Een nieuw onderzoek, geïnspireerd op de huid van octopussen, toont het prototype van toekomstige adaptieve camouflagetechnologie: een technisch team van Penn State heeft een nieuw hydrogelmateriaal ontwikkeld dat vooraf gecodeerde beelden kan presenteren of verbergen wanneer de temperatuur verandert of wordt blootgesteld aan verschillende oplosmiddelen. Het wordt beschreven als een synthetische huid die "reageert op de omgeving als een levend wezen." In het laatste artikel gepubliceerd in "Nature Communications" wezen onderzoekers erop dat dit materiaal omkeerbare visuele reacties kan geven op kleine omgevingsstimuli en dat het naar verwachting op veel gebieden zal worden gebruikt, zoals camouflage, detectie en slimme verpakkingen.

Het onderzoeksteam beschrijft deze hydrogel als een programmeerbaar ‘canvas’: in tegenstelling tot traditionele methoden die afhankelijk zijn van pigmenten voor kleuring, wordt informatie direct ingebed in de fysieke structuur van het materiaal en geschreven tijdens het 3D-printproces. Wanneer de hydrogel wordt verwarmd of wordt blootgesteld aan bepaalde oplosmiddelen, onthult het schijnbaar blanco oppervlak geleidelijk zijn verborgen inhoud – van brieven tot portretten. In een demonstratie hebben onderzoekers met succes het beroemde schilderij "Mona Lisa" van Leonardo da Vinci in materialen gecodeerd, waardoor het geleidelijk van grijstinten naar details kan komen naarmate de temperatuur stijgt.

Deze technologie is gebaseerd op een zogenaamd "halftone encoding 3D-printproces", dat is geïnspireerd op het vroege drukken van kranten: digitale afbeeldingen worden omgezet in een binair pixelraster dat is samengesteld uit "1"s en "0s". Microscopische patronen bepalen hoe verschillende delen van de hydrogel tijdens het productieproces op licht reageren, en UV-blootstelling "schrijft" deze patronen in het zachte polymeernetwerk, waardoor de lokale verknopingsdichtheid verandert zonder afhankelijk te zijn van inkt of kleurstoffen. Bij kamertemperatuur zijn deze structurele verschillen nauwelijks zichtbaar; zodra de thermische of chemische omgeving verandert, verandert het optische contrast en wordt het verborgen beeld duidelijk.

Omdat materialen in de loop van de tijd evolueren als reactie op externe stimuli, wordt het proces geclassificeerd als ‘4D-printen’: driedimensionale objecten die hun vorm of eigenschappen actief kunnen aanpassen naarmate hun omgeving verandert. Hongtao Sun, een co-auteur van het artikel en van de Penn State University, zei dat deze methode in wezen "instructies afdrukt" in het materiaal zelf, waardoor het fysieke gedragsrichtlijnen krijgt voor hoe te reageren als de omgeving verandert. In het experiment codeerde het onderzoeksteam eerst de schoolafkorting "PSU" in het hydrogelvel. Na een specifieke temperatuurverandering verschenen de woorden van het blanco oppervlak, waarmee het "geheugen" en de omkeerbare responsmogelijkheden van het materiaal werden geverifieerd.

Deze ‘mechanische intelligentie’ is rechtstreeks gebaseerd op de natuurlijke camouflagemechanismen van koppotigen. Octopussen, inktvissen en inktvissen vertrouwen op een netwerk van dicht opeengepakte huidpigmentzakjes (chromatoforen) en spiergestuurde microstructuren om een ​​snelle verandering van kleur, contrast en textuur te bereiken om op te gaan in hun omringende rots- of koraalomgeving. De technische gemeenschap is al lang gefascineerd door dit efficiënte en complexe camouflagevermogen, maar het is altijd moeilijk geweest om het volledig te repliceren op kunstmatige materialen. Het werk van Penn State wordt beschouwd als een stap dichter bij dat doel, waarbij digitale precisie en bionische variabiliteit in hetzelfde materiaal worden gecombineerd.

Andere wetenschappelijke onderzoeksteams onderzoeken soortgelijke concepten ook in verschillende richtingen: al in 2021 gebruikten onderzoekers van Rutgers University 3D-printen om ‘kunstmatige spieren’ te creëren die onder licht kunnen buigen, terwijl ingenieurs van Stanford ook een flexibel synthetisch materiaal ontwikkelden dat kan uitzetten en van kleur kan veranderen onder invloed van elektronenstralen. Op het gebied van robotica bestaat er een ‘Tentacle Bot’ die de beweging van tentakels imiteert, waarbij hij vertrouwt op op silicium gebaseerde structuren om grijp- en soepele bewegingen te bewerkstelligen die vergelijkbaar zijn met biologische armen. Wat daarentegen opvalt aan deze hydrogel is dat hij niet afhankelijk is van circuits of externe controlesystemen, maar informatie rechtstreeks in het materiaal codeert, waardoor het zelf een ‘gegevensdrager’ wordt die in de loop van de tijd verandert.

Potentiële toepassingen reiken veel verder dan bionische camouflage. Onderzoekers zijn van mening dat hetzelfde principe kan worden gebruikt om medische sensoren te maken die zich automatisch kunnen aanpassen, slimme verpakkingen die voedselbederf kunnen aangeven door middel van kleur of patronen, en zelfs zachte robothuiden die omgevingswaarnemingsmogelijkheden hebben en hun uiterlijk kunnen veranderen afhankelijk van de situatie. Door een van de meest complexe responsieve ontwerpen van de natuur na te bootsen, opent dit werk de weg naar nieuwe functionele materialen: materialen die meer kunnen dan alleenaanpassenDe omgeving kan ook via haar eigen vorm een ​​dialoog aangaan met de buitenwereld.