賓州州立大學的研究人員開發出一種新的製造方法，能使可編程的智能合成皮膚隨時改變其外觀、質感和形狀，同時根據需求隱藏或顯示信息。這種材料由水豐富的水凝膠製成，並使用團隊所描述的 4D 打印技術生產。與傳統的合成材料固定性質不同，智能皮膚能夠動態地響應外部刺激，例如熱量、溶劑或機械應力。
這種方法使得單一材料能夠同時執行多種功能，包括自適應偽裝、信息加密和解密以及形狀變化。研究人員表示，這種多功能性在現有的合成材料中是難以實現的，因為這些材料通常是為特定角色而設計的。這項工作的靈感來自章魚等頭足類動物，它們能快速改變皮膚的外觀和質地，以融入周圍環境或進行溝通。
智能皮膚的關鍵在於一種稱為半色調編碼打印的技術。這種方法將數字圖像或質地數據轉換為二進制圖案，這些圖案直接打印在水凝膠中。這些圖案作為嵌入指令，決定材料的不同區域在環境變化時如何反應。賓州州立大學工業與製造工程助理教授、項目主要研究者孫洪濤表示：「我們在材料中打印指令，這些指令告訴皮膚如何對周圍變化做出反應。」
當材料暴露於如溫度變化、液體或機械力量等刺激下，水凝膠的不同區域會以受控的方式膨脹、變軟或變形。研究人員可以通過精心設計的半色調圖案來決定材料的整體行為。其中一個引人注目的展示是將蒙娜麗莎的圖像編碼到智能皮膚中。當用乙醇清洗時，水凝膠顯得透明，完全隱藏了圖像。當材料浸入冰水中或逐漸加熱時，圖像再次顯現。這種行為可以用於偽裝，使表面融入其環境，或用於信息加密，只有在特定條件下才能顯示消息。
除了視覺變化，智能皮膚還能通過機械變形來顯示隱藏的信息。通過輕輕拉伸材料並分析其變形，編碼的圖案可以利用數字圖像相關技術進行檢測。水凝膠顯示出高度的可塑性，能從平坦的片材轉變為複雜的仿生形狀，而不需要多層或不同的材料。在另一個展示中，編碼在平面薄膜中的圖像隨著材料變形為拱形 3D 結構而逐漸變得可見。孫洪濤表示：「類似於頭足類動物協調身體形狀和皮膚圖案，合成智能皮膚能同時控制其外觀和變形，所有這一切都在單一的柔性材料內完成。」
研究人員認為，這種方法可能會導致可擴展的平台，用於軟機器人、自適應材料、安全通信、生物醫療設備和先進製造。該研究已發表在《自然通信》期刊上。
