Per anni sono rimasti un esercizio di immaginazione ingegneristica; oggi, materiali capaci di cambiare aspetto, deformarsi, nascondere informazioni o adattarsi all’ambiente circostante stanno entrando nella ricerca applicata. Un gruppo di ricercatori della Penn State University ha sviluppato una “pelle sintetica intelligente” in grado di integrare tutte queste funzioni in un unico materiale morbido e programmabile, ispirato direttamente alla biologia dei cefalopodi.
Il lavoro, guidato da Hongtao Sun, professore associato di ingegneria industriale e manifatturiera, è stato pubblicato su Nature Communications il 12 novembre scorso ed è stato segnalato nella sezione Editors’ Highlights. Al centro della ricerca c’è un nuovo metodo di stampa 4D che permette di codificare digitalmente nel materiale stesso istruzioni capaci di determinarne il comportamento meccanico, ottico e morfologico.
Non si tratta quindi solo di produrre un oggetto tridimensionale, come avviene nella stampa 3D tradizionale, ma di realizzare strutture che evolvono nel tempo in risposta agli stimoli esterni. È proprio questa dimensione dinamica (la quarta dimensione, appunto) a rendere il sistema davvero rivoluzionario.
“I cefalopodi utilizzano un complesso sistema di muscoli e nervi per esercitare un controllo dinamico sull’aspetto e sulla consistenza della loro pelle”, ha spiegato Sun. “Ispirati da questi organismi morbidi, abbiamo sviluppato un sistema di stampa 4D per catturare quell’idea in un materiale sintetico e morbido”.
Un materiale che “obbedisce” a istruzioni stampate.
La piattaforma sviluppata dal team si basa su una forma di idrogel, materiali ricchi d’acqua noti per la loro elevata deformabilità e biocompatibilità. A differenza dei materiali sintetici convenzionali, che presentano proprietà fisse, questi film possono essere programmati per modificare contemporaneamente forma, consistenza superficiale, risposta meccanica e aspetto ottico.
La chiave sta in una tecnica definita stampa a codifica a mezzitoni. Un metodo che traduce informazioni digitali in pattern binari (sequenze di “1” e “0”) stampati direttamente nel gel. Le regioni codificate come “1” risultano più reticolate e rigide, quelle “0” più morbide e deformabili. La diversa risposta locale agli input applicati (solventi, cambio di temperatura o stress meccanico) genera comportamenti complessi su scala macroscopica. In pratica, il materiale contiene al suo interno una mappa di istruzioni.
Quando esposto a calore, liquidi o forze esterne, alcune zone si rigonfiano, altre si ammorbidiscono o si contraggono, determinando trasformazioni tridimensionali controllate e cambiamenti visivi programmati.
“In parole povere, stampiamo istruzioni sul materiale”, ha chiarito Sun. “Queste istruzioni dicono alla pelle come reagire quando qualcosa cambia intorno a lei”.
Nascondere e rivelare informazioni…partendo dalla Monna Lisa
Una delle dimostrazioni più sorprendenti riguarda la capacità del sistema di crittografare e decrittografare immagini.
Haoqing Yang, dottorando e primo autore dello studio, ha descritto un esperimento diventato emblematico: il team ha codificato la celebre Monna Lisa in un sottile film di idrogel. A temperatura ambiente o dopo un lavaggio con etanolo, la superficie appariva trasparente e priva di dettagli. Tuttavia, immergendo il materiale in acqua ghiacciata o riscaldandolo gradualmente, l’immagine emergeva chiaramente.
“Questo comportamento potrebbe essere utilizzato per il camuffamento, dove una superficie si confonde con l’ambiente circostante, o per la crittografia delle informazioni, dove i messaggi vengono nascosti e rivelati solo in determinate condizioni”, ha affermato Yang.
Le informazioni possono essere recuperate anche in modo non visivo. Stirando leggermente il materiale e analizzandone la deformazione con tecniche di correlazione di immagini digitali, i ricercatori sono riusciti a far emergere pattern nascosti, aggiungendo un ulteriore livello di sicurezza meccanica alla codifica.
Questo timelapse mette in mostra la capacità del materiale di adattare le proprie proprietà ottiche e meccaniche attraverso l’esposizione a stimoli esterni, rivelando dinamicamente informazioni codificate. Crediti: Fornito da Hongtao Sun.
Dalla superficie piatta alle forme biologiche
Oltre alle proprietà ottiche, la pelle sintetica mostra una notevole capacità di morphing. Un semplice foglio può trasformarsi in cupole, pieghe o texture tridimensionali complesse, ricordando le superfici corrugate della pelle dei polpi.
A differenza di molti sistemi precedenti, questo risultato non richiede l’assemblaggio di più strati o materiali diversi: tutto avviene all’interno di un unico film omogeneo, controllato esclusivamente dal pattern stampato.
Il gruppo ha anche dimostrato che funzioni differenti possono coesistere nello stesso campione. In alcune prove, l’immagine codificata diventava visibile proprio mentre il materiale si incurvava in una struttura 3D, mostrando come cambiamenti di forma e di aspetto possano essere sincronizzati.
“Similmente a come i cefalopodi coordinano la forma del corpo e il disegno della pelle, la pelle sintetica intelligente può controllare simultaneamente il suo aspetto e come si deforma, il tutto all’interno di un unico materiale morbido”, ha osservato Sun.
Un percorso iniziato nel 2024
Il risultato rappresenta l’evoluzione di una linea di ricerca avviata negli anni precedenti. In uno studio pubblicato nell’ottobre 2024, il gruppo aveva sviluppato idrogel con pattern cellulari rigidi capaci di generare sottodomini meccanicamente eterogenei. Queste strutture permettevano di modulare localmente la deformazione e di disaccoppiare, all’interno dello stesso sistema, proprietà meccaniche e trasformazioni di forma: un obiettivo raggiunto raramente nei materiali morbidi sintetici.
Il nuovo lavoro amplia quel concetto introducendo la codifica binaria a mezzitoni, che consente di integrare molteplici funzioni contemporaneamente: risposta meccanica, texture superficiale, trasformazione geometrica e controllo ottico.
L’approccio offre una piattaforma “semplice ma potente” per progettare materiali multifunzionali riconfigurabili, con potenziali applicazioni che vanno dalla robotica morbida alle superfici adattive, fino all’archiviazione sicura delle informazioni.
Applicazioni e prospettive
Come è facile immaginare, le possibili ricadute tecnologiche sono ampie. Materiali di questo tipo potrebbero essere utilizzati per rivestimenti mimetici, dispositivi di sicurezza anticontraffazione, sistemi di comunicazione nascosta, attuatori per robotica soffice o interfacce biomediche capaci di adattarsi dinamicamente ai tessuti.
Guardando al futuro, il team intende sviluppare una piattaforma scalabile che consenta la codifica digitale precisa di più funzioni all’interno di un unico sistema adattivo.
“Questa ricerca interdisciplinare all’intersezione tra produzione avanzata, materiali intelligenti e meccanica apre nuove opportunità con ampie implicazioni per i sistemi sensibili agli stimoli, l’ingegneria biomimetica, le tecnologie di crittografia avanzate, i dispositivi biomedici e molto altro”, ha concluso Sun.
Nel complesso, questa ricerca suggerisce un importante cambio di paradigma: non più materiali passivi con proprietà predefinite, ma sistemi programmabili capaci di reagire e trasformarsi. Un passo verso superfici sintetiche che, come la pelle dei polpi, non si limitano a rivestire, ma percepiscono, comunicano e si adattano. Un passo discreto, che avvicina la tecnologia ai meccanismi raffinati della biologia.
by O. D. B.
Fonti:
https://www.psu.edu/news/research/story/team-develops-smart-synthetic-material-inspired-octopus-skin
