用半色彩“打印”未来：单资料智能皮肤为软体机器人翻开新途径
章鱼等头足类动物具有令人惊叹的假装才干，它们能瞬间改动皮肤的色彩、图画和纹路，乃至改动身体形状来融入环境。
近来，宾夕法尼亚州立大学等团队受章鱼、乌贼等头足类动物动态假装机制的启示，提出一种半色彩编码4D打印技能。仅经过一种水凝胶资料，即可在环境影响下同步调控其光学外观、机械功用、外表纹路与三维形状，完结了以往多资料体系才干完结的多功用集成。
这项技能使用打印进程中的曝光差异，在资猜中构建“0”与“1”两种交联程度的微区，经过图画化布局赋予资料可编程的呼应行为。它不只是能够躲藏与闪现高分辨率图画，还可完结力学信息的“加密”，并在变形为杂乱三维结构的一起出现预设的外表纹路。
这一效果标志着单一资料体系向仿生多功用集成的重要打破，为自适应假装、软体机器人及动态信息加密等范畴供给了全新的技能途径。相关研讨效果发表于《天然·通讯》期刊，本期谷·专栏将进行扼要共享。
本研讨提出了一种立异的“半色彩编码”战略。研讨人员使用DLP 3D打印机，在光敏水凝胶（PNIPAm）中打印出由高度交联（1）和轻度交联（0）微区组成的二进制图画。使用这两种微区在溶剂和温度影响下的不同呼应，成功在单一资猜中完结了相似章鱼皮肤的多功用性：光学假装、力学编程以及形状变形。
生物原型 (Fig. 1a):头足类动物（如章鱼）的皮肤是一个杂乱的神经肌肉体系。
半色彩编码：使用DLP打印机的像素化特性，将图画离散为二进制的“0”（黑色像素）和“1”（白色像素）。
微观调控：“0”对应短曝光时刻（轻度交联），“1”对应长曝光时刻（高度交联）。
多功用呼应：经过摆放这些微区，能够一起操控资料的光学透光率（隐身/闪现）、机械模量（软/硬）以及部分缩短率（2D转3D变形）。
在25°C水中（溶胀态），无论是轻度交联（50s曝光）仍是高度交联（120s曝光）的水凝胶都是半通明的。
在35°C水中（失水缩短态），轻度交联区域变为不通明的白色，而高度交联区域坚持通明。这是完结是非比照图画的根底。
轻度交联的水凝胶网络较松懈，失水后形成大的孔隙，产生激烈的光散射（变白）。
高度交联的水凝胶网络细密，失水后仍然细密无孔，光线能够直接穿过（通明）。
溶剂呼应 (Fig. 2b, g-j):使用共溶性（Cononsolvency）效应，在乙醇-水混合溶剂中也能诱导相似的相别离和光学改变。
半色彩算法 (Fig. 3a-b):引进调频（FM）和调幅（AM）算法，将接连灰度的《蒙娜丽莎》画像转化为由是非像素点组成的半色彩图画（G0-G9灰度级）。
加密（隐身）：在乙醇或低温水中，整个薄膜出现均匀的通明或半通明状况，图画彻底不行见。
解密（显形）：当放入冰水或加热至35°C时，因为不同微区的光散射差异，本来躲藏的《蒙娜丽莎》逐步闪现，细节明晰可见。这是一个可逆的动态进程。
各向异性 (Fig. 4a-c):不同的半色彩图画摆放方向（0°、45°、90°）会赋予资料不同的拉伸功用。
在光学隐身状况下，肉眼看不出任何图画。 可是，当对资料施加拉伸时，因为“0”域和“1”域的硬度不同（模量差异约3倍），部分应变会产生显着的改变。使用数字图画相关（DIC）技能，能够在应变云图中明晰地看到躲藏的字母“PSU”。 这供给了一种比光学加密更高档的手法：只要在特定拉伸状况下，信息才会闪现。
方向相关性 (Fig. 5a-l):展现了不同方向摆放的半色彩图画在拉伸时的应变呼应差异。
两层加密 (Fig. 5p-q):在同一张薄膜中，使用水平摆放的图画编码《蒙娜丽莎》（光学可见），一起在其间嵌入对角线摆放的图画编码字母“M”。
在拉伸形式下（检查应变云图），字母“M”明晰闪现。这种“图中有字”的多层加密技能极具使用潜力。
因为轻度交联区域缩短率大，高度交联区域缩短率小，经过在平面内规划灰度梯度（即缩短率梯度），能够驱动薄膜在加热时主动弯曲成预设的3D形状。
成功演示了从平面变身为球冠（Spherical cap）和马鞍面（Saddle）。
多功用协同 (Fig. 6e-h):在变形为3D形状的一起，外表闪现出预设的字母或图画。
仿生纹路 (Fig. 6i-l):经过精密的图画规划，乃至能在外表生成相似章鱼皮肤的突起（Papillae）纹路。这标志着在一个单一资料体系中，一起完结了变色、变形、变纹路的三重仿生功用。
这项作业经过图1的仿生规划，图2的资料机理，图3的光学使用，图4-5的力学编程，终究在图6中完结了集大成的多功用演示。这种半色彩编码4D打印技能，无需杂乱的拼装和多资料打印，仅凭单一水凝胶就完结了高度杂乱的智能呼应，为未来的软体机器人、防赝品标签和生物医学器材供给了极具价值的制作计划。
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