Os materiais sintéticos são amplamente utilizados na ciência, na engenharia e na indústria, mas a maioria é projetada para realizar apenas tarefas limitadas. Uma equipe de pesquisa da Penn State decidiu mudar isso. Liderada por Hongtao Sun, professor assistente de Engenharia Industrial e de Manufatura (IME), a equipe desenvolveu uma nova tecnologia de fabricação que pode produzir “pele sintética inteligente” multifuncional. Esses materiais adaptáveis 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 esta nova abordagem, os pesquisadores criaram uma pele inteligente programável feita de hidrogel, um material macio e rico em hidratação. Ao contrário dos materiais sintéticos tradicionais, que têm comportamentos fixos, esta pele inteligente pode ser ajustada para responder de diversas maneiras. Quando um material é exposto a fatores externos, como calor, solventes ou estresse físico, sua aparência, comportamento mecânico, textura superficial e capacidade de mudar de forma podem ser ajustados.
Os resultados da pesquisa foram publicados em comunicações da naturezao estudo também foi selecionado como Destaque Editorial.
Inspirado na pele e nos sistemas vitais do polvo
Sun, principal pesquisador do projeto, disse que o conceito foi inspirado em cefalópodes como os polvos, que podem mudar rapidamente a aparência e a textura da pele. Os animais usam essas mudanças para se misturar ao ambiente ou se comunicarem entre si.
“Os cefalópodes usam sistemas musculares e nervosos complexos para controlar dinamicamente a aparência e a textura da pele”, disse Sun. “Inspirados por esses organismos moles, desenvolvemos um sistema de impressão 4D para capturar essa ideia em materiais sintéticos macios”.
A Sun também possui afiliações em engenharia biomédica, ciência e engenharia de materiais e no Penn State Materials Institute. Ele descreve o processo como impressão 4D porque os objetos impressos não são estáticos. Em vez disso, podem mudar proativamente em resposta às condições ambientais.
Imprima instruções digitais em materiais
Para alcançar essa adaptabilidade, a equipe usou um método chamado impressão codificada em meio-tom. Essa tecnologia converte dados de imagem ou textura em uns e zeros binários e incorpora essas informações diretamente no material. O método é semelhante ao uso de padrões de pontos para criar imagens em jornais ou fotografias.
Ao codificar esses padrões digitais em hidrogéis, os pesquisadores podem programar uma pele inteligente para responder a diferentes estímulos. O padrão impresso determina como cada área do material responde. Algumas áreas podem expandir, contrair 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, imprimimos as instruções no material”, explica Sun. “Estas instruções dizem à pele como reagir quando ocorrem mudanças ao seu redor.”
Ocultar e mostrar imagens sob demanda
Uma das demonstrações mais marcantes envolveu a capacidade do material de ocultar e revelar informações visuais. Esta capacidade destaca o potencial da pele inteligente, disse Haoqing Yang, estudante de doutorado no IME e primeiro autor do artigo.
Para demonstrar este efeito, a equipe codificou uma imagem da Mona Lisa em um filme de hidrogel. Quando o material foi lavado com etanol, apresentou-se transparente e não apresentou imagem visível. Somente quando o filme é colocado em água gelada ou aquecido gradualmente é que a imagem oculta fica clara.
Young ressalta que a Mona Lisa serve apenas como exemplo. A tecnologia de impressão pode codificar quase qualquer imagem em hidrogéis.
“Esse comportamento pode ser usado para camuflagem, onde a superfície se mistura com o ambiente, ou para criptografia de informações, onde as informações são ocultadas e exibidas apenas sob certas condições”, 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 exibidas não apenas visualmente, mas também por meio de interação mecânica, agregando um nível extra de segurança.
Transforma sem múltiplas camadas
Skins inteligentes também demonstram flexibilidade notável. Sun diz que o material pode facilmente se transformar de folhas planas em formas biomiméticas complexas com texturas de superfície detalhadas. Ao contrário de muitos outros materiais que mudam de forma, esta transformação não requer múltiplas camadas ou substâncias diferentes.
Em vez disso, as variações de forma e textura são inteiramente controladas por padrões de meio-tom impressos digitalmente em uma única folha de papel. Isso permite que o material reproduza efeitos semelhantes aos da pele dos cefalópodes.
Com base nesse recurso, a equipe demonstrou que vários recursos podem ser programados para funcionarem juntos. Ao projetar cuidadosamente padrões de meio-tom, eles codificaram a imagem da Mona Lisa em um filme plano e depois a transformaram em uma forma tridimensional. À medida que a folha se dobra em forma de cúpula, imagens ocultas emergem lentamente, demonstrando que as mudanças na forma e na aparência visual podem ser coordenadas dentro de um único material.
“Semelhante à forma como os cefalópodes coordenam a forma do corpo e o padrão da pele, uma pele sintética inteligente poderia controlar simultaneamente 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 para impressão 4D, que também foi publicada em comunicações da natureza. As primeiras pesquisas focaram na combinação de propriedades mecânicas com transições programáveis de formas planas para tridimensionais. No estudo atual, a equipe estendeu esse método usando impressão 4D codificada em meio-tom para integrar mais funcionalidade em um único filme de hidrogel.
No futuro, os pesquisadores pretendem criar uma plataforma escalável e versátil que permita a codificação digital precisa de múltiplas funções em um material adaptativo.
“A pesquisa interdisciplinar na intersecção entre manufatura avançada, materiais inteligentes e mecânica trouxe amplo impacto aos sistemas responsivos a estímulos, engenharia biônica, tecnologia avançada de criptografia, dispositivos biomédicos e muito mais”, disse Sun.
Os co-autores do estudo também incluem os estudantes de doutorado do Penn State IME, Li Haotian e Zhang Juchen, e o instrutor de engenharia biomédica Teng Xiaoliu. H. Jerry Qi, professor de engenharia mecânica na Georgia Tech, também trabalhou no projeto.
