Способность кальмара менять цвет своей кожи в ответ на сложную информацию об окружающей среде восхищала ученых на протяжении десятилетий. Китайские исследователи подчерпнули вдохновение у кальмаров, чтобы создать новую искусственную кожу, которая может не только противостоять экстремальному холоду, но и убивать бактерии и грибки, открывая двери для целого ряда потенциальных применений.
Подобно другим головоногим, тропическим рыбам и хамелеонам, кальмары обладают периодическими фотонными наноструктурами, позволяющими им изменять цвет кожи в ответ на внешние раздражители окружающей среды, а также для маскировки, общения и ухаживания.
Под поверхностью кожи кальмаров есть тысячи клеток, называемых хроматофорами и связанных с нервной системой. В центре хроматофора находится эластичный мешок, наполненный пигментом. Сокращения мышц контролируют размер хроматофоров, изменяя цвет кожи кальмаров и позволяя им изменять свой узор, чтобы соответствовать близлежащим камням или кораллам. Белки рефлектина, обнаруженные в некоторых разновидностях кальмаров, преломляют свет и отвечают за динамическую пигментацию и радужность животного.
В прошлом исследователи адаптировали этот процесс для создания сохраняющей тепло кожи, а также разработки устройств, которые отслеживают воздействие солнца и делают клетки человека прозрачными. Теперь, вдохновленные врожденными способностями, присутствующими в коже кальмара, исследователи Даляньского технологического университета в Китае создали новую гибкую искусственную кожу, которая может противостоять экстремальным температурам и бактериям.
«Биологическая кожа преобразует информацию об окружающей среде в биоэлектрические сигналы и передает ее в нервную систему для восприятия внешнего напряжения, тактильных ощущений, вибрации, температуры и так далее, — рассказал Tech Xplore Венбин Ню, соответствующий автор исследования. — Помимо биоэлектрических сигналов, в частности, кожа головоногих может дополнительно активно воспринимать сложную окружающую среду посредством изменения цвета».
Исследователи имитировали расположение рефлектина в коже кальмара, чтобы создать новую фотонно-ионную кожу, которую они назвали PIskin. Когда PIskin подвергается воздействию внешних раздражителей, таких как поверхность, его фотонная (управляющая светом) наноструктура вызывает быстрое изменение цвета. В то же время перенос ионов в коже изменяется, позволяя механическим и температурным раздражителям преобразовываться в электрические сигналы.
«Вдохновленные меняющей цвет кожей кальмара, мы внедрили фотонные наноструктуры в электронную кожу, значительно обогатив ее сенсорные возможности. Помимо предоставления количественной обратной связи, записи и анализа изменений стимула с помощью электрического сигнала, более сложная информация, такая как местоположение, форма и распределение стимула, также может быть визуально идентифицирована по ее цвету», — отметил ученый.
Желая улучшить свойства кожи, исследователи добавили монолаурат глицерина (GML), соединение с сильными антимикробными свойствами, и полиэтиленгликоль 200 (PEG-200), поверхностно-активное вещество промышленного класса, эмульгатор и моющее средство. GML позволяет PIskin убивать почти все бактерии и грибки, тогда как низкая температура замерзания PEG-200 означает, что кожа может выдерживать низкие температуры без замерзания и с меньшей вероятностью высыхает. Ученые обнаружили, что кожа хорошо себя показала в суровых условиях и точно измеряла нагрузку, давление и температуру.
Создание PIskin открыло двери для будущих приложений в области носимых медицинских устройств, мягкой робототехники, протезов и человеко-компьютерных интерфейсов. Она также побудило исследователей внимательнее изучить и других животных, меняющих цвет.
«Существует много интересных видов животных с аналогичной способностью менять цвет. В наших следующих работах мы продолжим изучение биологической структуры видов, отличных от кальмаров, и разработаем соответствующую биомиметическую кожу. В конечном счете, эту кожу можно будет использовать в носимых устройствах, интерактивных датчиках и других реальных приложениях», — добавил Ню.