Tim sa Penn State-a razvio je programabilni hidrogelni film koji deluje kao „pametna koža“ — u materijal su digitalno enkodirane instrukcije koje se aktiviraju temperaturom, rastvaračem ili mehaničkom deformacijom. Autori su demonstrirali skrivanje i otkrivanje slika (npr. Mona Lize), otkrivanje pod dodirom pomoću digitalne korelacije slika i simultanu kontrolu izgleda i morfologije. Patternirana fotopolimerizacija poboljšala je mehanička svojstva (>3x čvrstoća, 80–150% žilavost), a rad je objavljen u Nature Communications.
Programabilni hidrogel: 'pametna koža' koja skriva slike, menja teksturu i oblik
The team used their new printing method to encode a photo of the Mona Lisa onto their "smart skin" material (left). The photo, which can initially appear hidden in the material, can be revealed by stretching, exposure to heat, exposure to liquid or by adjusting the material from a 2D to a 3D shape (right). (CREDIT: Hongtao Sun)
Na prvi pogled deluje kao obična, blago sjajna folija — ali ovaj tanak hidrogelni film sadrži digitalno kodirane instrukcije koje se aktiviraju temperaturom, rastvaračem ili mehaničkom deformacijom. Tim sa Penn State-a opisuje materijal kao programabilnu „pametnu sintetičku kožu“ koja može da sakriva slike, menja površinsku teksturu i morfuje u 3D oblike bez dodavanja slojeva ili mehaničkih delova.
Kako funkcioniše
Istraživači koriste pristup koji nazivaju halftone-kodirana 4D-štampa. Umesto klasične štampe, u materijal se digitalno „štampaju“ binarne instrukcije — obrasci tačaka koji kontrolišu lokalne reakcije hidrogela. Te zone različito reaguju na promene okoline: neke se više skupljaju, druge omekšavaju, pa celina preuzme programirani oblik ili otkrije skrivenu sliku.
Compression tests conducted in 45 °C water on representative 3D caps, showing the axial load application (f) and force-displacement correlations. (CREDIT: Nature Communications)
„Jednostavno rečeno, mi štampamo instrukcije u materijal“, rekao je Hongtao Sun, vođa projekta. „One govore koži kako da reaguje kad se promeni okolina.“
Demonstracije i primena
Najatraktivniji primer bio je enkodirana slika Mone Lize: film ispran etanolom bio je proziran i bez vidljive slike, ali nakon uranjanja u ledenu vodu ili pri postepenom zagrevanju, slika je postala jasna. Slično, istezanjem filma i analizom deformacije pomoću digitalne korelacije slika (DIC) mogu se otkriti obrasci koji su vizuelno skriveni — što otvara nove mogućnosti za fizičku enkripciju i sigurnosne šeme koje zahtevaju i manipulaciju i merenje.
Tim je pokazao i simultanu kontrolu izgleda i morfologije: ravni filmovi kodirani halftone obrascima mogu se zakriviti u 3D oblike (npr. dome) dok se sakrivena slika postepeno otkriva, slično koordinaciji izgleda i tela kod glavonožaca.
Strain mapping of a hydrogel film with simultaneously encoded gradients (achieved by varying local curing times from 60 to 200 s in the cellular pattern domains, with a consistent 20-s curing time in the film domains) and an integrated stiffer “phase” under progressive stretching. (CREDIT: Nature Communications)
Mehanička poboljšanja
U jednom tehničkom pravcu, istraživači su koristili spatio-temporalnu kontrolu fotopolimerizacije (grayscale lithography u DLP 3D štampaču) da kreiraju čvrste, ćelijske domene unutar mekših regija filma. Takvo prostorno uzorkovanje dovelo je do značajnog poboljšanja mehaničkih performansi: patternirani filmovi su pokazali >3x veću krajnju čvrstoću i 80–150% veću žilavost u poređenju sa nepatterniranim filmovima (srednje vrednosti iz četiri ponavljanja).
Istraživači su pomoću in-situ DIC mapiranja i FFT analize pratili lokalizaciju deformacije i utvrdili mehanizam interakcije između podatnijih i manje podatnih podregija koji poboljšava globalne performanse. Takođe napominju kompromis: duže UV izlaganje mekših regiona povećava čvrstoću ali ponekad smanjuje žilavost zbog manjeg kontrasta između regija.
Mechanical characterizations of synthetic hydrogel material system with various designs. (CREDIT: Nature Communications)
Moguće primene i dalje perspektive
Autori ističu potencijalne primene: kamuflaža, napredne šeme fizičke enkripcije, adaptivni soft-roboti, senzorski i biomedicinski uređaji bez dodatnih mehaničkih delova. Cilj tima je razvoj skalabilne platforme za precizno digitalno enkodiranje više funkcija u jedinstven, prilagodljivi materijal.
Autori i izvor: Rad je objavljen u Nature Communications. Glavni autori su Hongtao Sun i Haoqing Yang (Penn State), u timu su i Haotian Li, Juchen Zhang, Tengxiao Liu (Penn State) i H. Jerry Qi (Georgia Tech). Rezultati su dostupni u originalnoj publikaciji.
Napomena: prikazane brojke (npr. povećanje čvrstoće i žilavosti) bazirane su na srednjim vrednostima iz četiri ponavljanja, kako navode autori.
Pomozite nam da budemo bolji.
