En el instante de un parpadeo, pulpos y sepias parecen desaparecer en su entorno acuático, cambiando tanto el color como la textura de su piel. Replicar estas tácticas de camuflaje dual en materiales sintéticos, sin embargo, ha sido un desafío persistente para los ingenieros.
Investigadores de Stanford han comenzado a descifrar este código, desarrollando una película polimérica programable que puede hincharse rápidamente para adoptar diferentes colores y texturas. Liderados por miembros del Geballe Laboratory for Advanced Materials, el equipo publicó sus hallazgos en Nature el 7 de enero, describiendo la “piel fotónica” inspirada en las sepias y su potencial para revolucionar los enfoques en camuflaje, robótica y tecnología de pantallas.
“La naturaleza tiene muchísimas estrategias increíbles y astutas que no se anticipan hasta que se observan de cerca”, afirmó Nicholas Melosh, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del estudio.
Para crear películas con textura controlable, los investigadores utilizaron litografía con haz de electrones, disparando haces de electrones al polímero PEDOT:PSS para codificar patrones y dictar su comportamiento de hinchamiento. Al sumergirse en agua, el polímero se hincha adoptando la topografía programada, formando características como protuberancias y ondas; en alcohol isopropílico, el polímero vuelve a su estado original, haciendo que el proceso sea completamente reversible.
El equipo demostró la capacidad del material para la complejidad creando una réplica de la formación rocosa El Capitan en Yosemite. Los patrones también pueden codificarse a escala micrométrica para controlar los acabados de la superficie, como el brillo y el mate, propiedades de la apariencia visual que los investigadores describen como “poco exploradas” y que las sepias explotan de forma natural.
Por lo tanto, el uso de esta película polimérica en pantallas de ordenador podría permitir que las pantallas parezcan más “realistas” al añadir características de superficie dinámicas junto con el color, según Siddharth Doshi, autor principal del estudio, un investigador postdoctoral en Caltech que era estudiante de doctorado de sexto año en ciencia de materiales en el momento de la publicación.
La superficie programable fue un descubrimiento inesperado, según Doshi. Mientras trabajaba en un proyecto anterior, decidió no desechar una vieja muestra de polímero PEDOT:PSS que había sido expuesta a los haces de electrones de un microscopio electrónico de barrido (SEM). En cambio, observó cómo se hinchaba el polímero, notando regiones de defectos causados por la exposición a los electrones. No fue hasta que un mentor le dio un empujón y realizó algunos experimentos iniciales y “chapuceros” que Doshi recurrió a la litografía con haz de electrones para un patrón preciso del polímero.
Los investigadores también aprovecharon el comportamiento de hinchamiento del polímero para el control dinámico del color. Colocaron finas capas metálicas a ambos lados del polímero de modo que, al hincharse y adoptar su topografía programada, la distancia entre estas dos capas similares a espejos variara. Dependiendo del espaciamiento, los espejos reflejarían diferentes longitudes de onda de luz, produciendo patrones de color específicos en la película. Una vez que se aplica agua al polímero, el 90% del cambio de color se produce en menos de 10 segundos.
Los colores pueden afinarse aún más aplicando una mezcla específica de alcohol y agua al polímero, accediendo a las combinaciones de colores intermedias codificadas entre los estados completamente hinchado y desinflado del polímero.
“En realidad, podemos cubrir un rango decente de colores”, dijo Doshi. “Pero obtener un tono de verde realmente preciso y luego conseguir una cierta oscuridad o brillo, intensidad o saturación del color, sigue siendo bastante difícil con nuestro sistema.”
El control simultáneo e independiente del color y la textura puede lograrse entonces mediante un dispositivo bicapa, donde un lado de un trozo de vidrio o plástico contiene una película polimérica para el control de la textura y el otro lado una película para el control del color. El dispositivo puede exhibir tanto color como textura, solo textura, solo color o ninguno.
Ahora que ha desarrollado la piel física, Doshi se centra en averiguar cómo controlarla mejor.
“La sepia, por ejemplo, es capaz de lograr todo este buen camuflaje y crear estas apariencias complejas no solo por su piel, sino también porque tiene un cerebro y un sistema nervioso muy interesantes”, dijo Doshi.
Cada célula de la piel de una sepia está controlada por una neurona, y replicar sintéticamente patrones similares a los de las sepias requeriría un control preciso de miles de píxeles, según Melosh. Para abordar este desafío, los investigadores están explorando actualmente interfaces neuronales “naturalistas” para controlar píxeles individuales sin necesidad de miles de cables.
Según Melosh, la película polimérica también tiene potencial en pantallas para dispositivos portátiles, por ejemplo, pequeños parches cutáneos flexibles que pueden medir el pulso o los niveles de oxígeno en sangre. La flexibilidad y la estabilidad del material en el agua también podrían hacerlo adecuado para su uso en pequeñas lentes insertadas en venas o intestinos para la detección de enfermedades.
“Una de las cosas divertidas de llevar a cabo este tipo de proyectos es simplemente ver la diversidad y las soluciones ingeniosas que la naturaleza ha ideado y luego ser capaces de intentar replicar algunas de ellas”, dijo Melosh. “Y luego veremos a dónde nos lleva todo esto.”
