科学家造出能“隐身”和变形的智能人造皮肤

通过这种新方法，研究人员用一种柔软且富含水分的材料——水凝胶，制造出了可编程的智能皮肤。与传统具有固定特性的合成材料不同，这种智能皮肤可以被调节，从而产生多种响应。当材料受到热、溶剂或物理压力等外部刺激时，它的外观、力学性能、表面纹理以及变形能力都能得到调整。
这项研究成果发表在《自然·通讯》上，该研究还被选为编辑亮点。
灵感来源于章鱼皮肤和生命系统
该项目的首席研究员孙（Sun）表示，这一概念的灵感来自章鱼等头足类动物，它们能快速改变皮肤的外观和纹理。这些动物通过这种变化来融入周围环境或相互交流。
“头足类动物利用复杂的肌肉和神经系统对皮肤的外观和纹理进行动态控制，”孙说，“受这些柔软生物的启发，我们开发了一种4D打印系统，将这一理念应用到合成的柔软材料中。”
孙还在宾夕法尼亚州立大学的生物医学工程系、材料科学与工程系以及材料研究所任职。他将这一过程称为4D打印，因为打印出的物体不是静态的，而是能根据环境条件主动发生变化。
将数字指令“打印”到材料中
为实现这种适应性，研究团队采用了一种名为半色调编码打印的方法。该技术将图像或纹理数据转换为二进制的0和1，并将这些信息直接嵌入材料中。这种方法类似于报纸或照片中用点图案来生成图像的原理。
通过在水凝胶中编码这些数字图案，研究人员可以编程控制智能皮肤对不同刺激的反应。打印的图案决定了材料不同区域的响应方式。当受到温度变化、液体或机械力作用时，有些区域可能比其他区域膨胀、收缩或软化得更明显。通过精心设计这些图案，研究团队能够控制材料的整体性能。
“简单来说，我们是在向材料中‘打印’指令，”孙解释道，“这些指令告诉皮肤在周围环境发生变化时如何做出反应。”
按需隐藏和显示图像
最引人注目的演示之一是该材料隐藏和显示视觉信息的能力。IME的博士生、该论文的第一作者杨浩清（Haoqing Yang）表示，这种能力凸显了智能皮肤的潜力。
为了展示这种效果，研究团队将《蒙娜丽莎》的图像编码到水凝胶薄膜中。当用乙醇清洗该材料时，它会变得透明，看不到任何图像。只有将薄膜放入冰水中或逐渐加热后，隐藏的图像才会清晰显现。
杨指出，使用《蒙娜丽莎》只是一个例子。这种打印技术几乎可以将任何图像编码到水凝胶中。
“这种特性可用于伪装，使表面融入周围环境；也可用于信息加密，使信息隐藏起来，只在特定条件下才会显示，”杨说。
研究人员还表明，通过轻轻拉伸材料并使用数字图像相关分析来研究其变形情况，可以检测到隐藏的图案。这意味着信息不仅可以通过视觉方式显示，还可以通过机械交互来揭示，增加了额外的安全级别。
无需多层即可变形
这种智能皮肤还表现出显著的柔韧性。孙表示，该材料可以轻松地从平面薄片转变为具有复杂、仿生形状和详细表面纹理的物体。与许多其他变形材料不同，这种转变不需要多层结构或不同物质。
相反，形状和纹理的变化完全由单一薄片内的数字打印半色调图案控制。这使得该材料能够复制类似头足类动物皮肤的效果。
基于这种能力，研究团队展示了多种功能可以被编程协同工作。通过精心设计半色调图案，他们将《蒙娜丽莎》图像编码到平面薄膜中，这些薄膜后来会转变为三维形状。当薄片弯曲成圆顶状时，隐藏的图像慢慢显现，表明形状变化和视觉外观变化可以在一种材料中协调进行。
“类似于头足类动物协调身体形状和皮肤图案的方式，这种合成智能皮肤可以同时控制自身的外观和变形方式，所有这些都在单一的柔软材料中实现，”孙说。
拓展4D打印水凝胶的潜力
孙表示，这项新研究是在团队早期关于4D打印智能水凝胶研究的基础上进行的，早期研究也发表在《自然·通讯》上。早期研究的重点是将力学性能与从平面到三维形状的可编程转变相结合。在当前的研究中，团队通过使用半色调编码4D打印，将更多功能集成到单一水凝胶薄膜中，拓展了这一方法。
展望未来，研究人员旨在创建一个可扩展且多功能的平台，能够在一种自适应材料中精确地数字编码多种功能。
“这项处于先进制造、智能材料和力学交叉领域的跨学科研究，为刺激响应系统、仿生工程、先进加密技术、生物医学设备等领域带来了新的机遇，具有广泛的影响，”孙说。
该研究还包括宾夕法尼亚州立大学的共同作者李浩天（Haotian Li）和张居晨（Juchen Zhang）（均为IME的博士生）以及生物医学工程讲师刘腾霄（Tengxiao Liu）。佐治亚理工学院机械工程教授H. Jerry Qi也参与了该项目的合作。