Одним из самых впечатляющих эволюционных механизмов защиты является мимикрия. Умение визуально, а иногда и поведенчески, подражать другим видам или даже элементам окружающей среды позволяет скрыть свое присутствие от потенциальных хищников. Хамелеоны приходят на ум первыми, однако куда более талантливыми в искусстве камуфляжа являются головоногие, в частности осьминоги. Ученые из Университета штата Пенсильвания (США) разработали крайне необычный умный гидрогель, способный менять внешний вид, текстуру и форму по команде. Полученный материал запрограммирован с использованием специальной технологии 4D-печати, внедряющей цифровые инструкции к мимикрии буквально в его структуру. Из чего именно создан этот материал, какими именно свойствами он обладает, и где может быть полезен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Изображение №1

Головоногие моллюски, такие как кальмары, каракатицы и осьминоги, обладают замечательной динамической изменчивостью множества признаков, включая цвет кожи, светопропускание, текстуру и форму тела (i на 1a). Эта адаптивность позволяет им незаметно сливаться с окружающей средой, избегать хищников и общаться друг с другом. Например, окраска кожи этих организмов в основном контролируется специализированными нервно-мышечными органами, называемыми хроматофорами, которые содержат пигментные мешочки, окруженные радиальными мышцами. При стимуляции нервными сигналами радиальные мышцы растягивают хроматофоры, расширяя пигментные мешочки из небольших точечных хроматоцитов в широкие плоские диски цвета (ii на 1a). Эта трансформация позволяет быстро менять цвет в ответ на сигналы окружающей среды, способствуя маскировке и коммуникации.

Кроме того, головоногие моллюски используют мышечные гидростаты для динамической регулировки текстуры своей кожи, переходя от гладких к сильно текстурированным поверхностям путем образования папилл (iii на 1a). Эти изменения текстуры еще больше усиливают их способность визуально сливаться с окружающей средой. Они также используют круговые и продольные мышцы для контроля общей формы тела. Эта сложная система нервов и мышц наделяет мягкотелые организмы замечательной способностью одновременно изменять свой внешний вид, тексту��у поверхности и форму.

Однако достижение такого тонкого, многогранного контроля в синтетических материалах остается серьезной проблемой. Нанокомпозиты обладают регулируемыми оптическими и механическими свойствами, но обычно им не хватает динамической реконфигурируемости. Полимеры с эффектом памяти формы (SMP от shape memory polymer) позволяют программировать изменения формы, но обеспечивают ограниченную оптическую функциональность. Жидкокристаллические эластомеры (LCE от liquid crystal elastomer) сочетают оптическую анизотропию с реакцией на внешние воздействия, но испытывают трудности с достижением многомодального контроля.

«Умные» гидрогели стали многообещающей альтернативой благодаря своей способности реагировать на внешние воздействия и регулируемым оптическим свойствам. Тем не менее эти синтетические системы все еще не позволяют обеспечить одновременный и скоординированный контроль над различными динамическими характеристиками в рамках одной конструкции.

Вдохновленные динамическим поведением головоногих моллюсков, ученые разработали «умные» гидрогелевые «оболочки», способные одновременно регулировать оптические и механические свойства, текстуру и программируемые преобразования формы в ответ на различные внешние воздействия, включая температуру, растворители и механическое напряжение. Это достигается с помощью технологии 4D-печати с использованием полутонов, которая кодирует бинарные полутоновые паттерны, состоящие из сильно сшитых доменов «1» и слабо сшитых доменов «0», в «умные» гидрогели (i и ii на 1b). В частности, этот подход использует точное расположение бинарных полутоновых паттернов с различными размерами и расстоянием между доменами для имитации непрерывных тонов (например, оттенков серого). Кодируя эти простые бинарные паттерны, появляется возможность контролировать локализованную, изменяемую под воздействием стимулов оптическую пропускаемость, механические свойства и деформацию внутри бинарных доменов «1» или «0», взаимодействие, расположение и интеграцию которых в совокупности определяют общую динамическую сложность на иерархических уровнях в единой материальной системе.

Например, подобно нейромышечно-контролируемому формированию паттерна, наблюдаемому у головоногих моллюсков, созданные умные гидрогели с полутоновым кодированием динамически управляют различными переходами оптической пропускаемости в локальных бинарных доменах, изменяя окружающие растворители или температуры по мере их перехода через нижнюю критическую температуру растворения (LCST от lower critical solution temperature) во время цикла набухания-сжатия. Точное расположение и интеграция этих локальных динамических оптических доменов позволяют гидрогелевым «оболочкам» скрывать или выявлять полутоновые изображения высокого разрешения и высокой контрастности в ответ на изменения растворителя и температуры (iii на 1b). Помимо оптического контроля, стратегическая организация этих локальных бинарных доменов также позволяет настраивать гетерогенные механические реакции под действием небольших внешних сил, которые можно расшифровать с помощью полнопольного картирования деформации посредством анализа цифровой корреляции изображений (DIC от digital image correlation) в реальном времени (iv на 1b).

Более того, за счет одновременного кодирования оптических переходов и деформации, вызванной уменьшением объема, в локальные бинарные домены, ученые интегрировали информацию изображения высокого разрешения с программируемыми функциями роста в плоскости внутри единой гидрогелевой «оболочки». При внешнем воздействии зашифрованная информация изображения извлекается по мере того как материал трансформируется в заданные неевклидовы трехмерные конфигурации с контролируемой текстурой и гауссовой кривизной за счет деформации вне плоскости (v на 1b). Таким образом, этот бинарный механизм кодирования обеспечивает простую, но мощную платформу для совместного проектирования многофункциональных синтетических материалов со сложным, реконфигурируемым поведением — возможность, превосходящая существующие синтетические материалы.

Результаты исследования

Для печати 2D-гидрогелевых пленок была разработана специальная ячейка фиксированной высоты с внутренним расстоянием 450–550 мкм, построенная на тефлоновой подложке FEP внутри 3D-принтера с цифровой обработкой света (DLP от digital light processing). Раствор полимерного прекурсора вводили в эту установку и покрывали тонкой стеклянной пластиной. В этом исследовании использовались фотоотверждаемые гидрогели поли(N-изопропилакриламида) (PNIPAm), сшитые комбинацией длинноцепочечного сшивающего агента, поли(этиленгликоль)диакрилата (PEGDA), и короткоцепочечного сшивающего агента, N,N'-метиленбисакриламида (BIS), в ацетоново-водном растворителе.

Исследование показывает, что PEGDA и BIS могут одновременно регулировать свойства сшивания гидрогелевой пленки, но в разной степени. При более коротком времени отверждения (50 секунд) гидрогелевая сетка в основном сшивалась длинноцепочечным PEGDA и имела рыхлую микроструктуру; в то время как при более длительном времени отверждения (120 секунд) в последующем процессе сшивания участвовало больше короткоцепочечного BIS, который доминировал и повышал плотность и прочность сетки. Варьируя время УФ-облучения во время печати, можно контролировать степень сшивания в гидрогелях, что приводит к существенным изменениям оптической пропускаемости, механических свойств и термически индуцированного роста (расширения и сжатия) во время цикла набухания-сжатия. Эти различия обусловлены различными динамическими переходами между межмолекулярными и внутримолекулярными взаимодействиями.

Изображение №2

Сначала были изучены изменения оптической пропускаемости и морфологии гидрогелевых пленок, напечатанных при различном УФ-облучении в разных состояниях набухания-сжатия и в разных растворителях (изображение №2).

Напечатанные гидрогелевые пленки промывали этанолом и ледяной водой (0 °C) для удаления непрореагировавших мономеров и фотоинициаторов. Интересно, что при погружении в этанол как сильно, так и слабо сшитые гидрогелевые пленки становились прозрачными (ii на 2a). Эта прозрачность возникала из-за постепенной диффузии этанола в гидрогель, что нарушало взаимодействие воды и полимера из-за эффекта коносольвентности. Коносольвентность эффективно снижала LCST (2b), способствуя разрушению сетки и уменьшению границ рассеяния света, тем самым повышая прозрачность.

При замачивании в воде при температуре 25 °C как сильно, так и слабо сшитые гидрогели становились полупрозрачными в набухшем состоянии, демонстрируя минимальные различия в оптической пропускаемости (iii на 2a). Эта полупрозрачность была обусловлена их пористой структурой (области 50 с и 120 с на 2c и 2d), где рассеяние света происходило на границах раздела между фазами, богатыми полимером и водой. Эти границы раздела нарушали прозрачность, делая гидрогели полупрозрачными в набухшем состоянии.

Однако при нагревании до 35 °C (выше LCST) пленки разбухали, демонстрируя отчетливые оптические изменения в полностью разбухшем состоянии: слабо сшитые гидрогели (50 с) становились непрозрачными; непрозрачность постепенно уменьшалась с увеличением времени отверждения (60 с – 110 с); а сильно сшитые гидрогели (120 с) становились прозрачными (iv на 2a). Эта последовательность создавала поразительный черно-белый визуальный контраст на черном фоне.

Отчетливые оптические изменения можно объяснить следующим образом. Более короткое УФ-облучение (50 с) приводило к образованию слабо сшитых гидрогелей с более крупными порами в разбухшем состоянии (области 50 с на 2c и 2d). Эта пористая структура обеспечивала большее микрофазовое разделение между богатыми водой и богатыми полимером областями во время уменьшения объема. По мере схлопывания заполненных водой пустот гидрогель образовывал пористый поверхностный слой и плотную внутреннюю структуру (области 50 с на 2e и 2f), что приводило к выраженному рассеянию света, непрозрачному виду и большей усадке (гидрогель 50 с, iv на 2a).

Напротив, более длительное воздействие УФ-излучения (120 с) приводило к образованию плотно сшитой сетки с меньшими порами в набухшем состоянии (области 120 с на 2c и 2d) из-за усиленного сшивания с помощью PEGDA и BIS. При сжатии эта сетка разрушалась, образуя плотную внутреннюю структуру с относительно более гладкой поверхностью, имеющей волнообразные паттерны (области 120 с на 2e и 2f). Сниженная пористость поверхности минимизировала рассеяние света, повышая прозрачность (гидрогель 120 с, iv на 2a). При подготовке образцов лиофилизированного гидрогеля для SEM-характеризации образование кристаллов льда также может способствовать образованию пор. Однако значительные различия в пористой морфологии в основном обусловлены фотополимеризацией, регулируемой УФ-излучением, и связанным с этим фазовым разделением во время набухания-сжатия.

Эти наблюдения подчеркивают различное поведение гидрогелевых пленок при набухании и сжатии, наблюдаемое при различном времени воздействия УФ-излучения. Более высокая плотность сшивания также улучшила механические свойства, но снизила деформируемость гидрогеля во время набухания и сжатия.

После погружения в этанол при 35 °C примерно на 15 с слабо сшитая, разбухшая гидрогелевая пленка снова стала полупрозрачной, в то время как сильно сшитая, разбухшая гидрогелевая пленка осталась прозрачной (v на 2a). Последующее погружение в воду при 35 °C сделало обе пленки непрозрачными (vi на 2a). Это преобразование стало результатом фазового разделения, вызванного консосольвентностью (2b), и образования более толстых пористых поверхностных слоев (2g–2j). В частности, после погружения в этанол и воду обе гидрогелевые пленки образовали плотную внутреннюю структуру с пористым поверхностным слоем (2g, 2i), что привело к выраженному рассеянию света и непрозрачности. Несмотря на общую непрозрачность, морфология поверхности различалась между слабо (2g, 2h) и сильно сшитыми пленками (2i, 2j), при этом наблюдались заметно более толстые поверхностные слои по сравнению с пленками в полностью разбухшем состоянии в воде при температуре 35 °C (2e, 2f).

Кроме того, была разработана цифровая техника 4D-печати с полутоновым кодированием для достижения точного пространственно-временного контроля фотополимеризации в умных гидрогелевых пленках. Этот метод использует динамическую маску, созданную цифровым микрозеркальным устройством (DMD от Digital Micromirror Device) в 3D-принтере DLP (разрешение: ~50 мкм/пиксель), для кодирования полутоновых изображений. В частности, бинарные полутоновые изображения пространственно определяют слабо сшитые области (например, области 50 с: черные пиксели «0») и сильно сшитые области (например, области 120 с: белые пиксели «1») в пределах одной напечатанной гидрогелевой пленки. По мере того как пленка сжимается в ответ на тепловое воздействие, бинарные области демонстрируют различные оптические характеристики из-за изменений локального оптического пропускания.

Изображение №3

Для достижения различных уровней серого в непрерывной тональной визуализации было реализовано два алгоритма полутонового преобразования: частотно-модулированный (FM от frequency-modulated) и амплитудно-модулированный (AM от amplitude-modulated) методы, чтобы сгенерировать 10 уровней серого в матрице размером 6 × 6 пикселей (верхние панели на 3a, 3b). В методе FM сильно сшитая белая область «1» фиксируется на размере 2 × 2 пикселя, в то время как частота дополнительных областей «1» увеличивается от G0 до G9, постепенно осветляя тон и увеличивая общее УФ-облучение на единицу матрицы. В отличие от этого, метод AM изменяет размер области «1», поддерживая при этом постоянную частоту внутри матрицы для разных уровней серого.

Хотя эти два метода создают разные полутоновые паттерны, уровни серого можно выровнять, сбалансировав общее количество бинарных пикселей в каждой единичной матрице. В полутоновой матрице меньшая суммарная экспозиция, представленная более темными тонами (например, больше черных пикселей в точках G0-G2 на верхних панелях 3a и 3b), приводит к большей непрозрачности в разбухших гидрогелевых пленках (нижние панели на 3a и 3b). И наоборот, большая суммарная экспозиция, представленная более светлыми тонами (например, больше белых пикселей в точках G6-G9), приводит к более прозрачным областям, которые выглядят черными на черном фоне. Это приводит к обратной визуальной зависимости «белый-черный» между разработанными полутоновыми паттернами и оптическим видом напечатанной гидрогелевой пленки в разбухшем состоянии. Примечательно, что напечатанные области слабо сшитых доменов «0» кажутся меньше, чем их проектные размеры, из-за диффузии свободных радикалов и переотверждения в локально низкодозированных областях, а также из-за их большей усадки в разбухшем состоянии по сравнению с сильно сшитыми доменами «1».

Для демонстрации динамического графического отображения, обеспечиваемого полутоновым паттерном, ученые использовали в качестве примера Мону Лизу. Изображение Моны Лизы в формате RGB размером 7000 × 7000 пикс��лей (3c) сначала было преобразовано в изображение в оттенках серого размером 120 × 120 пикселей (3d). Значения оттенков серого в диапазоне от 10 до 220 были сгруппированы в десять интервалов, каждый из которых представлен соответствующей матрицей полутоновых единиц размером 6 × 6 пикселей, при этом уровни оттенков серого возрастали от G0 до G9. Эти закодированные в полутонах уровни оттенков серого (например, G0-G9) были определены с использованием метода FM или AM (3a, 3b). В результате этого процесса изображение в оттенках серого размером 120 × 120 пикселей было преобразовано в полутоновое изображение размером 720 × 720 пикселей, как показано с использованием метода FM (3e) или метода AM (3f).

После фотополимеризации с регулированием полутонов напечатанные гидрогелевые пленки промывали этанолом и ледяной водой (0 °C). В процессе промывки зашифрованная графическая информация оставалась невидимой в этаноле из-за прозрачности пленки, отображаясь черным цветом на черном фоне (изображение с темно-красными точками; 3g). Однако при погружении в ледяную воду изображение постепенно проявлялось в течение 60-100 секунд, выявляя белые контрасты в более светлых областях (например, лоб, щеки, грудь и небо, показанные на изображениях с желтыми точками; 3g, видео №1).

Видео №1

Этот быстрый переход в оптическом виде был в основном обусловлен регулируемыми кононсольвентностью взаимодействиями растворитель-полимер, вызывающими отчетливые сдвиги от прозрачности к непрозрачности в локальных полутоновых бинарных областях. В частности, по мере диффузии воды в гидрогелевые пленки, замещающей этанол в полимерной сетке, эффект кононсольвентности запускал постепенный оптический переход, начинающийся с поверхностных слоев. Что еще более важно, гидрогелевая пленка с полутоновым кодированием продемонстрировала повторяемое и обратимое сокрытие и раскрытие изображения в течение 60–100 секунд в цикле погружения в этанол-воду, что подчеркивает ее потенциал для динамического шифрования-дешифрования информации.

Эти контрасты на изображениях исчезли, как только пленки достигли равновесия в набухшем состоянии при 25 °C в воде, становясь равномерно полупрозрачными и светло-серыми на черном фоне (изображения, помеченные зелеными точками; 3g). Эта полупрозрачность, вызванная рассеянием света, была объяснена наличием пористых структур как в слабо сшитых (50 с), так и в сильно сшитых (120 с) бинарных доменах, как это наблюдалось на поверхности (2c) и внутри (2d). При постепенном нагревании до 35 °C в воде, превышающем LCST (синий Route-1 на 3g), гидрогелевые пленки, полученные с использованием методов FM или AM, демонстрировали высококонтрастное полутоновое изображение Моны Лизы, сопровождающееся уменьшением объема в результате сжатия (изображения, помеченные синими точками; 3g, видео №2).

Видео №2

Эти динамические оптические изменения были вызваны фазовым разделением, обусловленным уменьшением объема, что привело к различиям в морфологии поверхности и рассеянии света, особенно в поверхностных слоях между сильно и слабо сшитыми областями (2e). Для достижения более быстрого динамического расшифрования в воде был реализован протокол ускоренного нагрева до температуры нижней критической температуры растворения (LCST), сокративший время расшифрования с 7.5 часов (синий Route-1 на 3g) до 3 часов (красный Route-2 на 3g). Первоначально изображение выглядело размытым из-за быстрого фазового разделения и удерживаемой воды внутри сетки. Поддержание температуры выше LCST в течение дополнительного часа улучшило четкость изображения, поскольку большая часть воды постепенно диффундировала. Кроме того, быстрое охлаждение разбухшей гидрогелевой пленки в этаноле быстро стерло изображение, сделав всю пленку прозрачной.

Метод FM с использованием тонких, хаотично расположенных точек превосходно сохраняет детали и минимизирует артефакты паттерна, что делает его идеальным для приложений, требующих высокого разрешения и минимальных визуальных помех. В отличие от него, метод AM создает плавные тональные градиенты, которые хорошо подходят для контрастных изображений, но могут приводить к появлению муаровых паттернов в высокодетализированной графике.

Таким образом, гидрогелевые пленки с полутоновым кодированием, изменяемые под воздействием стимулов, позволяют скрывать и отображать высококонтрастные изображения для динамического шифрования-дешифрования информации. Пространственно-временной контроль над изменениями оптического вида в гидрогелевой «коже», обусловленный эффектом кононсольвентности или термически индуцированными процессами набухания-сжатия, имитирует динамические возможности формирования паттерна у головоногих моллюсков для коммуникации и маскировки.

Изображение №4

Разработанные гидрогелевые пленки демонстрируют не только настраиваемые оптические свойства, но и регулируемые механические характеристики, которые изменяются в зависимости от их сшитых сетей. Однородные гидрогелевые пленки, подвергнутые воздействию УФ-излучения в течение 50 секунд (слабо сшитые) и 120 секунд (сильно сшитые), показали заметные различия в механических свойствах в их разбухшем состоянии. Гидрогелевая пленка, подвергнутая воздействию УФ-излучения в течение 50 секунд, имела модуль Юнга 40.23 кПа и деформацию при разрыве 1102%, тогда как пленка, подвергнутая воздействию УФ-излучения в течение 120 секунд, показала модуль Юнга 123.24 кПа и деформацию при разрыве 206%. Увеличение модуля Юнга при более длительном воздействии УФ-излучения объясняется более высокой степенью фотополимеризации, которая усиливает сшивание и делает полимерную сеть более жесткой. Механические испытания сжатых гидрогелевых пленок после набухания (в воде при 35 °C), закодированных полутоновыми паттернами FM и AM при различных уровнях серого (от G0 до G9), выявили прогрессивное увеличение модуля Юнга, обусловленное увеличением доли сильно сшитых доменов.

Кроме того, пространственное расположение полутоновых изображений влияло на локализованные механические реакции под действием внешних сил, которые можно охарактеризовать с помощью картирования деформации в реальном времени по всему полю с использованием анализа DIC. Для исследования механического поведения, регулируемого полутонами, были созданы полутоновые изображения с постоянным уровнем серого (G3), но различной ориентацией относительно направления нагрузки по оси x: D1 (0°), D2 (45°) и D3 (90°) (4a–4c). В D1, где полутоновые изображения были выровнены по направлению нагрузки, наблюдались минимальные различия в деформации по оси x между сильно сшитыми доменами «1» и слабо сшитыми доменами «0» при 30% деформации (4a). При ориентации 45° дифференциация деформации по локальным бинарным доменам становилась заметной (4b) и была более выраженной, когда полутоновые изображения располагались перпендикулярно направлению нагрузки (4c). Эти ориентации также влияли на глобальные механические свойства, такие как модуль Юнга и деформация при разрыве, как показано на кривых напряжение-деформация (4d).

Этот механизм регулирования деформации с помощью полутонового паттерна обеспечивает дополнительный механизм шифрования и дешифрования информации. В качестве демонстрации ученые закодировали буквы «PSU» в гидрогелевой пленке, повернув локальную ориентацию полутонового паттерна внутри букв на 30° относительно оси x (4e). В разбухшем состоянии буквы были практически невидимы на оптическом изображении, поскольку их уровни серого соответствовали фону (4f). Однако при растяжении на 5% вдоль оси x буквы стали различимы на карте деформации по оси x благодаря отчетливым анизотропным деформационным откликам (4g). В отличие от этого, растяжение вдоль оси y уменьшило видимость на карте деформации по оси y из-за более равномерного распределения деформации по различным полутоновым паттернам (4h).

Помимо информации о картировании деформации, обусловленной анизотропией, включение жестких клеточных доменов, закодированных на более высоких уровнях серого, в более мягкие пленки с более низкими уровнями серого индуцирует локализованные гетерогенные субдомены при механическом растяжении, обогащая информацию о картировании деформации. Основываясь на своей предыдущей работе, ученые внедрили более жесткую вогнутую сотовую метаструктуру (полутоновые паттерны FM G9) в более мягкую гидрогелевую пленку (полутоновые паттерны FM G1) (4i, 4j). При растяжении на 20 % вдоль оси y локализованные концентрации деформации возникали в центрах каждой клеточной единицы, образуя периодические паттерны на карте деформации по оси y (4k). В то же время, карта деформации по оси x выявила отчетливые паттерны локализации деформации из-за вызванных деформацией гетерогенных субдоменов внутри мягкой пленки (например, красные и синие области на 4l), что подтверждается профилями деформации вдоль линейного пути X (4m). Эти результаты демонстрируют, что точное расположение полутоновых бинарных доменов с различными механическими характеристиками позволяет кодировать и визуализировать информацию об отображении механических деформаций, добавляя дополнительный способ кодирования информации.

Изображение №5

Дополнительно было исследовано, как регулируемые полутоновыми паттернами механические свойства влияют на расшифровку портрета Моны Лизы с помощью полнопольного картирования деформации. Вместо предыдущих методов FM и AM ученые переопределили уровни серого от G0 (16.7% пикселей «1» на матрицу 6 × 6 пикселей) до G9 (83.3% пикселей «1» на матрицу), используя полутоновые паттерны, расположенные горизонтально, вертикально или по диагонали (5a, 5e, 5i). Соответствующие оптические полутоновые изображения Моны Лизы были четко визуализированы, захватывая сложные детали лица и фона независимо от ориентации паттерна (5b, 5f, 5j). Эти высококонтрастные оптические полутоновые изображения, закодированные в гидрогелевых пленках, продемонстрировали долговременную стабильность, сохраняя четкость даже через три дня.

Изменение ориентации полутонового паттерна модулировало анизотропные механические отклики, влияя на то, как Мона Лиза выглядела на изображениях, полученных методом картирования деформаций, и подчеркивая определенные особенности. При растяжении по оси y горизонтально выровненные полутоновые паттерны выделяли такие элементы, как глаза, кончик носа и рот (5c, 5d), в то время как вертикально выровненные паттерны подчеркивали переносицу и контуры лица при растяжении по оси x (5g, 5h). Однако, когда полутоновые паттерны были выровнены параллельно направлению растяжения (например, вертикально выровненные паттерны при растяжении по оси y), изображения, полученные методом картирования деформаций, отображали менее различимые особенности. Диагонально расположенные паттерны демонстрировали особенности, зависящие от направления растяжения, сочетая эффекты как горизонтального, так и вертикального выравнивания (5k, *5l). Эти расшифрованные особенности на изображениях, полученных методом картирования деформаций, возникали из локальных механических вариаций, определяемых расположением бинарных полутоновых доменов.

Видео №3

Для повышения графического контраста при полнопольном картировании деформации ученые выборочно заменили горизонтально ориентированные паттерны в более темных или затененных областях (например, нос, глаза, рот, тени на лице и волосы) вертикально ориентированными паттернами с теми же уровнями серого (левая сторона на 5m). Когда разбухшая гидрогелевая пленка растягивалась вдоль оси x, эта корректировка повышала четкость черт лица и контуров на изображении карты деформации (5n, видео №3), создавая четкие границы между областями с различными анизотропными механическими свойствами. После погружения разбухшей пленки в этанол на 15 секунд, а затем в воду при 35 °C, пленка становилась более непрозрачной, стирая расшифрованную графическую информацию (правая сторона на 5m). Это преобразование было связано с эффектом консосольвентности и образованием пор в поверхностных слоях «кожи» (2g–2j), вызывая выраженное рассеяние света и непрозрачность.

Видео №4

Хотя гидрогелевая пленка больше не отображала зашифрованное полутоновое изображение, изображение карты деформации сохранило высококонтрастное изображение Моны Лизы, что объясняется различными механическими реакциями в локальных бинарных областях (5o и видео №4).

Кроме того, было продемонстрировано многослойное шифрование и дешифрование информации в рамках одной гидрогелевой пленки. Например, второй слой кодирования буквы «М», состоящий из диагонально расположенных полутоновых паттернов, был встроен в фон из горизонтально ориентированных паттернов. Благодаря идентичному уровню серого с областью лба, буква оставалась практически невидимой в разбухшей пленке (5p). Однако на изображении карты деформации она стала различимой благодаря отчетливым локализованным анизотропным механическим откликам в области буквы (5q). Совместная разработка полутоновых паттернов, регулирующих оптические и механические характеристики в рамках одной гидрогелевой пленки, обеспечивает дополнительный подход к высококонтрастному, многомодальному, многослойному шифрованию и дешифрованию информации, предлагая повышенную безопасность по сравнению с ранее описанными криптографическими технологиями.

Помимо регулируемых под воздействием стимулов оптических и механических свойств, разработанные интеллектуальные гидрогелевые пленки с полутоновым кодированием демонстрируют контролируемый рост в плоскости, например, усадку, вызванную уменьшением объема (видео №2), что позволяет одновременно регулировать динамический оптический вид и трансформацию формы, имитируя разнообразные динамические процессы, наблюдаемые у мягкотелых головоногих моллюсков. В частности, слабо сшитые гидрогели с большими порами поглощают больше воды в набухшем состоянии, что приводит к большей усадке при уменьшении объема по сравнению с сильно сшитыми гидрогелями с меньшей пористостью (например, 50 с против 120 с; iii–iv на 2a).

Вдохновленные поведением мышц головоногих моллюсков, изменяющим форму, ученые закодировали регулируемые полутоновым кодированием функции роста в 2D термочувствительные гидрогелевые пленки, что позволяет точно контролировать неравномерную деформацию в плоскости, вызванную уменьшением объема. Путем модуляции времени УФ-отверждения в локальных бинарных областях ученые создали полутоновые градиенты оттенков серого, которые пространственно контролируют градиенты деформации в плоскости внутри однослойной структуры. В отличие от традиционных активных-пассивных двухслойных конструкций, которые основаны на механизмах изгиба в изменяющих форму композитных материалах, данный подход позволяет преобразовывать двумерные однослойные пленки в заданные трехмерные конфигурации посредством деформации вне плоскости во время цикла набухания-сжатия.

Изображение №6

Для вывода функций роста, определяющих преобразования формы из 2D в 3D, были изучены взаимосвязи между закодированными полутонами уровнями серого (G1-G9), соответствующими им коэффициентами уменьшения площади (A35°C/A0) и относительным радиусом концентрических колец (r/R) (6a, 6c). Используя метод FM для кодирования уровней серого от G1 до G9, ученые получили коэффициенты уменьшения площади (A35°C/A0) в диапазоне приблизительно от 0.3 до 0.5, как показано на спроецированных синих кривых на 6a и 6c. Эти закодированные полутонами уровни серого регулировали деформации, вызванные уменьшением площади, аналогично тем, которые наблюдались при различном времени отверждения. Пространственное распределение уровней серого, регулируемое переменной r/R (6b, 6d), и соответствующие им коэффициенты уменьшения площади (A35°C/A0) были запрограммированы для определения функций роста (проецированные красные кривые на 6a и 6c). Эти закодированные функции точно контролировали процесс морфинга формы из 2D в 3D, позволяя формировать заданные 3D-конфигурации.

Для осесимметричных неевклидовых трехмерных структур с измененной формой, таких как сферические сегменты и гиперболические седла, были продемонстрированы различные гауссовы кривизны: сферические сегменты демонстрировали положительную гауссову кривизну, тогда как гиперболические седла демонстрировали отрицательную гауссову кривизну. Эти кривизны определялись функциями роста для сегментов (1) и седловидных точек (2) ниже:

В соответствии с термическим процессом Route-1, по мере повышения температуры от комнатной до 35 °C, термочувствительные гидрогелевые «оболочки» трансформировались в заданные неевклидовы трехмерные формы, характеризующиеся регулируемой полутоновым паттерном гауссовой кривизной и текстурой поверхности. Первичный переход формы происходил вблизи LCST и продолжался до 35 °C. Эти результаты демонстрируют, как динамические полутоновые паттерны, напечатанные на 4D-принтере, позволяют осуществлять пространственный контроль роста в плоскости, облегчая трансформацию двумерных гидрогелевых пленок в заданные неевклидовы трехмерные структуры.

Основываясь на изменяемых под воздействием внешних стимулов оптических свойствах и способности к трансформации формы 4D-печатных гидрогелей, ученые дополнительно исследовали интеграцию многофункциональности в единую «оболочку» из гидрогеля. Совместно разрабатывая полутоновые паттерны для одновременного кодирования информации о буквах/изображениях и функций роста, ученые обеспечили контролируемое появление закодированной информации по мере трансформации 2D-пленок в заданные 3D-структуры (6e–6h). Подобно мягкотелым головоногим моллюскам, эти «умные» «оболочки», закодированные изменяемыми под воздействием стимулов бинарными полутоновыми доменами, позволяют одновременно манипулировать оптическим видом и осуществлять глобальную трансформацию формы из 2D в 3D.

Для дальнейшего моделирования сложных поверхностных структур головоногих моллюсков ученые интегрировали различные полутоновые изображения для создания иерархических морфологий поверхности посредством деформации, вызванной уменьшением объема (6i–6l). Например, после уменьшения объема на более крупной изогнутой поверхности появились небольшие «бугорки» с положительной гауссовой кривизной (6k). Кодируя различные полутоновые изображения в оттенках серого, были получены локализованные поверхностные структуры с положительной, отрицательной или гибридной гауссовой кривизной, каждая из которых демонстрирует различные текстуры (6k, 6l). Этот подход к 4D-печати с использованием полутонов предлагает универсальную стратегию для одновременного управления оптическим видом, преобразованием формы и текстурой поверхности в рамках одного синтетического материала, расширяя возможности для динамического 3D-шифрования-дешифрования.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые обратили внимание на удивительную способность головоногих моллюсков изменять свой внешний вид. При этом они могут менять не только цвет кожи, но и ее текстуру, а также форму своего тела, чтобы слиться с окружающей средой.

Реализовать подобное поведение в синтетических материалах возможно, но лишь по отдельности. Комбинация вышеперечисленных изменений в одном материале считалась практически недостижимой. Тем не менее авторы исследования, вдохновившись осьминогами, решили попытаться создать подобный материал, использовав необычную технологию — 4D-печать.

Для достижения высокой адаптивности материала ученые использовали метод, называемый печатью с полутоновым кодированием. Эта технология преобразует данные изображения или текстуры в двоичные единицы и нули и внедряет эту информацию непосредственно в материал. Подход аналогичен тому, как точечные узоры используются в газетах или фотографиях для создания изображений. Кодируя эти цифровые паттерны внутри гидрогеля, исследователи могут запрограммировать, как «умная кожа» реагирует на различные раздражители. Напечатанные паттерны определяют, как реагируют различные области материала. Некоторые области могут набухать, сжиматься или размягчаться сильнее, чем другие, при воздействии изменений температуры, жидкостей или механических сил. Тщательно настраивая эти паттерны, можно контролировать общее поведение материала.

Одна из самых впечатляющих демонстраций была связана со способностью материала скрывать и отображать визуальную информацию. Чтобы продемонстрировать эффект, команда закодировала изображение Моны Лизы в гидрогелевую пленку. После промывания материала этанолом он стал прозрачным и не показывал видимого изображения. Скрытое изображение стало четким только после того, как пленку поместили в ледяную воду или постепенно нагрели. Исследователи также показали, что скрытые узоры можно обнаружить, слегка растягивая материал и анализируя его деформацию с помощью цифрового корреляционного анализа изображений. Это означает, что информация может быть раскрыта не только визуально, но и посредством механического взаимодействия, что добавляет дополнительный уровень безопасности.

Умная кожа также продемонстрировала замечательную гибкость. Материал легко трансформируется из плоского листа в сложные формы с детальной текстурой поверхности. В отличие от многих других материалов, меняющих форму, эта трансформация не требует многослойности или использования различных веществ. Вместо этого изменения формы и текстуры полностью контролируются цифровыми полутоновыми паттернами, нанесенными на один лист. Это позволяет материалу воспроизводить эффекты, подобные тем, которые наблюдаются в коже головоногих моллюсков.

Опираясь на эту возможность, ученые показали, что можно запрограммировать несколько функций для совместной работы. Тщательно разработав полутоновые паттерны, они закодировали изображение Моны Лизы в плоские пленки, которые впоследствии трансформировались в трехмерные формы. По мере того как листы изгибались, принимая куполообразную форму, постепенно проявлялось скрытое изображение, демонстрирующее возможность координации изменений формы и внешнего вида в рамках одного материала.

В будущем ученые намерены продолжить свою работу, сосредоточившись на расширении функциональности и масштабировании. Они хотели бы создать масштабируемую и универсальную платформу, которая позволит точно кодировать множество функций в одном адаптивном материале. Данный материал может быть использован для камуфляжа или даже для мягкой робототехники, которая сможет адаптироваться условиям окружающей среды в реальном времени.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раз�� дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?