4D打印智能皮肤！模仿章鱼，能隐身还能加密信息

宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出一种新型制造方法，可让可编程的“智能合成皮肤”按需改变外观、纹理和形状，同时隐藏或显示信息。

这种材料以水凝胶（富含水分的凝胶状物质）为基底，通过团队称为“4D打印”的技术制成。与传统属性固定的合成材料不同，智能皮肤能对热、溶剂或机械应力等外部刺激做出动态响应，单片材料可同时实现多种功能：自适应伪装、信息加密解密、形态变形。研究人员表示，现有合成材料通常仅针对单一功能设计，这种多功能性此前难以实现。

该研究灵感来自章鱼等头足类动物——它们能快速改变皮肤外观和纹理，融入环境或进行交流。团队旨在通过数字设计，在柔软的合成材料中重现这种动态控制能力，无需依赖复杂的生物系统。

一、核心技术：半色调编码打印，给材料“植入指令”

智能皮肤的关键在于半色调编码打印技术：将数字图像或纹理数据转化为二进制图案，直接打印到水凝胶内部。这些图案如同嵌入的“指令”，决定材料不同区域在环境变化时的反应方式。

“简单来说，我们是在给材料‘打印指令’，”项目负责人、宾州州立大学工业与制造工程助理教授孙洪涛（Hongtao Sun）解释道，“这些指令告诉皮肤，当周围环境变化时该如何反应。”

当受到温度变化、液体或机械力刺激时，水凝胶的不同区域会按可控方式膨胀、软化或变形。通过精心设计半色调图案，研究人员可精准控制材料的整体行为。

最引人注目的演示之一是将《蒙娜丽莎》图像编码到智能皮肤中：用乙醇冲洗时，水凝胶变得完全透明，图像消失；浸入冰水或逐渐加热后，图像又会重新显现。“这种特性可用于伪装（让表面融入环境）或信息加密（信息仅在特定条件下显示），”论文第一作者、宾州州立大学博士生杨浩清（Haoqing Yang）说。

二、多维度功能：从视觉到形态，单片材料实现协同控制

除了视觉变化，智能皮肤还能通过机械变形隐藏或显示信息：轻轻拉伸材料，利用数字图像相关技术分析变形，即可检测到编码图案。

水凝胶具有极高的延展性，无需多层结构或不同材料，就能从平面薄片变形为复杂的仿生形状。在另一项演示中，编码在平面薄膜上的图像会随着材料变形为圆顶状3D结构而逐渐显现。

“就像头足类动物协调身体形状和皮肤图案一样，这种合成智能皮肤能在单片柔软材料中，同时控制外观和变形，”孙洪涛说。

研究人员表示，该方法有望为软机器人、安全通信、生物医学设备和先进制造领域，提供可规模化的自适应材料平台。相关研究发表于《自然·通讯》。