پژوهشگران دانشگاه Penn State از توسعه پوست مصنوعی هوشمند با الهام از اختاپوس خبر دادند که میتواند شکل خود را تغییر دهد و اطلاعات پنهان را تنها در شرایط خاص آشکار کند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این دستاورد جدید، محدودیت رایج مواد مصنوعی سنتی را هدف قرار داده است. بیشتر مواد مهندسیشده در صنایع مختلف از تولید صنعتی تا تجهیزات پزشکی، معمولاً تنها یک یا دو عملکرد مشخص دارند. تیم تحقیقاتی به سرپرستی هونگتائو سان، استادیار مهندسی صنعتی و تولید، روشی نوین برای ساخت مادهای چندمنظوره ارائه کرده است که میتواند به صورت همزمان چند قابلیت را در یک بستر واحد ترکیب کند.
این ماده جدید، علاوه بر تغییر شکل فیزیکی، امکان رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات، استتار تطبیقی و پشتیبانی از سامانههای رباتیک نرم را فراهم میکند. به گفته پژوهشگران، هدف اصلی این پروژه ایجاد بستری بوده است که بتواند رفتارهای پیچیده را در یک ماده نرم و یکنواخت پیادهسازی کند.
پایه اصلی این فناوری، هیدروژل است؛ مادهای نرم و سرشار از آب که در سالهای اخیر در کاربردهای زیستپزشکی و مهندسی بافت مورد توجه قرار گرفته است. تفاوت این هیدروژل با نمونههای پیشین در قابلیت برنامهپذیری آن نهفته است. این پوست مصنوعی هوشمند مبتنی بر هیدروژل میتواند ظاهر نوری، رفتار مکانیکی، بافت سطحی و حتی فرم کلی خود را در پاسخ به محرکهایی مانند گرما، حلالها یا تنش مکانیکی تغییر دهد.
مطلب مرتبط: پرورش پوست مصنوعی انسان با رگ های خونی و رنگدانه در آزمایشگاه
هونگتائو سان اعلام کرد که ایده اولیه این پروژه از مشاهده رفتار سرپاورانی مانند اختاپوس شکل گرفته است. این جانوران دریایی میتوانند رنگ و بافت پوست خود را به سرعت تغییر دهند تا از دید شکارچیان پنهان شوند یا پیامهای ارتباطی ارسال کنند.
به گفته سان، اختاپوسها با استفاده از شبکه پیچیدهای از عضلات و اعصاب، کنترل پویا بر ظاهر و بافت پوست خود اعمال میکنند. تیم تحقیقاتی تلاش کرده است این اصل زیستی را در قالب یک سامانه مهندسی بازآفرینی کند. نتیجه این تلاش، توسعه سامانهای موسوم به چاپ چهاربعدی بوده است.
چاپ چهاربعدی در واقع توسعهای از چاپ سهبعدی محسوب میشود. در این روش، ساختار سهبعدی تولیدشده به گونهای طراحی میشود که در گذر زمان و در واکنش به تغییرات محیطی، رفتار خود را تغییر دهد. به بیان دیگر، بعد چهارم در این فناوری، زمان و پاسخ فعال به محرکهای بیرونی است.
پژوهشگران برای پیادهسازی این ایده، از تکنیکی موسوم به چاپ هافتون کدگذاریشده استفاده کردهاند. در این روش، اطلاعات تصویری یا بافتی به دادههای دودویی صفر و یک تبدیل میگردند و این دادهها به صورت مستقیم درون ساختار ماده تعبیه میشوند. الگوی ایجادشده شباهتی به ساختار نقطهای تصاویر چاپی در روزنامهها دارد، اما در اینجا نقش آن، برنامهریزی رفتار ماده است.
در عمل، بخشهای مختلف ورقه هیدروژل به گونهای طراحی میشوند که هر ناحیه، واکنش متفاوتی به محرکهای محیطی نشان دهد. برای مثال، برخی قسمتها ممکن است در برابر گرما بیشتر منبسط شوند و برخی دیگر کمتر نرم شوند. ترکیب دقیق این الگوهای دیجیتال، رفتار کلی ماده را تعیین میکند.
بخوانید: رشد مو بر پوست مصنوعی با استفاده از چاپ سهبعدی
سان در توضیح ساده این فرایند گفته است که پژوهشگران در واقع دستورالعملها را درون ماده چاپ میکنند و این دستورالعملها مشخص میکنند که پوست مصنوعی هوشمند در مواجهه با تغییرات محیطی چگونه واکنش نشان دهد.
یکی از نمایشهای چشمگیر این فناوری، قابلیت پنهانسازی و آشکارسازی تصاویر بوده است. هائوکینگ یانگ، دانشجوی دکتری و نویسنده نخست مقاله، این ویژگی را نمونهای شاخص از انعطافپذیری سامانه معرفی کرده است.
پژوهشگران برای نمایش عملی این قابلیت، تصویر مونالیزا را درون یک فیلم هیدروژل رمزگذاری کردند. این فیلم پس از شستوشو با اتانول، کاملاً شفاف به نظر میرسید و هیچ نشانهای از تصویر در آن دیده نمیشد، اما زمانی که نمونه در آب یخ قرار گرفت یا به تدریج گرم شد، تصویر پنهان به آرامی ظاهر شد.
بخوانید: پوست مصنوعی سه بعدی ساخته شد
به گفته یانگ، انتخاب مونالیزا صرفاً برای نمایش بوده است و این فناوری میتواند تقریباً هر تصویر یا الگوی اطلاعاتی را در خود جای دهد. این ویژگی میتواند در حوزههایی مانند استتار تطبیقی یا سامانههای رمزگذاری پیشرفته کاربرد داشته باشد؛ جایی که پیامها تنها در شرایط خاص قابل مشاهده خواهند بود.
علاوه بر نمایش بصری، تیم تحقیقاتی نشان داد که میتوان اطلاعات پنهان را از طریق تحلیل تغییر شکل مکانیکی نیز آشکار کرد. با کشش ملایم ماده و استفاده از روش تحلیل همبستگی تصویر دیجیتال، الگوهای نهفته قابل شناسایی بودند. این قابلیت، لایه امنیتی مضاعفی را فراهم میکند و امکان دسترسی به اطلاعات را به شرایط چندگانه وابسته میسازد.
بخوانید: پوست مصنوعی با قابلیت حسی باورنکردنی ساخته شد
یکی دیگر از جنبههای برجسته این دستاورد، توانایی تغییر شکل پیچیده در یک لایه یکنواخت است. بسیاری از مواد تغییرشکلپذیر نیازمند لایهگذاری چندگانه یا ترکیب مواد متفاوت هستند. در این فناوری، تنها یک ورقه هیدروژل با الگوی دیجیتال چاپشده، هم بافت سطحی و هم فرم کلی را کنترل میکند.
پژوهشگران نشان دادند که ورقههای تخت میتوانند به ساختارهای سهبعدی گنبدی یا اشکال زیستی پیچیده تبدیل شوند. در برخی آزمایشها، تصویر رمزگذاریشده همزمان با تغییر شکل و خم شدن ماده ظاهر میشد. این موضوع نشان میدهد که نمایش بصری و تغییر فرم میتواند به صورت همزمان و هماهنگ برنامهریزی شود.
سان این ویژگی را مشابه هماهنگی میان شکل بدن و الگوی پوست در سرپاوران توصیف کرده است؛ جایی که یک سامانه زیستی واحد، چند عملکرد را همزمان مدیریت میکند.
این پژوهش بر پایه مطالعات پیشین تیم در زمینه هیدروژلهای هوشمند چاپ چهاربعدی بنا شده است. در پروژههای قبلی، تمرکز بر طراحی گذار برنامهپذیر از صفحات تخت به ساختارهای سهبعدی بوده است. در پژوهش جدید، قابلیتهای اضافی مانند رمزگذاری اطلاعات و کنترل بافت سطحی نیز به همان بستر یکپارچه اضافه شده است.
تیم تحقیقاتی اعلام کرده است که در گام بعدی، قصد دارد پلتفرمی مقیاسپذیر توسعه دهد که امکان کدگذاری دقیق دیجیتال چندین عملکرد را در یک ماده تطبیقی فراهم کند. به باور پژوهشگران، این دستاورد میتواند در حوزههایی مانند سامانههای پاسخگو به محرک، مهندسی زیستالهام، فناوریهای رمزگذاری پیشرفته، تجهیزات زیستپزشکی و رباتیک نرم، کاربردهای گستردهای پیدا کند.
اگر این فناوری به مرحله تجاریسازی برسد، میتواند نسل تازهای از مواد هوشمند را معرفی کند که نهتنها شکل خود را تغییر میدهند، بلکه اطلاعات را در خود پنهان و در زمان مناسب آشکار میکنند، که گامی مهم در مسیر همگرایی مواد پیشرفته، تولید دیجیتال و الهامگیری از طبیعت به حساب میآید.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.
