Зерттеушілер тобы «ақылды тері» деп аталатын материалға Мона Лизаның бейнесін шифрлауға мүмкіндік беретін инновациялық басып шығару әдісін ойлап тапты. Бұл бейне материалдың ішінде жасырын болуы мүмкін және тек белгілі бір әсерлер кезінде — мысалы, созылғанда, қыздырылғанда, сұйықтықпен жанасқанда немесе материалдың пішіні жазық (2D) күйден көлемді (3D) күйге өзгергенде ғана көрінеді.

Көпфункционалды синтетикалық материалдар

Синтетикалық материалдар ғылымда, инженерияда және өнеркәсіпте кеңінен қолданылады, бірақ олардың көпшілігі шектеулі міндеттерді шешуге арналған. Пенсильвания штаты университетінің доценті Хонгтао Сунь жетекшілік еткен зерттеушілер тобы көпфункционалды «ақылды синтетикалық тері» жасауға арналған жаңа технология әзірледі. Бұл бейімделгіш материалдарды әртүрлі функцияларға — ақпаратты жасыру мен ашудан бастап, бейімделгіш камуфляж жасауға және жұмсақ робототехникалық жүйелерді қолдауға дейін — бағдарламалауға болады.

Бағдарламаланатын гидрогель негізіндегі ақылды тері

Жаңа тәсіл аясында ғалымдар суға қаныққан жұмсақ материал — гидрогель негізінде бағдарламаланатын ақылды тері жасады. Дәстүрлі синтетикалық материалдардан айырмашылығы, бұл ақылды тері әртүрлі сыртқы факторларға — жылу, еріткіштер немесе физикалық әсерлерге — жауап беретін кең ауқымды реакцияларға бапталуы мүмкін. Оның сыртқы түрі, механикалық қасиеттері, беткі текстурасы мен пішінін өзгерту қабілеті сыртқы әсерлер арқылы реттеледі. Зерттеу нәтижелері Nature Communications журналында жарияланып, Editors' Highlights бөлімінде атап өтілді.

Табиғаттан шабыт алу

Хонгтао Сунь материал жасау идеясы сегізаяқтар мен басқа да басаяқты моллюскаларды бақылаудан туғанын айтты. Бұл жануарлар терісінің сыртқы түрі мен текстурасын камуфляж немесе коммуникация үшін жылдам өзгерте алады. «Басаяқтылар тері сыртқы түрі мен текстурасын динамикалық басқару үшін күрделі бұлшықет және жүйке жүйесін пайдаланады. Осы жұмсақ организмдерден шабыттанып, біз синтетикалық материалда осындай мүмкіндіктерді іске асыру үшін 4D-басып шығару жүйесін жасадық», — деп түсіндірді Сунь.

Жартылай тонды кодталған басып шығару технологиясы

Бейімделгіштікке қол жеткізу үшін команда жартылай тонды кодталған басып шығару әдісін қолданды. Бұл әдіс кескін немесе текстура деректерін екілік кодқа түрлендіріп, оларды материалдың өзіне енгізеді — газет немесе фотосуреттердегі нүктелі өрнектер арқылы бейнелер жасалатыны сияқты.

Гидрогель ішінде сандық өрнектерді кодтау арқылы зерттеушілер ақылды терінің әртүрлі стимулдарға реакциясын бағдарламалай алады. Басып шығарылған өрнектер материалдың жекелеген бөліктерінің қалай әрекет ететінін анықтайды: кейбіреулері температура өзгергенде, сұйықтық әсер еткенде немесе механикалық күш түскенде ісініп, сығылып немесе жұмсара алады. Бұл өрнектерді мұқият жобалау арқылы команда материалдың жалпы мінез-құлқын басқарады. «Қарапайым тілмен айтқанда, біз материалдың ішіне оның қоршаған орта өзгерістеріне қалай жауап беретінін анықтайтын нұсқауларды басып шығарамыз», — деді Сунь.

Ақпаратты жасыру және ашу демонстрациясы

Материалдың ақпаратты жасыру және ашу қабілеті ең айқын демонстрациялардың бірі болды. Мақаланың бірінші авторы, аспирант Хаоцин Ян бұл функция ақылды терінің әлеуетін көрсететінін атап өтті. Демонстрация үшін команда Мона Лизаның бейнесін гидрогель қабығына кодтады. Материалды этанолмен жуған кезде ол мөлдір болып, бейне жоғалады. Жасырын бейне тек қабықты мұздай суға салғанда немесе біртіндеп қыздырғанда ғана көрінеді.

Ян Мона Лизаның тек мысал ретінде алынғанын, технология кез келген бейнені гидрогельге кодтауға мүмкіндік беретінін айтты. «Мұндай мінез-құлық камуфляж үшін — беті қоршаған ортамен бірігіп кететін кезде — немесе ақпаратты шифрлау үшін — хабарламалар тек белгілі бір жағдайда ғана көрінетін кезде — қолданылуы мүмкін», — деп түсіндірді ол.

Зерттеушілер жасырын өрнектерді материалды мұқият созып, оның деформациясын сандық корреляция талдауы арқылы анықтауға болатынын да көрсетті. Бұл ақпаратты тек визуалды ғана емес, механикалық әсер арқылы да ашуға болатынын білдіреді, бұл қосымша қауіпсіздік деңгейін қамтамасыз етеді.

Икемділік және функцияларды үйлестіру

Ақылды тері таңғаларлық икемділікті көрсетті: материал жазық парақтан табиғаттан шабыт алған күрделі, детальды беттері бар пішіндерге оңай ауыса алады. Көптеген басқа пішін өзгертетін материалдардан айырмашылығы, мұндай трансформация үшін бірнеше қабат немесе әртүрлі заттар қажет емес. Пішін мен текстура өзгерістері бір парақтың ішіндегі басып шығарылған жартылай тонды өрнектер арқылы толық бақыланады, бұл басаяқтылардың терісіне ұқсас әсерлерді қайталауға мүмкіндік береді.

Бұл мүмкіндікті дамыта отырып, команда бірнеше функцияны бір уақытта бағдарламалауға болатынын көрсетті. Жартылай тонды өрнектерді мұқият жобалау арқылы олар Мона Лизаның бейнесін жазық қабықтарға кодтап, кейін оларды үшөлшемді пішіндерге айналдырды. Парақтар күмбез тәрізді құрылымдарға иілген сайын жасырын бейне біртіндеп көріне бастады, бұл пішін мен сыртқы түр өзгерістерін бір материалда үйлестіруге болатынын көрсетті. «Басаяқтылар дене пішіні мен тері өрнегін үйлестіргендей, синтетикалық ақылды тері де өз сыртқы түрі мен деформациясын бір жұмсақ материалда бір уақытта басқара алады», — деді Сунь.

Болашағы мен даму перспективалары

Сунь жаңа жұмыс командасының ақылды гидрогельдерді 4D-басып шығару бойынша бұрынғы зерттеулеріне негізделгенін айтты, олар да Nature Communications журналында жарияланған. Ол зерттеуде назар механикалық қасиеттерді жазықтан үшөлшемді пішіндерге бағдарламаланатын өтулермен біріктіруге аударылған. Қазіргі жұмыста команда тәсілді кеңейтіп, жартылай тонды 4D-басып шығару арқылы бір гидрогель қабығына одан да көп функцияларды біріктірді.

Болашақта зерттеушілер көптеген функцияларды бір бейімделгіш материалда дәл цифрлық кодтауға мүмкіндік беретін ауқымды және әмбебап платформа жасауды жоспарлап отыр. «Озық өндірістік технологиялар, интеллектуалды материалдар мен механика тоғысындағы пәнаралық зерттеулер стимулдарға жауап беретін жүйелерді, биомиметикалық инженерияны, шифрлау технологияларын, биомедициналық құрылғыларды және тағы басқаларды жасау үшін жаңа мүмкіндіктер ашады», — деп түйіндеді Сунь.