UNIVERSITY PARK, Pa. — A pesar de la prevalencia de materiales sintéticos en diversas industrias y campos científicos, la mayoría están diseñados para cumplir funciones limitadas. Para abordar esta inflexibilidad, investigadores de Penn State, liderados por Hongtao Sun, profesor asistente de ingeniería industrial y de manufactura (IME), han desarrollado un método de fabricación capaz de imprimir “piel sintética inteligente” multifuncional: materiales configurables que pueden utilizarse para cifrar o descifrar información, permitir el camuflaje adaptativo, alimentar la robótica blanda y mucho más.
Utilizando su novedoso enfoque, el equipo creó una piel inteligente programable a partir de hidrogel, un material rico en agua y con una consistencia gelatinosa. En comparación con los materiales sintéticos tradicionales con propiedades fijas, esta piel inteligente permite una mayor multifuncionalidad, permitiendo a los investigadores ajustar el control dinámico del gel sobre la apariencia óptica, la respuesta mecánica, la textura de la superficie y la modificación de la forma cuando se expone a estímulos externos como el calor, los disolventes o el estrés mecánico.
Los detalles de este trabajo se publicaron en un artículo en Nature Communications, y también fue destacado en Editors’ Highlights.
Según Sun, investigador principal del proyecto, la idea del material surgió de la biología natural de los cefalópodos, como el pulpo, que pueden controlar la apariencia de su piel para camuflarse de los depredadores o comunicarse entre sí.
“Los cefalópodos utilizan un complejo sistema de músculos y nervios para ejercer un control dinámico sobre la apariencia y la textura de su piel”, explicó Sun. “Inspirados por estos organismos blandos, desarrollamos un sistema de impresión 4D para capturar esta idea en un material sintético y blando”.
Sun, quien también tiene afiliaciones en ingeniería biomédica, ciencia e ingeniería de materiales y el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State, describió el método del equipo como impresión 4D porque produce objetos tridimensionales que pueden ajustarse reactivamente en función de los cambios en el entorno. El equipo utilizó una técnica conocida como impresión con codificación de semitono, que traduce datos de imagen o textura en una superficie en forma de unos y ceros binarios, para codificar información digital directamente en el material, de forma similar a los patrones de puntos utilizados en periódicos o fotografías. Esta técnica permite al equipo programar esencialmente su piel inteligente para que cambie de apariencia o textura al exponerse a estímulos.
Estos patrones controlan cómo diferentes regiones del material responden a su entorno, con algunas áreas que se hinchan o se ablandan más que otras cuando se exponen a cambios de temperatura, líquidos o fuerzas mecánicas. Al diseñar cuidadosamente los patrones, el equipo puede decidir cómo se comporta el material en general.
“En términos sencillos, estamos imprimiendo instrucciones en el material”, explicó Sun. “Esas instrucciones le indican a la piel cómo reaccionar cuando algo cambia a su alrededor”.
Según Haoqing Yang, candidato a doctorado en IME y primer autor del artículo, una de las demostraciones más impactantes de la piel inteligente es su capacidad para ocultar y revelar información. Para mostrar esta característica, el equipo codificó una foto de la Mona Lisa en la piel inteligente. Cuando la película se lavó con etanol, apareció transparente, sin mostrar ninguna imagen visible. Sin embargo, la Mona Lisa se hizo completamente visible después de sumergirla en agua helada o durante un calentamiento gradual.
Aunque la Mona Lisa se utilizó como demostración, Yang explicó que el método de impresión del equipo permite codificar cualquier imagen deseada en el hidrogel.
“Este comportamiento podría utilizarse para el camuflaje, donde una superficie se mezcla con su entorno, o para el cifrado de información, donde los mensajes se ocultan y solo se revelan en condiciones específicas”, dijo Yang.
El equipo también demostró que los patrones ocultos pueden descubrirse estirando suavemente el material y midiendo su deformación mediante análisis de correlación de imágenes digitales. Esto significa que la información puede revelarse no solo a la vista, sino también a través de la deformación mecánica, lo que añade una capa adicional de seguridad.
El material demostró ser altamente maleable: la piel inteligente podía transformarse fácilmente de una lámina plana a formas no tradicionales e inspiradas en la biología con texturas complejas, según Sun. A diferencia de muchos otros materiales que cambian de forma, este efecto no requiere múltiples capas o diferentes materiales. Más bien, estas formas y superficies texturizadas, como las que se ven en la piel de los cefalópodos, pueden controlarse mediante el patrón de semitono impreso digitalmente dentro de una sola lámina.
Basándose en estas capacidades de cambio de forma, los investigadores demostraron que la piel inteligente puede combinar múltiples funciones simultáneamente. Al codiseñar cuidadosamente los patrones de semitono, el equipo pudo codificar la imagen de la Mona Lisa directamente en láminas planas que luego emergieron a medida que el material se transformaba en formas tridimensionales. A medida que las láminas planas se curvaban en estructuras en forma de cúpula, la información de la imagen oculta se hacía gradualmente visible, lo que demuestra cómo los cambios en la forma y la apariencia pueden programarse juntos.
“De forma similar a como los cefalópodos coordinan la forma del cuerpo y el patrón de la piel, la piel sintética inteligente puede controlar simultáneamente su apariencia y su deformación, todo dentro de un solo material blando”, dijo Sun.
Según Sun, este trabajo se basa en esfuerzos anteriores para imprimir en 4D hidrogeles inteligentes, también publicado en Nature Communications. En ese estudio, el equipo se centró en el codiseño de las propiedades mecánicas y la transformación programable de la forma de 2D a 3D. En el presente trabajo, el equipo desarrolló un método de impresión 4D con codificación de semitono para codiseñar más funciones dentro de una sola película de hidrogel inteligente.
De cara al futuro, el equipo planea desarrollar una plataforma general y escalable que permita la codificación digital precisa de múltiples funciones en un único sistema de materiales adaptativos inteligentes.
“Esta investigación interdisciplinaria en la intersección de la fabricación avanzada, los materiales inteligentes y la mecánica abre nuevas oportunidades con amplias implicaciones para los sistemas sensibles a estímulos, la ingeniería biomimética, las tecnologías avanzadas de cifrado, los dispositivos biomédicos y más”, dijo Sun.
Otros coautores afiliados a Penn State incluyen a Haotian Li y Juchen Zhang, dos candidatos a doctorado en IME; y Tengxiao Liu, profesor en ingeniería biomédica. Además, H. Jerry Qi, profesor de ingeniería mecánica en el Georgia Institute of Technology, colaboró en este trabajo.
