Os materiais sintéticos são amplamente utilizados na ciência, na engenharia e na indústria, mas a maioria é projetada para desempenhar apenas uma estreita gama de funções. Uma equipe de pesquisa da Penn State decidiu mudar isso. Liderado por Hongtao Sun, professor assistente de engenharia industrial e de manufatura (IME), o grupo desenvolveu uma nova técnica de fabricação que pode criar uma versátil “pele sintética inteligente”. Esses materiais adaptativos podem ser programados para realizar uma variedade de tarefas, incluindo ocultar ou revelar informações, permitir camuflagem adaptativa e dar suporte a sistemas robóticos leves.
Usando este novo método, os pesquisadores criaram uma pele inteligente programável feita de hidrogel, um material macio e rico em água. Ao contrário dos materiais sintéticos convencionais com comportamento fixo, esta pele inteligente pode ser ajustada para responder de várias maneiras. Sua aparência, comportamento mecânico, textura superficial e capacidade de mudar de forma podem ser ajustados quando o material é exposto a fatores externos como calor, solventes ou estresse físico.
Os resultados são publicados Comunicação da naturezaonde o estudo também foi selecionado para Destaques dos Editores
Inspirado na Pele de Polvo e no Sistema Vivo
Sun, o principal investigador do projeto, disse que a ideia foi inspirada em cefalópodes como os polvos, que podem mudar rapidamente a aparência e a textura da sua pele. Esses animais usam essas mudanças para se misturar ao ambiente ou se comunicarem entre si.
“Os cefalópodes usam um sistema complexo de músculos e nervos para exibir controle dinâmico sobre a aparência e a textura da pele”, disse Sun. “Inspirados por esses organismos moles, desenvolvemos um sistema de impressão 4D para capturar esse conceito em um material sintético e macio.”
A Sun também tem afiliações com Engenharia Biomédica, Ciência e Engenharia de Materiais e com o Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. Ele descreve o processo como impressão 4D porque os objetos impressos não são estáticos. Em vez disso, podem mudar ativamente em resposta às condições ambientais.
Impressão de instruções digitais no material
Para alcançar essa adaptabilidade, a equipe usou um método chamado impressão codificada em meio-tom. Essa técnica converte dados de imagem ou textura em binário e zero e incorpora essas informações diretamente no componente. O método é semelhante ao modo como os padrões de pontos são usados em jornais ou fotografias para criar imagens.
Ao codificar esses padrões digitais no hidrogel, os pesquisadores podem programar como a pele inteligente responde a diferentes estímulos. Os padrões impressos determinam como as diferentes áreas do material reagem. Algumas áreas podem inchar, encolher ou amolecer mais do que outras quando expostas a mudanças de temperatura, líquidos ou forças mecânicas. Ao projetar cuidadosamente esses padrões, a equipe pode controlar o comportamento geral do material.
“Simplificando, estamos imprimindo instruções no material”, explicou Sun. “Estas instruções dizem à pele como reagir quando algo muda ao seu redor.”
Oculte e revele imagens sob demanda
A exibição mais atraente envolve a capacidade do material de ocultar e revelar informações visuais. Esta capacidade destaca o potencial da pele inteligente, disse Hawking Yang, doutorando no IME e primeiro autor do artigo.
Para demonstrar o efeito, a equipe codificou uma imagem da Mona Lisa no filme de hidrogel. Quando o material é lavado com etanol, ele fica transparente e não apresenta imagem visível. A imagem latente torna-se aparente somente depois que o filme é colocado em água gelada ou aquecido lentamente.
Young observou que a Mona Lisa foi usada apenas como exemplo. A técnica de impressão permite que praticamente qualquer imagem seja codificada no hidrogel.
“Esse comportamento pode ser usado para camuflagem, onde uma superfície se mistura com seu ambiente, ou para criptografia de informações, onde as mensagens são ocultadas e reveladas apenas sob certas circunstâncias”, disse Yang.
Os pesquisadores também mostraram que padrões ocultos podem ser detectados esticando suavemente o material e analisando como ele se deforma usando análise de correlação de imagens digitais. Isso significa que as informações podem ser reveladas não apenas visualmente, mas também por meio de interação mecânica, acrescentando uma camada extra de segurança.
Transferência de forma sem múltiplas camadas
A pele inteligente também demonstrou flexibilidade notável. De acordo com Surya, o material pode facilmente transitar de uma folha plana para formas complexas de inspiração biológica com texturas de superfície detalhadas. Ao contrário de muitos outros materiais que mudam de forma, esta transformação não requer múltiplas camadas ou materiais diferentes.
Em vez disso, as mudanças na forma e na textura são completamente controladas por padrões de meio-tom impressos digitalmente em uma única folha. Isso permite que o material replique os efeitos observados na pele dos cefalópodes.
Com base nesta capacidade, a equipe mostrou que múltiplas funções podem ser programadas para funcionar simultaneamente. Ao projetar cuidadosamente padrões de meio-tom, eles codificam a imagem da Mona Lisa em um filme plano que é então convertido em formato tridimensional. À medida que as folhas eram dobradas em forma de cúpula, a imagem oculta emergia gradualmente, mostrando que as mudanças na forma e na aparência visual podiam ser coordenadas dentro de um material.
“Semelhante à forma como os cefalópodes coordenam a forma do corpo e o padrão da pele, a pele sintética inteligente pode controlar simultaneamente a sua aparência e como se deforma, tudo dentro de um único material macio”, disse Sun.
Expandindo o potencial dos hidrogéis impressos em 4D
Sun disse que o novo trabalho se baseia na pesquisa anterior da equipe sobre hidrogéis inteligentes impressos em 4D, publicada em Comunicação da natureza. Esse estudo anterior concentrou-se na combinação de propriedades mecânicas com transformações programáveis de formas planas para tridimensionais. No estudo atual, a equipe estendeu o método usando impressão 4D codificada em meio-tom para integrar mais funções em um único filme de hidrogel.
Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem criar uma plataforma escalável e versátil que permita a codificação digital precisa de múltiplas funções dentro de um componente adaptativo.
“Esta pesquisa interdisciplinar na interseção de fabricação avançada, materiais inteligentes e mecânica abre novas oportunidades com amplas implicações para sistemas responsivos a estímulos, engenharia biomimética, tecnologias avançadas de criptografia, dispositivos biomédicos e muito mais”, disse Sun.
O estudo incluiu os coautores da Penn State, Haotian Li e Juchen Zhang, ambos doutorandos no IME, e Tengjiao Liu, professor de engenharia biomédica. H. Jerry Qiu, professor de engenharia mecânica do Georgia Institute of Technology, também colaborou no projeto.
