عادة ما تستخدم المواد الاصطناعية في كل مكان تقريبًا، من التصنيع إلى الطب، ومع ذلك، فإن معظمها مصمم لأداء وظيفة أو وظيفتين محددتين فقط. يعمل فريق في جامعة ولاية بنسلفانيا على تغيير ذلك، بعدما طور الباحثون طريقة تصنيع جديدة لصنع جلد ذكي متعدد الوظائف.
ما الجلد الذكي؟
يمكن لهذا النوع الجديد من الجلد تهيئة هذه المواد القابلة للتكيف لتشفير المعلومات أو فك تشفيرها، وتمكين التمويه التكيفي، ودعم الروبوتات المرنة، وغير ذلك.
حيث إنه باستخدام هذا النهج، ابتكر الفريق جلدًا ذكيًا قابلًا للبرمجة مصنوعًا من الهيدروجيل، وهي مادة ناعمة غنية بالماء.
على عكس المواد التقليدية ذات الخصائص الثابتة، يمكن تعديل هذا الجلد المصنوع من الهيدروجيل لأداء وظائف متعددة.
إذ يمكن أن يتغير مظهره البصري، وسلوكه الميكانيكي، وملمس سطحه، وقدرته على التحول إلى أشكال جديدة، عند تعرضه للحرارة أو المذيبات أو الإجهاد الميكانيكي.
في الوقت نفسه فإن الفكرة نشأت من مراقبة رأسيات الأرجل مثل الأخطبوط. تستطيع هذه الحيوانات تغيير لون وملمس جلدها بسرعة للاختباء من المفترسات أو للتواصل.
الطباعة رباعية الأبعاد
فيما تستخدم رأسيات الأرجل نظامًا معقدًا من العضلات والأعصاب لإظهار تحكم ديناميكي في مظهر وملمس جلدها. واستلهامًا من هذه الكائنات الرخوة، قام الباحثون بتطوير نظام طباعة رباعي الأبعاد لتجسيد هذه الفكرة في مادة اصطناعية ناعمة.
كما يرتبط صن بتخصصات في الهندسة الطبية الحيوية، وعلوم المواد، والهندسة، ومعهد أبحاث المواد في جامعة ولاية بنسلفانيا. وقد وصف هذه التقنية بأنها طباعة رباعية الأبعاد لأن الهياكل ثلاثية الأبعاد الناتجة مصممة للاستجابة بفعالية للتغيرات البيئية.
من جل تحقيق ذلك، استخدم الباحثون الطباعة المشفرة بتقنية نصف اللون. تحوّل هذه الطريقة معلومات الصورة أو النسيج إلى بيانات ثنائية “أصفار وواحدات”.
بينما تدمج هذه البيانات مباشرةً في المادة، على غرار أنماط النقاط الموجودة في الصور الفوتوغرافية أو الصحف المطبوعة.
ومن خلال دمج هذه الأنماط في الهيدروجيل، يبرمج الفريق بفعالية كيفية استجابة الجلد الذكي لمختلف المؤثرات الخارجية.
علاوة على أنه قد صُممت أجزاء مختلفة من المادة لتتفاعل بطرق محددة. قد تتمدد بعض المناطق بشكل أقل أو تلين أكثر من غيرها عند تغير درجات الحرارة. أو إضافة سوائل، أو تطبيق قوى فيزيائية. ومن خلال ترتيب هذه الأنماط الرقمية بعناية، يتحكم الباحثون في السلوك العام للورقة.
لوحة الموناليزا
في حين إنه لتوضيح الفكرة، قام الباحثون بتشفير لوحة الموناليزا في غشاء الهيدروجيل. بعد غسل الغشاء بالإيثانول، بدا شفافًا تمامًا، دون أي صورة مرئية. ولم تظهر الصورة المخفية بوضوح إلا بعد غمره في الماء المثلج أو أثناء تسخينه تدريجيًا.
و أكد فريق البحث أن لوحة الموناليزا كانت مجرد عرض توضيحي. ويمكن استخدام نفس استراتيجية الطباعة لدمج أي صورة تقريبًا في الهيدروجيل.
علاوة على أنه يمكن استخدام هذا السلوك للتمويه، حيث يندمج السطح مع بيئته، أو لتشفير المعلومات، حيث يتم إخفاء الرسائل ولا يتم الكشف عنها إلا في ظل ظروف محددة”.
أظهر الفريق أيضاً إمكانية الكشف عن الأنماط المخفية من خلال شدّ المادة برفق وتحليل كيفية تشوهها باستخدام تحليل ارتباط الصور الرقمية.
بعبارة أخرى، يمكن الكشف عن المعلومات ليس فقط بصرياً، بل أيضاً من خلال التفاعل الميكانيكي، مما يوفر طبقة إضافية من الأمان.
الطباعة الرقمية
إلى جانب التغييرات البصرية، أظهر الجلد الذكي مرونةً مذهلة. يمكن للمادة أن تتحول من صفيحة مسطحة إلى أشكال غير تقليدية مستوحاة من الطبيعة ذات ملمس دقيق.
على عكس العديد من المواد الأخرى القادرة على تغيير شكلها، لا يتطلب هذا التحول تكديس طبقات متعددة أو دمج مواد مختلفة.
بدلاً من ذلك، فإن نمط الطباعة الرقمية النصفية داخل ورقة واحدة يتحكم في كل من الملمس والشكل، مما يسمح للسطح بمحاكاة السمات المعقدة الموجودة في جلد رأسيات الأرجل.
انطلاقاً من هذه القدرة، أظهر الباحثون أن المادة قادرة على أداء وظائف متعددة في آن واحد.
فمن خلال تصميم أنماط التظليل النصفية بشكل مشترك، قاموا بتشفير صورة الموناليزا في أغشية مسطحة ظهرت لاحقاً مع إعادة تشكيل المادة إلى أشكال ثلاثية الأبعاد.
ومع انحناء الصفائح لتكوين هياكل شبيهة بالقباب، بدأت الصورة المخفية بالظهور تدريجياً. مما يوضح كيف يمكن برمجة تغيير الشكل والعرض المرئي معاً.
وأخيرًا، يفتح هذا البحث متعدد التخصصات عند تقاطع التصنيع المتقدم والمواد الذكية والميكانيكا فرصًا جديدة ذات آثار واسعة النطاق على الأنظمة المستجيبة للمحفزات والهندسة الحيوية وتقنيات التشفير المتقدمة والأجهزة الطبية الحيوية وغير ذلك”.
المصدر: scitechdaily