Materiais sintéticos são amplamente utilizados nas áreas de ciência, engenharia e indústria, mas a maioria deles é projetada para desempenhar apenas um número limitado de tarefas. Uma equipe de pesquisa da Penn State se propôs a mudar essa situação. Liderados por Hongtao Sun, professor assistente de engenharia industrial e de manufatura (IME), o grupo desenvolveu uma nova técnica de fabricação que pode produzir uma “pele sintética inteligente” multifuncional. Esses materiais adaptáveis podem ser programados para realizar uma ampla variedade de tarefas, incluindo ocultar ou revelar informações, possibilitar camuflagem adaptativa e apoiar sistemas robóticos macios.
Utilizando essa nova abordagem, os pesquisadores criaram uma pele inteligente programável feita de hidrogel, um material macio e rico em água. Diferente dos materiais sintéticos convencionais, que possuem comportamentos fixos, esta pele inteligente pode ser ajustada para responder de várias maneiras. Sua aparência, comportamento mecânico, textura da superfície e capacidade de mudar de forma podem ser modificados quando o material é exposto a estímulos externos, como calor, solventes ou estresse físico.
Os resultados foram publicados na Nature Communications, onde o estudo também foi selecionado para os Destaques dos Editores.
Inspirados pela Pele de Polvos e Sistemas Vivos
Sun, o investigador principal do projeto, afirmou que o conceito foi inspirado em cefalópodes, como os polvos, que podem alterar rapidamente a aparência e a textura de sua pele. Esses animais usam tais mudanças para se camuflar no ambiente ou se comunicar uns com os outros.
“Cefalópodes utilizam um sistema complexo de músculos e nervos para exibir controle dinâmico sobre a aparência e a textura de sua pele,” disse Sun. “Inspirados por esses organismos macios, desenvolvemos um sistema de impressão 4D para capturar essa ideia em um material sintético e macio.”
Sun também tem afiliações em engenharia biomédica, ciência e engenharia de materiais, e no Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. Ele descreveu o processo como impressão 4D porque os objetos impressos não são estáticos. Em vez disso, eles podem mudar ativamente em resposta a condições ambientais.
Imprimindo Instruções Digitais no Material
Para alcançar essa adaptabilidade, a equipe utilizou um método chamado impressão em tons de meio. Essa técnica converte dados de imagem ou textura em binários, uns e zeros, e incorpora essas informações diretamente no material. A abordagem é semelhante à forma como padrões de pontos são usados em jornais ou fotografias para criar imagens.
Ao codificar esses padrões digitais dentro do hidrogel, os pesquisadores podem programar como a pele inteligente reage a diferentes estímulos. Os padrões impressos determinam como várias regiões do material respondem. Algumas áreas podem inchar, encolher 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.
“Em termos simples, estamos imprimindo instruções no material,” explicou Sun. “Essas instruções dizem à pele como reagir quando algo muda ao seu redor.”
Ocultando e Revelando Imagens sob Demanda
Uma das demonstrações mais impressionantes envolveu a capacidade do material de ocultar e revelar informações visuais. Haoqing Yang, um doutorando em IME e primeiro autor do artigo, disse que essa capacidade destaca o potencial da pele inteligente.
Para demonstrar o efeito, a equipe codificou uma imagem da Mona Lisa no filme de hidrogel. Quando o material foi lavado com etanol, ele parecia transparente e não apresentava imagem visível. A imagem oculta tornou-se clara somente após o filme ser colocado em água gelada ou gradualmente aquecido.
Yang observou que a Mona Lisa foi utilizada apenas como um exemplo. A técnica de impressão permite que virtualmente qualquer imagem seja codificada no hidrogel.
“Esse comportamento poderia ser usado para camuflagem, onde uma superfície se mistura ao ambiente, ou para criptografia de informações, onde mensagens ficam ocultas e são reveladas apenas sob condições específicas,” disse Yang.
Os pesquisadores também demonstraram que padrões ocultos poderiam ser detectados ao esticar gentilmente o material e analisar como ele se deforma usando análise de correlação de imagem digital. Isso significa que a informação pode ser revelada não apenas visualmente, mas também através da interação mecânica, adicionando um nível extra de segurança.
Mudança de Forma sem Múltiplas Camadas
A pele inteligente também demonstrou uma flexibilidade notável. Segundo Sun, o material pode mudar facilmente de uma folha plana para formas complexas inspiradas na biologia, com texturas de superfície detalhadas. Diferentemente de muitos outros materiais que mudam de forma, essa transformação não exige múltiplas camadas ou substâncias diferentes.
Em vez disso, as mudanças de forma e textura são controladas inteiramente pelos padrões digitais impressos em uma única folha. Isso permite que o material replique efeitos semelhantes aos observados na pele de cefalópodes.
Construindo sobre essa capacidade, a equipe mostrou que múltiplas funções podem ser programadas para trabalhar em conjunto. Ao projetar cuidadosamente os padrões em tons de meio, eles codificaram a imagem da Mona Lisa em filmes planos que se transformaram posteriormente em formas tridimensionais. À medida que as folhas se curvavam em formas dome-like, a imagem oculta aparecia lentamente, mostrando que mudanças na forma e na aparência visual podem ser coordenadas dentro de um único material.
“Semelhante a como os cefalópodes coordenam a forma do corpo e a padronização da pele, a pele sintética inteligente pode controlar simultaneamente como ela se parece e como se deforma, tudo dentro de um único material macio,” disse Sun.
Expansão do Potencial dos Hidrogéis Impressos em 4D
Sun disse que o novo trabalho se baseia em pesquisas anteriores da equipe sobre hidrogéis inteligentes impressos em 4D, que também foram publicados na Nature Communications. Esse estudo anterior focou na combinação de propriedades mecânicas com transições programáveis de formas planas para tridimensionais. Na pesquisa atual, a equipe ampliou a abordagem usando impressão 4D codificada em tons de meio para integrar ainda mais funções em um único filme de hidrogel.
Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem criar uma plataforma escalável e versátil que permita a codificação digital precisa de múltiplas funções dentro de um único material adaptativo.
“Essa pesquisa interdisciplinar na interseção de manufatura avançada, materiais inteligentes e mecânica abre novas oportunidades com amplas implicações para sistemas responsivos a estímulos, engenharia biomimética, tecnologias de criptografia avançadas, dispositivos biomédicos e muito mais,” disse Sun.
O estudo também contou com co-autores da Penn State Haotian Li e Juchen Zhang, ambos doutorandos em IME, e Tengxiao Liu, um docente em engenharia biomédica. H. Jerry Qi, professor de engenharia mecânica no Instituto de Tecnologia da Georgia, também colaborou no projeto.
