como calor, solventes ou estresse físico.

As descobertas foram publicadas em Comunicações da Naturezaonde o estudo também foi selecionado para Destaques dos Editores.

Inspirado na pele de polvo e nos sistemas vivos

Sun, o principal investigador do projeto, disse que o conceito foi inspirado em cefalópodes como os polvos, que podem alterar rapidamente a aparência e a textura da sua pele. Esses animais usam essas mudanças para se misturar ao ambiente ou se comunicarem entre si.

“Os cefalópodes usam um sistema complexo de músculos e nervos para exibir controle dinâmico sobre a aparência e a textura da pele”, disse Sun. “Inspirados por esses organismos moles, desenvolvemos um sistema de impressão 4D para capturar essa ideia em um material sintético e macio.”

A Sun também possui afiliações em engenharia biomédica, ciência e engenharia de materiais e no Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. Ele descreveu o processo como impressão 4D porque os objetos impressos não são estáticos. Em vez disso, podem mudar ativamente em resposta às condições ambientais.

Imprimindo instruções digitais em material

Para alcançar essa adaptabilidade, a equipe usou um método chamado impressão codificada em meio-tom. Essa técnica converte dados de imagem ou textura em uns e zeros binários e incorpora essas informações diretamente no material. A abordagem é semelhante à forma como os padrões de pontos são usados ​​em jornais ou fotografias para criar imagens.

Ao codificar esses padrões digitais dentro do hidrogel, os pesquisadores podem programar como a pele inteligente reage a diferentes estímulos. Os padrões impressos determinam como as diversas regiões do material respondem. Algumas áreas podem inchar, encolher ou amolecer mais do que outras quando expostas a mudanças de temperatura, líquidos ou forças mecânicas. Ao projetar cuidadosamente esses padrões, a equipe pode controlar o comportamento geral do material.

“Em termos simples, estamos imprimindo instruções no material”, explicou Sun. “Essas instruções dizem à pele como reagir quando algo muda ao seu redor.”

Ocultando e revelando imagens sob demanda

Uma das demonstrações mais atraentes envolveu a capacidade do material de ocultar e revelar informações visuais. Haoqing Yang, doutorando no IME e primeiro autor do artigo, disse que esta capacidade destaca o potencial da pele inteligente.

Para demonstrar o efeito, a equipe codificou uma imagem da Mona Lisa no filme de hidrogel. Quando o material foi lavado com etanol, apresentou-se transparente e não apresentou imagem visível. A imagem oculta ficou clara somente depois que o filme foi colocado em água gelada ou aquecido gradualmente.

Yang observou que a Mona Lisa foi usada apenas como exemplo. A técnica de impressão permite que praticamente qualquer imagem seja codificada no hidrogel.

“Esse comportamento pode ser usado para camuflagem, onde uma superfície se mistura com seu ambiente, ou para criptografia de informações, onde as mensagens são ocultadas e reveladas apenas sob condições específicas”, disse Yang.

Os pesquisadores também mostraram que padrões ocultos poderiam ser detectados esticando suavemente o material e analisando como ele se deforma usando análise de correlação de imagens digitais. Isto significa que as informações podem ser reveladas não apenas visualmente, mas também através de interação mecânica, acrescentando um nível extra de segurança.

Mudança de forma sem múltiplas camadas

A pele inteligente também demonstrou flexibilidade notável. De acordo com Sun, o material pode facilmente mudar de uma folha plana para formas complexas de inspiração biológica com texturas de superfície detalhadas. Ao contrário de muitos outros materiais que mudam de forma, esta transformação não requer múltiplas camadas ou substâncias diferentes.

Em vez disso, as mudanças na forma e na textura são controladas inteiramente pelos padrões de meio-tom impressos digitalmente em uma única folha. Isso permite que o material reproduza efeitos semelhantes aos observados na pele dos cefalópodes.

Com base nesta capacidade, a equipe mostrou que múltiplas funções podem ser programadas para funcionarem juntas. Ao projetar cuidadosamente os padrões de meio-tom, eles codificaram a imagem da Mona Lisa em filmes planos que mais tarde se transformaram em formas tridimensionais. À medida que as folhas se curvavam em forma de cúpula, a imagem oculta aparecia lentamente, mostrando que as mudanças na forma e na aparência visual podem ser coordenadas dentro de um material.

“Semelhante à forma como os cefalópodes coordenam a forma do corpo e o padrão da pele, a pele sintética inteligente pode controlar simultaneamente sua aparência e como se deforma, tudo dentro de um único material macio”, disse Sun.

Expandindo o potencial dos hidrogéis impressos em 4D

Sun disse que o novo trabalho se baseia em pesquisas anteriores da equipe sobre hidrogéis inteligentes impressos em 4D, que também foram publicadas em Comunicações da Natureza. Esse estudo anterior concentrou-se na combinação de propriedades mecânicas com transições programáveis ​​de formas planas para tridimensionais. Na pesquisa atual, a equipe expandiu a abordagem usando impressão 4D codificada em meio-tom para integrar ainda mais funções em um único filme de hidrogel.

Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem criar uma plataforma escalável e versátil que permita a codificação digital precisa de múltiplas funções dentro de um material adaptativo.

“Esta pesquisa interdisciplinar na interseção de fabricação avançada, materiais inteligentes e mecânica abre novas oportunidades com amplas implicações para sistemas responsivos a estímulos, engenharia biomimética, tecnologias avançadas de criptografia, dispositivos biomédicos e muito mais”, disse Sun.

O estudo também incluiu os coautores da Penn State, Haotian Li e Juchen Zhang, ambos doutorandos no IME, e Tengxiao Liu, professor de engenharia biomédica. H. Jerry Qi, professor de engenharia mecânica do Georgia Institute of Technology, também colaborou no projeto.