نجح باحثون في جامعة ولاية بنسلفانيا (Penn State) في ابتكار طريقة تصنيع جديدة لجلد صناعي “ذكي” قابل للبرمجة، يستطيع تغيير مظهره وملمسه وشكله، إضافة إلى إخفاء المعلومات أو كشفها عند الطلب.

ويعتمد هذا الابتكار على مادة الهيدروجيل الغنية بالماء، والتي تم إنتاجها باستخدام تقنية تُعرف باسم الطباعة رباعية الأبعاد (4D Printing).

مادة تستجيب للبيئة بشكل ديناميكي

على عكس المواد الصناعية التقليدية ذات الخصائص الثابتة، يمكن لهذا الجلد الذكي التفاعل مع المؤثرات الخارجية مثل:

الحرارة

السوائل والمذيبات

الضغط أو الإجهاد الميكانيكي

ويسمح ذلك لطبقة واحدة من المادة بأداء وظائف متعددة في الوقت نفسه، مثل التمويه التكيفي، وتشفير وفك تشفير المعلومات، وتغيير الشكل.

ويؤكد الباحثون أن تحقيق هذا المستوى من تعدد الوظائف كان يمثل تحديا كبيرا في المواد الصناعية السابقة، التي غالبا ما تُصمم لغرض واحد فقط.

مستوحى من قدرات الأخطبوط

استُلهمت فكرة هذا الابتكار من الرخويات الرأسية مثل الأخطبوط، التي تستطيع تغيير لون جلدها وملمسه بسرعة للاندماج مع البيئة أو للتواصل.

وسعى الفريق إلى محاكاة هذا التحكم الديناميكي داخل مادة صناعية ناعمة باستخدام التصميم الرقمي بدلا من الأنظمة البيولوجية المعقدة.

طباعة التعليمات داخل المادة

يعتمد الابتكار على تقنية تسمى الطباعة المشفّرة بنمط “الهالف تون”، حيث يتم تحويل الصور أو القوام الرقمية إلى أنماط ثنائية تُطبع مباشرة داخل الهيدروجيل.

وتعمل هذه الأنماط كتعليمات مدمجة تحدد كيفية استجابة كل جزء من المادة عند حدوث تغيّر في البيئة.

وقال هونغتاو سون، الأستاذ المساعد في هندسة التصنيع والمحقق الرئيسي للمشروع:

“ببساطة، نحن نطبع التعليمات داخل المادة، وهذه التعليمات تخبر الجلد كيف يتفاعل عندما يتغير شيء من حوله.”

وعند التعرض لمؤثرات مثل تغير درجة الحرارة أو السوائل، تتمدد مناطق مختلفة من الهيدروجيل أو تلين أو تتشوه بطريقة يمكن التحكم بها بدقة.

تجربة “الموناليزا” لإخفاء الصور

في عرض لافت، نجح الباحثون في تشفير صورة الموناليزا داخل الجلد الذكي.

عند غسل المادة بالإيثانول أصبحت شفافة واختفت الصورة.

وعند وضعها في ماء مثلج أو تسخينها تدريجيا، ظهرت الصورة مجددا.

وأوضح الباحث هاوتشينغ يانغ أن هذا السلوك يمكن استخدامه في التمويه أو في تشفير الرسائل التي لا تظهر إلا في ظروف محددة.

كشف المعلومات عبر التشوه الميكانيكي

لا تقتصر قدرات الجلد على التغير البصري، إذ يمكنه أيضا إظهار معلومات مخفية من خلال التشوه الميكانيكي. فعند شدّ المادة برفق وتحليل طريقة تشوهها باستخدام تقنيات تصوير رقمية، يمكن اكتشاف الأنماط المشفرة.

وأظهر الهيدروجيل مرونة عالية، حيث تحوّل من صفائح مسطحة إلى أشكال ثلاثية الأبعاد مستوحاة من الطبيعة دون الحاجة إلى طبقات متعددة أو مواد مختلفة.

وفي تجربة أخرى، ظهرت الصور المخفية تدريجيا عندما تحولت الأغشية المسطحة إلى هياكل قُبّبية.

تطبيقات مستقبلية واسعة

يشير الباحثون إلى أن هذه التقنية قد تمهد الطريق لتطوير منصات قابلة للتوسع لمواد متكيفة يمكن استخدامها في:

الروبوتات اللينة

الاتصالات الآمنة

الأجهزة الطبية الحيوية

التصنيع المتقدم

وأكد سون أن الجلد الصناعي، على غرار الأخطبوط، يستطيع التحكم في مظهره وطريقة تشوهه في آن واحد داخل مادة ناعمة واحدة، ما يمثل خطوة مهمة نحو الجيل القادم من المواد الذكية.