Bilim Adamları, Görüntüleri Gizleyebilen, Şekil Değiştirebilen ve Bilgileri Kodlayabilen Ahtapottan Esinlenen "Akıllı Cilt" Oluşturuyor

Yüzyıllar boyunca doğa, insan mühendisliğini sessizce geride bıraktı. Ahtapotlar ve mürekkep balığı mercanların karşısında kaybolabilirderilerini dikenler halinde dalgalandırın veya iletişim kurmak için desenleri parlatın; bazen hepsi aynı anda. Şimdi, Penn State ve Georgia Teknoloji Enstitüsü'nden bir araştırmacı ekibi, bu biyolojik büyüyü farklı bir ortamda kopyalamaya yönelik büyük bir adım attıklarını söylüyor. sentetik malzeme plastikten çok canlı bir deri gibi davranıyor.

Yayınlanan yeni hakemli bir çalışmada Doğa İletişimimühendisler çok işlevli "baskı" yapmanın yeni bir yolunu bildiriyor akıllı malzemeler görüntüleri gizleyebilen ve ortaya çıkarabilen, dokuyu değiştirebilen, karmaşık şekillere girebilen ve hatta yalnızca belirli koşullar altında okunabilen bilgileri yerleştirebilen.

Araştırmacılar materyali şu şekilde tanımlıyor: kafadanbacaklılardan ilham alan Hidrojelden yapılan ve ekibin yarı ton kodlu 4D baskı adını verdiği bir teknik kullanılarak üretilen "akıllı sentetik deri".

Çoğu sentetik malzeme—ileri düzeyde olanlar bile— tek bir şeyi iyi yapmak için tasarlandılar. Bir kaplamanın rengi değişebilir, bir polimer ısıtıldığında bükülebilir veya bir jel neme tepki verebilir.

Ancak birden fazla dinamik davranışı tek bir yumuşak malzemede birleştirmek büyük bir zorluk olmaya devam ediyor. Araştırmacılar, yaklaşımlarının, talimatları doğrudan malzemenin içine dijital olarak yerleştirerek bu kısıtlamanın üstesinden geldiğini savunuyorlar.

Penn State'ten ortak yazar ve profesör Dr. Hongtao Sun, bir basın açıklamasında "Kafadanbacaklılar, derilerinin görünümü ve dokusu üzerinde dinamik kontrol sergilemek için karmaşık bir kas ve sinir sistemi kullanıyor" dedi. "Bu yumuşak organizmalardan ilham alarak, bu fikri sentetik, yumuşak bir malzemede yakalamak için bir 4D baskı sistemi geliştirdik."

“4D baskı” terimi, baskı sonrasında değişen yapıları ifade ediyor. Gelenekselden farklı olarak 3D baskıİmalat bittikten sonra bir şeklin sabitlendiği 4D baskılı malzemeler, ısı, solventler veya mekanik stres gibi dış uyaranlara yanıt olarak dönüşecek şekilde tasarlanmıştır.

Bu durumda araştırmacılar, kendisini çeşitli şekillerde yeniden yapılandırabilen bir film oluşturmak için, halihazırda duyarlılığıyla bilinen, su açısından zengin, jöle benzeri bir malzeme olan bir hidrojel kullandılar.

Yeni sistem, malzemenin davranışını programlama şekli açısından sıra dışıdır. Araştırmacılar, çeşitli bileşenleri istiflemek veya elektronik parçaları gömmek yerine grafik tasarımdan ödünç alınan bir baskı stratejisi kullandı: yarım tonlama.

Gazetelerde ve fotoğraflarda yarı tonlu noktalar, yalnızca siyah beyaz mürekkep kullanan sürekli tonlar yanılsamasını yaratır. Burada araştırmacılar “ikili” bölgeleri hidrojele kodlamak için benzer bir mantık kullandılar.

Malzemenin bazı bölgeleri oldukça çapraz bağlı ve sertken, diğerleri hafif çapraz bağlı ve daha yumuşaktır. Bu bölgeler birler ve sıfırlar gibi davranır; baskı sırasında malzemeye gömülü dijital talimatlar. Ortam değiştiğinde her bölge farklı tepki verir ve birleşik tepki tüm sayfanın nasıl davranacağını belirler.

Dr. Sun, "Basit bir ifadeyle, talimatları malzemenin üzerine basıyoruz" diye açıkladı. "Bu talimatlar, cildin çevresinde bir şey değiştiğinde nasıl tepki vermesi gerektiğini anlatıyor."

Araştırmada açıklanan en çarpıcı gösterilerden biri görüntülerin saklanması ve sergilenmesiyle ilgili. Etkiyi göstermek için ekip, Leonardo da Vinci'nin yarım tonlu bir versiyonunu kodladı. Mona Lisa ince bir hidrojel filme dönüştürülür.

Etanol ile yıkandığında film şeffaflaştı ve görüntü tamamen kayboldu. Buzlu suya yerleştirildiğinde veya yavaş yavaş ısıtıldığında, jel şiştiğinde veya büzüldüğünde portre yüksek kontrastla yeniden ortaya çıktı.

Penn State'de endüstri ve imalat mühendisliği alanında doktora adayı ve makalenin ilk yazarı Haoqing Yang'a göre, görsel seçimi teknik olmaktan çok sembolikti.

Yang, "Bu davranış, bir yüzeyin çevreye karıştığı kamuflaj için veya mesajların gizlendiği ve yalnızca belirli koşullar altında ortaya çıktığı bilgi şifreleme için kullanılabilir" dedi.

En önemlisi, görüntü öylece girip çıkmıyor. Hidrojel saçılımının farklı bölgeleri veya ışık iletmek sıcaklığa ve solvent maruziyetine bağlı olarak. Görsel efekt tersine çevrilebilir ve tekrarlanabilir olup, aynı malzemenin gizli ve görünür durumlar arasında geçiş yapmasına olanak tanır.

Çalışma aynı zamanda ikinci, daha az belirgin olan bilgi kodlama katmanını da ortaya koyuyor. Bir görüntü optik olarak görünmez olsa bile mekanik olarak kurtarılabilir.

Yavaşça uzatarak akıllı cilt ve dijital görüntü korelasyonu kullanarak deformasyonunu ölçen araştırmacılar, görünmez desenlerin gerinim haritalarından yeniden oluşturulabileceğini gösterdi. Başka bir deyişle, bilgi hâlâ oradadır; yalnızca onu okumak için farklı bir "anahtar" gerekir.

Akıllı cilt, optik ve şifrelemenin ötesinde kontrollü şekil değiştirme davranışı da sergiliyor. Düz bir tabaka, kubbe benzeri yapılara, eyerlere veya kafadan bacaklı derisini anımsatan dokulu yüzeylere kıvrılabilir.

Diğer pek çoğunun aksine şekil değiştiren malzemelerde bu dönüşüm çoklu katmanlara veya kompozitlere dayanmaz. Bunun yerine geometri, yarı ton desenlerinin tek bir sayfa içinde nasıl düzenlendiğine göre ortaya çıkar.

Sun, "Kafadanbacaklıların vücut şeklini ve cilt desenini nasıl koordine ettiğine benzer şekilde, sentetik akıllı deri de aynı anda tek bir yumuşak malzeme içinde neye benzediğini ve nasıl deforme olduğunu kontrol edebiliyor" dedi.

Bu davranışları (optik değişim, mekanik tepki, yüzey dokusu ve şekil dönüşümü) tek bir malzeme sisteminde birleştirme yeteneği, bu atılımı diğer sentetik malzemelerden ayıran şeydir.

Önceki yaklaşımlar genellikle malzemelerin istiflenmesini veya bir işlevin diğerini başarmak için feda edilmesini gerektiriyordu. Burada ikili noktalı resim stratejisi, işlevlerin yazdırmadan önce dijital olarak birlikte tasarlanmasına olanak tanır.

Araştırmacılar, bu çalışmanın akıllı hidrojellerle ilgili daha önceki çalışmalara dayandığını ancak yeteneklerini önemli ölçüde genişlettiğini vurguluyor. Ekip, önceki çalışmalarda mekanik özellikleri ve şekil değişikliklerini programlamaya odaklandı. Yeni çalışmada, yarı tonla kodlanmış baskının, tek bir filmde birden fazla işlevin entegre edilmesine ve koordine edilmesine olanak tanıdığını gösteriyorlar.

Dr. Sun ve meslektaşları ileriye dönük olarak bir sonraki adımın ölçeklenebilirlik olduğunu söylüyor. Çeşitli fonksiyonların dinamik malzemelere hassas bir şekilde dijital olarak kodlanmasına olanak tanıyan genel bir üretim platformu öngörüyorlar.

Teknoloji hâlâ laboratuvar aşamasında olsa da sonuçları önemli olabilir. Ahtapot derisinden fikirler alıp bunları dijital üretimle birleştiren araştırmacılar, malzemelerin statik nesnelerden ziyade sistemler gibi davranacak şekilde programlanabileceğini gösterdi.

Bu değişim, çok çeşitli somut uygulamaların kapısını açıyor. Günlük bağlamlarda, bunun gibi materyaller aşağıdakilere yol açabilir: giyim veya izolasyonu, dokuyu veya görünümü sıcaklığa ve hava durumuna göre otomatik olarak ayarlayan mimari yüzeyler veya gizli bilgileri yalnızca belirli koşullar altında ortaya çıkaran ambalajlar.

Daha gelişmiş ortamlarda aynı prensipler, motor veya elektronik olmadan hareket eden ve uyum sağlayan yumuşak robotlara olanak sağlayabilir. tıbbi implantlar Vücudun içindeki sertliği veya şekli değiştiren veya şifrelenmiş verileri çiplerde değil, malzemenin kendisinin nasıl deforme ettiği veya ışığı ilettiği konusunda depolayan fiziksel nesneler.

Bileşenleri üst üste katmanlamak yerine birden fazla işlevi doğrudan maddeye yerleştiren bu yaklaşım, yanıt verme yeteneğinin, hesaplamanın ve güvenliğin, üretildikleri andan itibaren malzemelere yerleştirildiği bir geleceğe işaret ediyor.

Bu yetenekler ölçeklendirilebilir ve hidrojellerin ötesine uyarlanabilirse, gelecekteki "akıllı deriler", tıpkı biyolojik ilhamlarının başından beri yaptığı gibi, malzeme ile makine arasındaki çizgiyi bulanıklaştırabilir.

Dr. Sun şöyle açıklıyor: "Bu, ileri üretimin kesiştiği noktada yer alan disiplinler arası bir araştırmadır." "Akıllı malzemeler ve mekanikler, uyarılara duyarlı sistemler, biyomimetik mühendislik, gelişmiş şifreleme teknolojileri, biyomedikal cihazlar ve daha fazlası için geniş kapsamlı yeni fırsatlar açıyor."

Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief'in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim'i Twitter'da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim'e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]