Kann ein Material fühlen? Diese gedruckte Haut kommt nah heran

Das Team nutzte sein neues Druckverfahren, um ein Foto der Mona Lisa auf sein „Smart Skin“-Material zu kodieren (links). Das Foto, das zunächst im Material verborgen erscheint, kann durch Dehnung, Hitzeeinwirkung, Eintauchen in Flüssigkeit oder durch Umformen des Materials von einer 2D- in eine 3D-Form sichtbar gemacht werden (rechts).

Foto: Provided by Hongtao Sun, Creative Commons BY-NC-ND 4.0

Synthetische Materialien sind meist für klar definierte Aufgaben gebaut. Sie sollen stabil sein, leitfähig oder transparent. Was sie kaum können: ihr Verhalten situativ ändern. Genau hier setzt eine Arbeit von Forschenden der Penn State University an. Das Team um Hongtao Sun hat eine künstliche Haut entwickelt, die auf ihre Umgebung reagiert – gedruckt, programmierbar und vielseitig einsetzbar.

Im Kern geht es um ein Hydrogel. Dieses wasserreiche, weiche Material kann quellen, schrumpfen oder seine Form ändern, wenn äußere Reize einwirken. Neu ist nicht das Hydrogel selbst, sondern die Art, wie es hergestellt und gesteuert wird. Die Forschenden sprechen von einer intelligenten synthetischen Haut, deren Eigenschaften sich gezielt einstellen lassen: Optik, Steifigkeit, Oberflächenstruktur und sogar die Form.

Inspiration aus der Natur

Die Idee stammt aus der Biologie. Kopffüßer wie Tintenfische verändern Farbe und Textur ihrer Haut innerhalb von Sekunden. Sie tarnen sich oder senden Signale. Sun greift diesen Vergleich bewusst auf:

„Kopffüßer nutzen ein komplexes System aus Muskeln und Nerven, um das Aussehen und die Textur ihrer Haut dynamisch zu steuern“, so Sun. „Inspiriert von diesen weichen Organismen haben wir ein 4D-Drucksystem entwickelt, um diese Idee in einem synthetischen, weichen Material umzusetzen.“

Der Begriff 4D-Druck meint hier nicht eine vierte Raumdimension, sondern Zeit. Gedruckt wird ein 3D-Objekt, das sich später verändert. Die Veränderung ist kein Zufall, sondern vorab im Material angelegt.

Anweisungen direkt im Material

Technisch setzt das Team auf ein sogenanntes halftone-encoded Printing. Bekannt ist das Prinzip aus dem Zeitungsdruck: Bilder entstehen aus vielen Punkten. Bei der intelligenten Haut dienen diese Punktmuster dazu, Informationen direkt in das Material einzuschreiben – als eine Art Bauplan für spätere Reaktionen.

„Einfach ausgedrückt drucken wir Anweisungen in das Material“, erklärte Sun. „Diese Anweisungen sagen der Haut, wie sie reagieren soll, wenn sich etwas in ihrer Umgebung verändert.“

Bestimmte Bereiche des Hydrogels reagieren stärker auf Hitze, andere auf Flüssigkeiten oder mechanische Belastung. Das Ergebnis ist ein Material, das lokal unterschiedlich arbeitet und sich dadurch als Ganzes gezielt verformt oder verändert.

Versteckte Bilder, sichtbar auf Kommando

Wie weit sich dieses Prinzip treiben lässt, zeigt ein Beispiel aus dem Labor. Das Team kodierte ein Bild der Mona Lisa in eine dünne Hydrogel-Folie. Im Normalzustand bleibt das Bild unsichtbar. Wird die Folie mit Ethanol behandelt, bleibt sie transparent. Erst bei Eiswasser oder beim Erwärmen tritt das Motiv klar hervor.

Haoqing Yang, Erstautor der Studie, sieht darin mehr als einen Demonstrationseffekt: „Dieses Verhalten könnte zur Tarnung genutzt werden, wobei sich eine Oberfläche in ihre Umgebung einfügt, oder zur Informationsverschlüsselung, wobei Nachrichten versteckt sind und nur unter bestimmten Bedingungen sichtbar werden.“

Informationen lassen sich nicht nur optisch abrufen. Dehnt man das Material leicht und misst die Verformung mit digitaler Bildkorrelation, kommen ebenfalls verborgene Muster zum Vorschein. Das eröffnet zusätzliche Wege, Daten zu schützen oder gezielt freizugeben.

Formwandel ohne Schichtaufbau

Viele formverändernde Materialien bestehen aus mehreren Lagen oder unterschiedlichen Werkstoffen. Die intelligente Haut aus Penn State kommt mit einer einzigen Schicht aus. Die Steuerung erfolgt ausschließlich über das gedruckte Muster im Inneren.

So kann sich eine flache Folie in kuppelartige oder organisch wirkende Strukturen verwandeln. Oberflächen bekommen Reliefs, die an natürliche Häute erinnern. Form und Erscheinungsbild lassen sich dabei gemeinsam planen.

„Ähnlich wie Kopffüßer ihre Körperform und Hautmusterung koordinieren, kann die synthetische intelligente Haut gleichzeitig ihr Aussehen und ihre Verformung steuern, und das alles innerhalb eines einzigen weichen Materials“, sagte Sun.

Anwendungen sehen die Forschenden unter anderem in der Soft-Robotik, bei adaptiven Oberflächen, in der Verschlüsselung oder in biomedizinischen Systemen. Noch ist das Material ein Laborprodukt. Der nächste Schritt soll eine skalierbare Plattform sein, mit der sich solche Funktionen präzise und reproduzierbar integrieren lassen.

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