Осьминоги и их родственники из класса головоногих давно привлекают внимание биологов благодаря своей почти сверхъестественной способности менять форму. Эти животные молниеносно изменяют цвет и фактуру кожи, сливаясь с окружением и скрываясь от хищников. Этот природный камуфляж — впечатляющий пример биологии, который инженеры пытались воспроизвести, но пока успехи были ограничены. Похоже, ситуация начала меняться.
Исследователи из Penn State утверждают, что создали новый гидрогель, вдохновлённый кожей осьминога, который позволяет «зашифровывать» изображения прямо в структуре материала. Внедрённые изображения исчезают и снова появляются при небольших изменениях температуры или состава окружающего растворителя. В итоге получается «4D» синтетическая умная кожа, способная раскрывать скрытые рисунки и менять узоры поверхности.
В качестве демонстрации команда зашифровала в материале чёрно‑белое изображение «Моны Лизы» Леонардо да Винчи. При комнатной температуре картинка практически незаметна. Но при нагреве контраст между заложенными участками увеличивается и изображение проглядывает. Хотя технология пока на ранней стадии, она может заложить основу для синтетического адаптивного камуфляжа — с очевидными военными приложениями и не только. Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Nature Communications.
Это впечатляющее инженерное достижение, которое одновременно подчёркивает изящную сложность природных решений, отточенных миллионами лет эволюции. Даже обладая значительными ресурсами и коллективным умом, человек пока не превзошёл природную изобретательность.
Как прячутся осьминоги
Учёные постепенно раскрывают сложность мозга осьминогов и их необычные способности к решению задач. Однако трансформация внешнего облика у этих животных, по-видимому, чаще носит инстинктивный характер, чем сознательный.
С биологической точки зрения головоногие используют специализированные нейромышечные структуры — хроматофоры — для создания своего эволюционного фокуса. Хроматофоры расширяются и сокращаются в ответ на нервные сигналы, вызванные внешними стимулами. Кроме того, они применяют мышечные гидростаты, которые быстро меняют текстуру кожи. В совокупности эти механизмы дают осьминогам исключительную вариативность внешнего вида, позволяя им бесшовно сливаться с окружением.
«Эта сложная система нервов и мышц даёт мягкотелым организ- мам возможность одновременно менять оптический вид, текстуру поверхности и форму», — пишут авторы нового исследования.
Печать «газеты» на коже
Чтобы в лаборатории воспроизвести приёмы камуфляжа и изменения формы, команда из Penn State потребовала материал, который одновременно меняет внешний вид и форму. Исходной «холстой» платформой стал 3D‑напечатанный гидрогель. С помощью метода halftone‑encoded printing исследователи сначала преобразовали изображение в бинарную сетку пикселей, где разные комбинации единиц и нулей соответствовали участкам материала с различными физическими свойствами. Подобно газетной печати, плотность и распределение таких пикселей создают иллюзию светлых и тёмных зон.
После конвертации изображения в бинарный паттерн команда «записала» его непосредственно в гидрогель посредством управляемого ультрафиолетового облучения в процессе печати. Другими словами, изображение было «запечено» в структуру гидрогеля. Вместо нанесения чернил или пигмента, как при татуировке, УФ‑воздействие программирует тонкие различия во внутренней структуре материала. При обычных условиях эти отличия невидимы невооружённым глазом.
Когда же материал нагревают, участки, соответствующие нулям и единицам, реагируют по‑разному, и их визуальный контраст постепенно усиливается. Ранее скрытое изображение проявляется по мере реакции гидрогеля на окружающую среду. Процесс отчасти напоминает выявление невидимых чернил с помощью реактива или специального света. Исследователи называют это формой 4D‑печати, поскольку трёхмерный объект изменяет свой внешний вид со временем под воздействием внешних стимулов. Аналогичный эффект они получили и при изменении растворителя вокруг образца: скрытый рисунок вновь становился видимым.
«Мы печатаем инструкции в материале», — объясняет соавтор исследования, инженер промышленного производства Hongtao Sun, в блоге Penn State. «Эти инструкции подсказывают коже, как реагировать на изменения вокруг неё».
В демонстрации эффекта учёные сначала зашифровали в пленке буквы «PSU». После изменения температуры пленки буквы проявились. Затем они усложнили задачу и повторили приём с градационной (grayscale) версией «Моны Лизы». По словам авторов, в теории такой подход применим к любому изображению — его нужно лишь перевести в бинарный паттерн и закодировать на гидрогеле.
Это не первый случай, когда анатомия осьминога вдохновляет инженеров. В 2021 году учёные из Rutgers University напечатали синтетический «мышечный» элемент, который менял форму под воздействием света. Вслед за этим исследователи из Stanford создали гибкий материал, который набухает и меняет размер при воздействии электронным пучком. Кроме того, робототехники сконструировали осьминогоподобного «Tentacle Bot» с присосками и манипуляторами, позволяющего ему перемещаться и захватывать предметы.
От автора
Технология, описанная в исследовании Penn State, показывает прагматичный путь к созданию материалов, которые меняют внешний вид не за счёт красителей, а за счёт заложенной структуры. Это открывает перспективы для адаптивного камуфляжа, интеллектуальных интерфейсов и новых видов датчиков поверхности. Для практического применения ещё потребуется время и тестирование, но сама идея — перспективна как для исследовательских лабораторий, так и для промышленного дизайна.
