タコの皮に触発された新しい研究は、将来の適応型迷彩技術のプロトタイプを示しています。ペンシルベニア州立大学のエンジニアリングチームは、温度が変化したり、さまざまな溶媒にさらされたときに、事前にコード化された画像を表示または非表示にできる新しいヒドロゲル素材を開発しました。 「まるで生き物のように環境に反応する」人工皮膚と評されている。 「Nature Communications」に掲載された最新の論文の中で、研究者らは、この材料が小さな環境刺激に対して可逆的な視覚反応を起こすことができ、カモフラージュ、センシング、スマートパッケージングなどの多くの分野での使用が期待されていると指摘しました。
研究チームは、このヒドロゲルをプログラム可能な「キャンバス」と表現しています。着色に顔料に依存する従来の方法とは異なり、情報は材料の物理的構造に直接埋め込まれ、3D プリントプロセス中に書き込まれます。ヒドロゲルを加熱したり、特定の溶媒にさらしたりすると、一見何もない表面が、手紙から肖像画に至るまで、隠されていた内容を徐々に明らかにします。研究者らはデモンストレーションで、レオナルド・ダ・ヴィンチの有名な絵画「モナ・リザ」をマテリアルにエンコードすることに成功し、温度が上昇するにつれてグレースケールの輪郭から細部まで徐々に浮かび上がるようにした。
この技術は、初期の新聞印刷からインスピレーションを得た、いわゆる「ハーフトーン エンコーディング 3D 印刷」プロセスに依存しています。デジタル画像は、「1」と「0」で構成されるバイナリ ピクセル グリッドに変換されます。微細なパターンは、製造プロセス中にヒドロゲルのさまざまな領域が光にどのように反応するかを決定し、UV 露光によりこれらのパターンが柔らかいポリマーネットワークに「書き込まれ」、インクや染料に頼ることなく局所的な架橋密度が変化します。室温では、これらの構造の違いはほとんど見えません。熱的または化学的環境が変化すると、光学的なコントラストが変化し、隠された画像が鮮明になります。
材料は外部刺激に反応して時間の経過とともに進化するため、このプロセスは「4D プリンティング」、つまり環境の変化に応じて形状や特性を能動的に調整できる 3 次元オブジェクトとして分類されます。論文の共著者でペンシルバニア州立大学のホンタオ・スン氏は、この方法は本質的に材料自体に「指示を印刷」し、環境が変化したときにどのように対応するかについての物理的行動のガイドラインを材料に与えると述べた。実験では、研究チームはまず学校の略称「PSU」をハイドロゲルシートにエンコードした。特定の温度変化の後、空白の表面から文字が現れ、材料の「記憶」と可逆的な応答能力が確認されます。
この「機械的知性」は、頭足類の自然なカモフラージュ機構を直接利用しています。タコ、イカ、イカは、密集した皮膚色素嚢 (色素胞) のネットワークと筋肉によって制御される微細構造に依存して、周囲の岩やサンゴの環境に溶け込むように色、コントラスト、質感を迅速に切り替えます。工学界は長い間、この効率的かつ複雑なカモフラージュ能力に魅了されてきましたが、人工材料上でそれを完全に再現することは常に困難でした。ペンシルベニア州立大学の研究は、同じ素材内でデジタル精度と生体工学的変動性を組み合わせたもので、その目標に一歩近づいたと考えられています。
他の科学研究チームも同様のコンセプトをさまざまな方向で検討している。2021年にはすでにラトガース大学の研究者が3Dプリンティングを利用して光の下で曲がることができる「人工筋肉」を作成し、スタンフォード大学のエンジニアも電子ビームの作用で膨張したり色が変化したりできる柔軟な合成材料を開発した。ロボット工学の分野では、触手の動きを模倣し、シリコンベースの構造を利用して生物の腕と同様の掴みとスムーズな動きを実現する「触手ボット」が登場しています。対照的に、このヒドロゲルの際立った点は、回路や外部制御システムに依存せず、情報を材料に直接エンコードし、それ自体が時間の経過とともに変化する「データキャリア」となることです。
潜在的な用途は、生体迷彩をはるかに超えています。研究者らは、同じ原理を利用して、自動的に調整できる医療用センサー、食品の腐敗を色や模様で示すスマートパッケージング、さらには環境感知機能を備え、シーンに応じて外観を変えることができるソフトロボットの「スキン」の作成にも使用できると考えている。この研究は、自然界の最も複雑な応答性デザインの 1 つを模倣することにより、新しい機能性素材、つまり単なる機能以上の機能を備えた素材への道を開きます。適応する環境は、その形を通じて外界と「対話」することもできます。