受章鱼变形皮肤启发，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出一种智能水凝胶，能够按需改变外观、纹理和形状。该材料采用特殊印刷技术进行编程，将数字指令直接嵌入皮肤结构中。图像和信息在未受热、液体或拉伸触发时保持隐形状态。
使用这种新方法，研究人员创造了一种由水凝胶（一种柔软、富含水的材料）制成的可编程智能皮肤。与行为固定的传统合成材料不同，这种智能皮肤可被调整，以多种方式响应。当材料暴露于外部触发因素（如热、溶剂或物理应力）时，其外观、机械行为、表面纹理和改变形状的能力均可被调节。
该研究成果发表于《自然-通讯》（Nature Communications），并被选为编辑推荐亮点文章。
源于章鱼皮肤与生命系统的启发
该项目的首席研究员孙教授表示，这一概念受到了章鱼等头足类动物的启发，它们能够迅速改变皮肤的外观和纹理。这些动物利用这种变化来融入周围环境或相互交流。
孙教授说："头足类动物利用复杂的肌肉和神经系统，对其皮肤的外观和纹理展现出动态控制。受这些柔软生物体的启发，我们开发了一种4D打印系统，以在合成软材料中实现这一理念。"
孙教授还任职于宾夕法尼亚州立大学的生物医学工程、材料科学与工程系以及材料研究所。他将这个过程描述为4D打印，因为打印出的物体并非静态，而是能够根据环境条件主动变化。
将数字指令打印到材料中
为了实现这种适应性，该团队采用了一种称为半色调编码打印的方法。这项技术将图像或纹理数据转换为二进制1和0，并将该信息直接嵌入材料中。这种方法类似于报纸或照片中使用网点图案来创建图像的方式。
通过在水凝胶内编码这些数字图案，研究人员可以编程设定智能皮肤如何响应不同的刺激。打印出的图案决定了材料不同区域的响应方式。当暴露于温度变化、液体或机械力时，某些区域可能比其他区域膨胀、收缩或软化得更多。通过精心设计这些图案，团队可以控制材料的整体行为。
孙教授解释说："简单来说，我们是在将指令打印到材料中。这些指令告诉皮肤当周围环境发生变化时该如何反应。"
按需隐藏和显示图像
最引人注目的演示之一涉及该材料隐藏和显示视觉信息的能力。该论文的第一作者、IME的博士生杨浩清表示，这一能力突显了智能皮肤的潜力。
为了演示这种效果，团队将蒙娜丽莎的图像编码到水凝胶薄膜中。当用乙醇清洗材料时，它变得透明，没有可见图像。只有当薄膜被放入冰水中或逐渐加热时，隐藏的图像才会变得清晰。
杨指出，蒙娜丽莎仅作为示例使用。这种打印技术实际上可以将任何图像编码到水凝胶中。
杨说："这种行为可用于伪装，使表面融入其环境，或用于信息加密，隐藏信息并仅在特定条件下才显现。"
研究人员还表明，通过轻轻拉伸材料并使用数字图像相关分析来解析其变形方式，可以检测到隐藏的图案。这意味着信息不仅可以通过视觉揭示，还可以通过机械互动来揭示，增加了一层额外的安全性。
无需多层的形状变换
这种智能皮肤还展示了卓越的柔韧性。据孙教授介绍，该材料可以轻松地从平面片材转变为具有复杂表面纹理的、受生物启发的复杂形状。与许多其他形状改变材料不同，这种转变不需要多个层或不同物质。
相反，形状和纹理的变化完全由单一片材内数字打印的半色调图案控制。这使得材料能够复制类似于头足类动物皮肤中观察到的效果。
基于这种能力，团队展示了多种功能可以被编程设定以协同工作。通过精心设计半色调图案，他们将蒙娜丽莎图像编码到平坦的薄膜中，这些薄膜随后转变为三维形态。当片材弯曲成圆顶状时，隐藏的图像慢慢显现，表明形状和视觉外观的变化可以在单一材料内协调进行。
孙教授说："类似于头足类动物协调身体形状和皮肤图案的方式，这种合成智能皮肤可以同时控制其外观和变形方式，所有这些都在单一柔软材料内实现。"
拓展4D打印水凝胶的潜力
孙教授表示，这项新工作建立在团队早期关于4D打印智能水凝胶的研究基础之上，该早期研究也发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。早期的研究侧重于将机械性能与从平面到三维形态的可编程转变相结合。在当前的研究中，团队扩展了该方法，使用半色调编码4D打印将更多功能集成到单个水凝胶薄膜中。
展望未来，研究人员的目标是创建一个可扩展且多功能的平台，允许在一种自适应材料内对多种功能进行精确的数字编码。
孙教授说："这项处于先进制造、智能材料和力学交叉领域的跨学科研究，为刺激响应系统、仿生工程、先进加密技术、生物医学设备等开辟了具有广泛影响的新机遇。"
该研究的其他合著者包括宾夕法尼亚州立大学的李昊天和张巨晨（均为IME博士生），以及生物医学工程讲师刘腾霄。佐治亚理工学院机械工程教授H. Jerry Qi也参与了该项目合作。