Najbardziej zdumiewające skóry na świecie można znaleźć w morzu, okrywają ciała ośmiornic, kałamarnic i mątw. Te zwierzęta, znane jako głowonogi, potrafią nagle zmienić barwę, kształt i fakturę swoich skór – obejrzyjcie „kamień” na powyższym wideo, który nagle ujawnia swoją prawdziwą naturę. Ich kamuflaż jest także adaptacyjny. W odróżnieniu od, na przykład, patyczaka lub szkaradnicy, które są ograniczone do jednego kostiumu, zmienna skóra ośmiornicy pozwala jej na naśladowanie wielu różnych rodzajów tła. Widzi i staje się tym co widzi.
Żadna technologia stworzona przez człowieka nie zbliża się nawet do tego. Ale jedna przynajmniej posuwa się we właściwym kierunku.
Zespół naukowców pod kierownictwem Cunjiang Yu z University of Houston i Johna Rogersa z University of Illinois at Urbana–Champaign skonstruował elastyczną, pikselizowaną płachtę, która potrafi wykrywać padające na nią światło i zmieniać wzór zgodnie z odebranymi sygnałami. Jak dotąd jej duże piksele potrafią zmienić się z czarnych w białe i odwrotnie. Jest to jeszcze bardzo dalekie od skóry ośmiornicy, ale ma niektóre z jej właściwości. Na przykład zmienia kolor automatycznie i stosunkowo szybko – nie dość szybko według standardów głowonogów, w przeciągu około jednej sekundy.
“W żadnym razie nie jest to jeszcze system kamuflażowy do wykorzystania, ale jest to dość dobry punkt wyjściowy” – mówi Rogers. Docelowo zespół pracuje nad stworzeniem adaptacyjnych płacht, które będzie można owinąć wokół różnych obiektów i zmienić ich wygląd. Można ich użyć na powierzchniach pojazdów wojskowych, które będą się same kamuflowały, lub ubrań, które będą zmieniały kolor zależnie od oświetlenia.
Skóra głowonogów ma trzy warstwy. Zewnętrzna składa się z komórek zwanych chromatoforami, które są woreczkami pigmentu, kontrolowanymi przez pierścień mięśni. Jeśli woreczek rozszerza się, produkuje piksel lub barwę; jeśli się kurczy, piksel chowa się. Te komórki odpowiadają za barwy czerwoną, pomarańczową, żółtą i czarną. Warstwa środkowa zawiera irydofory, komórki, które odzwierciedlają barwy w środowisku zwierzęcia – odpowiadają one za barwy niebieską i zieloną. Najniższa warstwa składa się z leukoforów, biernych komórek, które rozpraszają białe światło we wszystkich kierunkach i działają jako tło dla innych barw.
Skóra zawiera także światłoczułe cząsteczki zwane opsynami, bardzo podobne do tych, które znajdują się w naszej siatkówce. Nadal nie jest jasne, co one robią, ale można zgadywać, że pomagają głowonogom “widzieć” skórą i szybko dostosowywać wzór bez potrzeby instrukcji z mózgu.
Projektując własny materiał zespół czerpał inspirację z tych skór. Ich dzieło składa się kratki kwadratów 16 na 16, a każdy kwadrat składa się z kilku warstw.
Górna zawiera światłoczułe barwniki, które odwracalnie zmieniają kolor z czarnego w temperaturze pokojowej do bezbarwnego w temperaturze 47 stopni Celsjusza i odwrotnie. Jest to odpowiednik chromatoforów ośmiornicy.
Następnie jest cienka warstwa srebra, która tworzy jaskrawe białe tło, podobnie jak leukofory.
Poniżej tego jest dioda, która ogrzewa znajdujący się powyżej barwnik i kontroluje jego kolor. Jest to odpowiednik mięśni, które kontrolują chromatofory.
Wreszcie jest warstwa czujników światła w jednym rogu, trochę jak opsyny w skórze głowonoga. Górne warstwy – barwniki i srebro – mają małe wycięcia w rogach, żeby czujniki światła miały nieprzesłonięty okno na otoczenie.
A całość znajduje się na elastycznej podstawie, którą można zginać bez złamania.
Tak więc czujniki światła wykrywają każde zmiany naświetlenia i mówią diodzie, żeby oświetliła panele i ogrzała je. To zamienia znajdujący się tam barwnik z czarnego na przezroczysty. Te piksele odbijają teraz światło od warstwy srebra, co powoduje, że wyglądają jak białe. Można to zobaczyć na wideo poniżej. Różne wzory świetlne świecą na materiał od dołu i reaguje on bardzo szybko.
“Istnieją analogie między warstwami w naszym systemie i skórą głowonoga, ale wszystkie rzeczywiste funkcje osiągamy w całkowicie inny sposób – mówi Rogers. – Wielowarstwowa architektura działa jednak naprawdę dobrze. Ewolucja doszła do tego samego wniosku”.
I dodaje: “Najbardziej fascynujące w tym jest, że to wszystko jest automatyczne, bez żadnego działania zewnętrznego użytkownika”.
Istnieją oczywiste militarne zastosowania takiego urządzenia i prace finansuje Biuro Badań Marynarki. Rogers zauważa jednak, że płachty są zaprojektowane do wyczuwania i adaptacji – niekoniecznie muszą wtopić się w tło. „Może być wiele zastosowań tego wynalazku w modzie i architekturze wnętrz – mówi. – Można stosować ten elastyczny materiał do każdej powierzchni i stworzyć coś, co reaguje na panujące w otoczeniu światło. Naszym celem jednak nie jest stworzenie adaptującej się tapety; pracujemy nad podstawami technologii”.
Oczywiście ten materiał musi zostać ulepszony. Ponieważ polega na cieple, by zmienić kolor, jest stosunkowo powolny, zużywa wiele energii i działa tylko w wąskim zakresie temperatur. Zespół użył jednak wrażliwego na ciepło barwnika, ponieważ było to łatwe i pozwoliło skupić się na pozostałych częściach systemu.
Teraz, kiedy mają już ramy, sądzą, że z łatwością mogą system ulepszyć. Zamiast składników podgrzewanych diodami mogą zastosować takie, które używają zmiennych pól elektrycznych. Mogą zastąpić barwniki innymi substancjami, które dają pełną gamę kolorów, a nie tylko biały i czarny. I powinni być w stanie z łatwością powiększyć płachtę – w końcu Rogers ma mnóstwo doświadczenia w budowaniu elastycznej elektroniki przy pomocy powszechnie używanych substancji, takich jak krzem, zamiast wymyślnych (i kosztownych) nowych materiałów.
Wątpi jednak, czy kiedykolwiek potrafi zrobić coś, co naprawdę dorównuje skórze głowonoga. „Jako inżynier patrzący na filmy z kałamarnicami, ośmiornicami i mątwami, po prostu rozumiesz, że nigdy nie zbliżysz się do tego poziomu wyrafinowania – mówi. – Próbowaliśmy wyabstrahować te same zasady i zrobić najlepiej, jak potrafimy, z tym, co mamy”
Czy ich sztuczna skóra ma jakieś przewagi nad tym, co potrafią ośmiornice lub mątwy?
“No cóż, działa na suchym lądzie” – mówi Rogers.
Źródło: Yu, Li, Zhang, Huang, Malyrchuk, Wang, Shi, Gao, Su, Zhang, Xu, Hanlon, Huang & Rogers. 2014. Adaptive optoelectronic camouflage systems with designs inspired by cephalopod skins. PNAS http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1410494111
Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację. Strona www autora
