Восьминоги та каракатиці - майстри маскування. Багато видів здатні швидко змінювати як колір, так і текстуру своєї шкіри – здатність, яку вчені давно намагалися відтворити за допомогою синтетичних матеріалів. У статті, опублікованій в журналі Nature, дослідники зі Стенфорда зробили значний крок до цієї мети, розробивши новий гнучкий матеріал, здатний за лічені секунди приймати різні текстури та кольори, створюючи візерунки з роздільною здатністю тонше людського волосся.
«Текстура має вирішальне значення для нашого сприйняття об'єктів, як з погляду їхнього зовнішнього вигляду, так і тактильних відчуттів», — сказав Сіддхарт Доші, аспірант у галузі матеріалознавства та інженерії у Стенфорді та головний автор статті. "Ці тварини можуть фізично змінювати своє тіло в масштабі, близькому до мікрона, і тепер ми можемо динамічно контролювати топографію матеріалу - і пов'язані з нею візуальні властивості - у цьому масштабі".
Ця робота може призвести до більш ефективного динамічного маскування як для людей, так і для роботизованих систем, і потенційно допомогти у створенні гнучких дисплеїв для розумних технологій. Це також відкриває нові можливості в галузі нанофотоніки, яка використовує точне керування світлом та оптикою для розвитку електроніки, шифрування, біології та інших галузей.
«Просто немає іншої системи, яка могла б бути настільки м'якою та гнучкою, і в якій можна було б створювати візерунки на наномасштабі», — сказав Ніколас Мелош, професор матеріалознавства та інженерії та один із провідних авторів статті. «Можна уявити собі різні застосування».
Точні, оборотні візерунки
Для створення динамічних текстур у гнучкому матеріалі дослідники об'єднали метод формування візерунків, званий електронно-променевою літографією, який зазвичай використовується в передовому виробництві напівпровідників з полімерною плівкою, що набухає при поглинанні води. Спрямовуючи пучок електронів на плівку, вони змогли регулювати ступінь набухання певних ділянок матеріалу, створюючи детальні візерунки, які виявлялися лише при намоканні плівки.
Відкриття того, що електронний пучок може змінювати поглинальну здатність полімеру і створювати візерунки різних кольорів і текстур, спочатку стало несподіванкою. В одному з попередніх проєктів Доші використовував сканувальний електронний мікроскоп - прилад, що використовує сфокусований пучок електронів для створення зображення високої роздільної здатності, - для дослідження наноструктур, створених командою на полімерній плівці. Зазвичай такі зразки викидалися після отримання зображень, але Доші вирішив використати їх повторно, замість створення нових. У наступній серії тестів області плівки, які були досліджені за допомогою сканувального електронного мікроскопа, поводилися інакше і змінювали колір.
"Ми зрозуміли, що можемо використовувати ці електронні пучки для управління топографією в дуже малих масштабах", - сказав Доші. «Це безперечно було випадковим відкриттям».
Точність формування малюнка за допомогою електронного пучка настільки висока, що команда змогла створити нанорозмірну копію скельного утворення Ель-Капітан у національному парку Йосеміті. У сухому стані плівка ідеально плоска, але щойно додається вода, форма моноліту підіймається над поверхнею. Вони також створили дрібномасштабні текстури, які змінюють розсіювання світла залежно від кількості води, яка додається до плівки. Це дозволило дослідникам створити різні варіанти обробки поверхні, від глянсової до матової, що забезпечило більш реалістичний вигляд, ніж той, на який здатні сучасні дисплеї смартфонів або комп'ютерів. Усі плівки легко повертаються у плоский стан шляхом додавання спиртоподібного розчинника для видалення води.
Команда продемонструвала, що той же метод можна використовувати для створення і прояву складних кольорових візерунків, що перемикаються. Дослідники додали тонких металевих шарів з кожної сторони полімерної плівки з малюнком, щоб створити резонатори Фабрі-Перо, які ізолюють певні довжини хвиль світла залежно від відстані між металевими шарами. У міру набухання полімерних плівок до різної ширини вони демонструють безліч кольорів. При використанні того ж методу електронно-променевого формування малюнка та правильного поєднання води та розчинника одноколірний лист перетворюється на буяння барвистих плям та вкраплень.
«Динамічно контролюючи товщину та топографію полімерної плівки, можна отримати дуже велику різноманітність красивих кольорів та текстур», — сказав Марк Бронгерсма, професор матеріалознавства та інженерії та один із провідних авторів статті. "Введення м'яких матеріалів, які можуть розширюватися, стискатися і змінювати свою форму, відкриває новий інструментарій у світі оптики для управління зовнішнім виглядом об'єктів".
Динамічні можливості
Коли дослідники об'єднали різні плівки в багатошаровий пристрій, вони змогли одночасно незалежно керувати кольором і текстурою, маскуючись під фоновий малюнок майже так само майстерно, як восьминіг (хоч і не без спроб і помилок).
В цей час для точної відповідності плівок фоновому малюнку дослідникам доводиться вручну регулювати комбінацію води та розчинника, щоб отримати правильну топографію та кольори. У майбутньому команда сподівається інтегрувати систему комп'ютерного зору, яка зможе автоматично регулювати рівень набухання, щоб плівки зливались з різними фонами.
«Ми хочемо мати можливість керувати цим за допомогою нейронних мереж — по суті системи на основі штучного інтелекту — яка могла б порівнювати шкіру та її фон, а потім автоматично модулювати його в режимі реального часу без втручання людини», — сказав Доші.
Дослідників також цікавлять програми, що виходять за рамки візуального маскування. Наприклад, тонкі зміни текстури можуть бути використані для збільшення або зменшення тертя, що може допомогти визначити, чи невеликий робот чіплятиметься за поверхню або ковзатиме повз неї. Наноструктури можуть змінювати реакцію клітин, тому ці методи можуть знайти застосування і в біоінженерії. Вони навіть співпрацюють з художниками зі Стенфорда над створенням виставки, в якій ці матеріали використовуються як художній засіб.
"Нарешті стало можливим вносити невеликі зміни до властивостей м'яких матеріалів на мікронних масштабах, що відкриє безліч нових можливостей", - сказав Мелош. «Я думаю, що попереду на нас чекає багато цікавого».
