ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Penn State พัฒนาวัสดุ “ผิวสังเคราะห์อัจฉริยะ” แบบใหม่ที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปลักษณ์ พื้นผิวและรูปทรงได้ตามสภาพแวดล้อม พร้อมความสามารถในการซ่อนและเปิดเผยข้อมูลตามต้องการ นับเป็นก้าวสำคัญของวัสดุอเนกประสงค์ในอนาคต
ผลงานวิจัยเป็นการพัฒนาเทคนิคการผลิตแบบ “4D printing” ที่ทำให้วัตถุไม่หยุดนิ่งเหมือนงานพิมพ์ 3 มิติทั่วไป แต่สามารถเปลี่ยนแปลงตัวเองเมื่อได้รับสิ่งกระตุ้น เช่น ความร้อน ตัวทำละลาย หรือแรงกดทางกายภาพ ส่วนวัสดุหลักที่ใช้คือไฮโดรเจล ซึ่งเป็นพอลิเมอร์อ่อนนุ่มและอุ้มน้ำได้สูง แตกต่างจากวัสดุสังเคราะห์ทั่วไปที่มีคุณสมบัติคงที่ผิวอัจฉริยะชนิดนี้สามารถปรับเปลี่ยนสี ลวดลาย ความแข็งนุ่ม และแม้แต่รูปร่างได้ โดยทั้งหมดถูกกำหนดผ่าน “คำสั่งดิจิทัล” ที่ฝังไว้ในเนื้อวัสดุระหว่างกระบวนการพิมพ์
แรงบันดาลใจสำคัญมาจากปลาหมึกสายและสัตว์กลุ่มเซฟาโลพอด ซึ่งสามารถเปลี่ยนสีและพื้นผิวผิวหนังได้อย่างรวดเร็วเพื่อพรางตัวหรือสื่อสารกัน ทีมวิจัยจึงออกแบบระบบพิมพ์ 4 มิติที่เลียนแบบกลไกดังกล่าวในวัสดุสังเคราะห์อ่อนนุ่มเพียงแผ่นเดียว โดยไม่ต้องซ้อนหลายชั้น
หัวใจของเทคนิคนี้คือการพิมพ์แบบ halftone-encoded ซึ่งแปลงข้อมูลภาพหรือพื้นผิวให้เป็นรหัสศูนย์และหนึ่ง แล้วฝังลงในไฮโดรเจลโดยตรง คล้ายการจัดวางจุดในภาพหนังสือพิมพ์เพื่อสร้างภาพ เมื่อวัสดุได้รับสิ่งกระตุ้น บริเวณต่าง ๆ ที่ถูกเข้ารหัสจะแสดงพฤติกรรมแตกต่างกัน เช่น บางส่วนบวม บางส่วนหดตัว ส่งผลให้ทั้งแผ่นเปลี่ยนรูปหรือปรากฏลวดลายตามที่ออกแบบไว้
ในการสาธิต ทีมงานได้เข้ารหัสภาพ “โมนาลิซา” ลงในฟิล์มไฮโดรเจล เมื่อชะล้างด้วยเอทานอล แผ่นฟิล์มจะดูโปร่งใสและไม่เห็นภาพใดๆ แต่เมื่อแช่ในน้ำเย็นจัดหรือให้ความร้อนอย่างค่อยเป็นค่อยไป ภาพจะค่อยๆ ปรากฏขึ้นแสดงศักยภาพของการพรางตัวและการเข้ารหัสข้อมูลที่เปิดเผยได้เฉพาะเงื่อนไขที่กำหนด
นอกจากนี้ ลวดลายที่ซ่อนไว้ยังสามารถตรวจจับผ่านการยืดวัสดุเบาๆ และวิเคราะห์การเสียรูปด้วยเทคนิคดิจิทัล เพิ่มระดับความปลอดภัยในการปกปิดข้อมูล เพราะไม่จำเป็นต้องมองเห็นด้วยตาเปล่าเท่านั้น จุดเด่นอีกประการคือความสามารถในการเปลี่ยนจากแผ่นเรียบเป็นโครงสร้าง 3 มิติรูปโดมพร้อมพื้นผิวละเอียด โดยอาศัยการออกแบบลวดลาย halftone เพียงอย่างเดียว ไม่ต้องใช้วัสดุหลายชนิด เมื่อแผ่นโค้งงอ ภาพที่ซ่อนอยู่จะค่อยๆ ปรากฏสะท้อนการควบคุมรูปลักษณ์และรูปทรงพร้อมกันในวัสดุชิ้นเดียว
นักวิจัยระบุว่า แนวทางใหม่นี้ต่อยอดจากงาน 4D-printed hydrogel ก่อนหน้า และมุ่งพัฒนาแพลตฟอร์มที่สามารถเข้ารหัสฟังก์ชันหลากหลายลงในวัสดุเดียวอย่างแม่นยำในระดับดิจิทัล เทคโนโลยีดังกล่าวมีศักยภาพประยุกต์ใช้ในระบบตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้น วิศวกรรมเลียนแบบชีวภาพ หุ่นยนต์อ่อนนุ่ม เทคโนโลยีการเข้ารหัสขั้นสูง ตลอดจนอุปกรณ์ชีวการแพทย์ในอนาคต ซึ่งอาจเปลี่ยนโฉมวัสดุสังเคราะห์จากสิ่งที่ทำหน้าที่จำกัด ไปสู่ “ผิวอัจฉริยะ” ที่คิดและตอบสนองได้ราวกับสิ่งมีชีวิต
