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原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260206034836.htm
原文作者：Penn State
科学家创造出可隐藏图像并改变形状的智能合成皮肤
这种单一的软材料可以同时实现伪装、加密和形状变形。
合成材料广泛应用于科学、工程和工业领域，但大多数材料被设计为只执行有限范围的任务。宾夕法尼亚州立大学的一个研究团队旨在改变这一现状。在工业与制造工程（IME）助理教授Hongtao Sun的带领下，该小组开发了一种新的制造技术，可以生产出多功能的“智能合成皮肤”。这些可适应的材料可以被编程来执行各种任务，包括隐藏或显示信息、实现自适应伪装以及支持软机器人系统。
使用这种新方法，研究人员制造出一种由水凝胶（一种柔软、富含水的材料）制成的可编程智能皮肤。与具有固定行为的传统合成材料不同，这种智能皮肤可以被调谐以多种方式响应。当材料暴露于热量、溶剂或物理应力等外部触发因素时，其外观、机械性能、表面纹理和形状变化能力都可以进行调整。
研究结果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，该研究还被选为“编辑精选”（Editors' Highlights）。
Inspired by Octopus Skin and Living Systems
项目首席研究员Sun表示，该概念的灵感来源于章鱼等头足类动物，它们能够快速改变皮肤的外观和纹理。这些动物利用这种变化来融入周围环境或相互交流。
“头足类动物使用复杂的肌肉和神经系统来动态控制其皮肤的外观和纹理，”Sun说。“受这些柔软生物的启发，我们开发了一个4D打印系统，将这一理念捕捉到合成的、柔软的材料中。”
Sun在宾夕法尼亚州立大学的生物医学工程、材料科学与工程以及材料研究所也任职。他将该过程描述为4D打印，因为打印出的物体不是静态的。相反，它们可以根据环境条件主动变化。
Printing Digital Instructions Into Material
为了实现这种适应性，研究团队采用了一种称为半色调编码印刷（halftone-encoded printing）的方法。该技术将图像或纹理数据转换为二进制的“1”和“0”，并将该信息直接嵌入材料中。这种方法类似于报纸或照片中用来创建图像的点阵图案。
通过将这些数字模式编码到水凝胶中，研究人员可以编程智能皮肤对不同刺激的反应方式。印刷的图案决定了材料的不同区域如何响应。暴露于温度变化、液体或机械力时，材料的不同区域可能会以不同的程度膨胀、收缩或软化。通过仔细设计这些图案，团队可以控制材料的整体行为。
“简单来说，我们是将指令打印到材料中，”Sun解释道。“这些指令告诉皮肤在周围环境发生变化时该如何反应。”
Hiding and Revealing Images on Demand
最引人注目的演示之一是材料隐藏和显示视觉信息的能力。IME的博士生、该论文的第一作者Haoqing Yang表示，这一能力凸显了智能皮肤的潜力。
为了演示这种效果，研究团队将《蒙娜丽莎》的图像编码到水凝胶薄膜中。当材料用乙醇清洗时，它变得透明，没有显示出可见的图像。只有当薄膜浸入冰水中或逐渐加热时，隐藏的图像才会清晰显示。
Yang指出，《蒙娜丽莎》仅用作示例。该印刷技术几乎可以将任何图像编码到水凝胶中。
“这种行为可用于伪装，使表面融入其环境，或用于信息加密，在特定条件下隐藏信息，”Yang说。
研究人员还表明，可以通过轻轻拉伸材料并使用数字图像相关分析来检测隐藏的图案如何变形。这意味着信息不仅可以通过视觉揭示，还可以通过机械相互作用揭示，从而增加了额外的安全层。
Shape Shifting Without Multiple Layers
这种智能皮肤还表现出卓越的灵活性。据Sun介绍，该材料可以轻松地从一张平坦的薄片转变为具有复杂、仿生形状和精细表面纹理的物体。与其他许多形状变化材料不同，这种转变不需要多层或不同的物质。
相反，形状和纹理的变化完全由单层材料中数字印刷的半色调图案控制。这使得材料能够复制在头足类动物皮肤中看到的类似效果。
在此能力的基础上，研究团队展示了多种功能可以协同编程工作。通过仔细设计半色调图案，他们将《蒙娜丽莎》的图像编码到平坦的薄膜中，这些薄膜随后变成了三维形状。当薄膜弯曲成圆顶状时，隐藏的图像也慢慢出现，表明形状和视觉外观的变化可以在同一种材料内协调进行。
“就像头足类动物协调身体形状和皮肤图案一样，合成智能皮肤可以在一个单一的、柔软的材料内，同时控制其外观和变形方式，”Sun总结道。
Expanding the Potential of 4D-Printed Hydrogels
Sun表示，这项新研究建立在团队早期关于4D打印智能水凝胶研究的基础上，该研究也发表在《自然-通讯》上。那项早期研究侧重于将机械特性与从平面到三维形式的可编程转变相结合。在当前的研究中，研究团队通过使用半色调编码的4D打印技术，将更多功能集成到一个水凝胶薄膜中，从而扩展了该方法。
展望未来，研究人员旨在创建一个可扩展且通用的平台，允许在一种自适应材料中精确地数字编码多种功能。
“这项跨学科研究横跨先进制造、智能材料和力学领域，为刺激响应系统、仿生工程、先进加密技术、生物医学设备等开辟了新的机遇，具有广泛的意义，”Sun说。
该研究的合作者还包括宾夕法尼亚州立大学的博士生Haotian Li和Juchen Zhang，以及生物医学工程讲师Tengxiao Liu。佐治亚理工学院机械工程教授H. Jerry Qi也参与了该项目。
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