Los materiales sintéticos se utilizan ampliamente en la ciencia, la ingeniería y la industria, pero la mayoría están diseñados para realizar sólo una gama limitada de funciones. Un equipo de investigación de Penn State se propuso cambiar eso. Dirigido por Hongtao Sun, profesor asistente de ingeniería industrial y de fabricación (IME), el grupo desarrolló una nueva técnica de fabricación que puede crear una “piel sintética inteligente” versátil. Estos materiales adaptativos se pueden programar para realizar una variedad de tareas, incluido ocultar o revelar información, permitir el camuflaje adaptativo y respaldar sistemas robóticos blandos.
Utilizando este nuevo método, los investigadores crearon una piel inteligente programable hecha de hidrogel, un material suave y rico en agua. A diferencia de los materiales sintéticos convencionales con comportamiento fijo, esta piel inteligente se puede ajustar para responder de múltiples maneras. Su apariencia, comportamiento mecánico, textura de la superficie y capacidad de cambiar de forma se pueden ajustar cuando el material se expone a factores externos como calor, disolventes o estrés físico.
Se publican los resultados comunicación de la naturalezadonde el estudio también fue seleccionado para Editors’ Highlights
Inspirado en la piel y el sistema vivo del pulpo
Sun, el investigador principal del proyecto, dijo que la idea se inspiró en cefalópodos como los pulpos, que pueden cambiar rápidamente la apariencia y textura de su piel. Estos animales utilizan esos cambios para mezclarse con su entorno o comunicarse entre sí.
“Los cefalópodos utilizan un complejo sistema de músculos y nervios para exhibir un control dinámico sobre la apariencia y textura de su piel”, dijo Sun. “Inspirándonos en estos organismos blandos, desarrollamos un sistema de impresión 4D para capturar ese concepto en un material sintético y blando”.
Sun también tiene afiliaciones con Ingeniería Biomédica, Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. Describe el proceso como impresión 4D porque los objetos impresos no son estáticos. En cambio, pueden cambiar activamente en respuesta a las condiciones ambientales.
Impresión de instrucciones digitales en material.
Para lograr esta adaptabilidad, el equipo utilizó un método llamado impresión codificada de medios tonos. Esta técnica convierte datos de imagen o textura en binario y cero e incorpora esa información directamente en el componente. El método es similar a cómo se utilizan patrones de puntos en periódicos o fotografías para crear imágenes.
Al codificar estos patrones digitales en el hidrogel, los investigadores pueden programar cómo responde la piel inteligente a diferentes estímulos. Los patrones impresos determinan cómo reaccionan las diferentes áreas del material. Algunas áreas pueden hincharse, encogerse o ablandarse más que otras cuando se exponen a cambios de temperatura, líquidos o fuerzas mecánicas. Al diseñar cuidadosamente estos patrones, el equipo puede controlar el comportamiento general del material.
“En pocas palabras, estamos imprimiendo instrucciones en el material”, explicó Sun. “Estas instrucciones le dicen a la piel cómo reaccionar cuando algo cambia a su alrededor”.
Ocultar y revelar imágenes a pedido
La exhibición más llamativa implica la capacidad de un material para ocultar y revelar información visual. Esta capacidad resalta el potencial de la piel inteligente, dijo Hawking Yang, candidato a doctorado en IME y primer autor del artículo.
Para demostrar el efecto, el equipo codificó una imagen de la Mona Lisa en la película de hidrogel. Cuando el material se lava con etanol, parece transparente y no muestra ninguna imagen visible. La imagen latente se hace evidente sólo después de colocar la película en agua helada o calentarla lentamente.
Young señaló que la Mona Lisa sólo se utilizó como ejemplo. La técnica de impresión permite codificar prácticamente cualquier imagen en el hidrogel.
“Este comportamiento puede usarse para camuflarse, donde una superficie se mezcla con su entorno, o para cifrar información, donde los mensajes se ocultan y sólo se revelan bajo ciertas circunstancias”, dijo Yang.
Los investigadores también demostraron que se pueden detectar patrones ocultos estirando suavemente el material y analizando cómo se deforma mediante el análisis de correlación de imágenes digitales. Esto significa que la información puede revelarse no sólo visualmente, sino también mediante interacción mecánica, añadiendo una capa adicional de seguridad.
Transferencia de forma sin múltiples capas.
La piel inteligente también ha demostrado una notable flexibilidad. Según Surya, el material puede pasar fácilmente de una lámina plana a formas complejas de inspiración biológica con texturas superficiales detalladas. A diferencia de muchos otros materiales que cambian de forma, esta transformación no requiere múltiples capas ni materiales diferentes.
En cambio, los cambios de forma y textura se controlan completamente mediante patrones de semitonos impresos digitalmente dentro de una sola hoja. Esto permite que el material reproduzca los efectos observados en la piel de los cefalópodos.
Basándose en esta capacidad, el equipo demostró que se pueden programar múltiples funciones para que funcionen simultáneamente. Al diseñar cuidadosamente patrones de medios tonos, codifican la imagen de Mona Lisa en una película plana que luego se convierte en una forma tridimensional. A medida que las láminas se doblaban en forma de cúpula, la imagen oculta emergía gradualmente, mostrando que los cambios de forma y apariencia visual podían coordinarse dentro de un material.
“De manera similar a cómo los cefalópodos coordinan la forma del cuerpo y los patrones de la piel, la piel sintética inteligente puede controlar simultáneamente su apariencia y cómo se deforma, todo dentro de un único material suave”, dijo Sun.
Ampliando el potencial de los hidrogeles impresos en 4D
Sun dijo que el nuevo trabajo se basa en la investigación anterior del equipo sobre hidrogeles inteligentes impresos en 4D, que se publicó en comunicación de la naturaleza. Ese estudio anterior se centró en combinar propiedades mecánicas con transformaciones programables de formas planas a tridimensionales. En el estudio actual, el equipo amplió el método utilizando impresión 4D codificada en medios tonos para integrar más funciones en una sola película de hidrogel.
De cara al futuro, los investigadores pretenden crear una plataforma escalable y versátil que permita una codificación digital precisa de múltiples funciones dentro de un componente adaptativo.
“Esta investigación interdisciplinaria en la intersección de la fabricación avanzada, los materiales inteligentes y la mecánica abre nuevas oportunidades con amplias implicaciones para los sistemas que responden a estímulos, la ingeniería biomimética, las tecnologías de cifrado avanzadas, los dispositivos biomédicos y más”, dijo Sun.
El estudio incluyó a los coautores de Penn State, Haotian Li y Juchen Zhang, ambos candidatos a doctorado en IME, y Tengjiao Liu, profesor de ingeniería biomédica. En el proyecto también colaboró H. Jerry Qiu, profesor de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología de Georgia.
