タコの皮膚にヒントを得たスマート合成素材開発

February, 17, 2026, University Park--合成材料は様々な産業や科学分野で広く普及しているが、ほとんどは限られた機能のために開発されている。この柔軟性のなさに対処するため、ペンシルベニア州立大学(Penn State)の産業・製造工学助教授(IME)であるHongtao Sun率いる研究者たちは、多機能な「スマート合成スキン」をプリントできる製造方法を開発した。
これは、情報の暗号化や復号化、適応カモフラージュ、ソフトロボティクスの動力などに使用できる構成可能な材料である。

チームは独自の手法を用いて、水を豊富に含むジェル状のハイドロゲルからプログラム可能なスマートスキンを作り出した。固定された性質を持つ従来の合成材料と比べて、スマートスキンは多様性を高め、研究者が熱、溶剤、機械的応力などの外部刺激にさらされた際の光学的外観、機械的応答、表面の質感、形状の変化などの動的制御を調整できるようにする。

チームは、Nature Communicationsに発表した論文でその研究を詳細に説明している。論文は、Editors’ Highlightsにフィーチャーされている。

プロジェクトの主任研究者Sunによると、この素材のアイデアは、タコのような頭足類の自然生物学に触発された。タコは、捕食者から身を隠したり、互いにコミュニケーションを取ったりするために皮膚の外見を制御できる。

「頭足類は複雑な筋肉と神経のシステムを使って、皮膚の見た目や質感を動的にコントロールしている。これらのソフトな生物に触発され、われわれはそのアイデアを合成の柔らかい素材に捉える4Dプリンティングシステムを開発した」(Sun)。

Sunは、生体医工学、材料科学・工学、Penn State材料研究所にも所属しており、チームの手法を「4Dプリンティング」と表現し、環境の変化に応じて反応的に調整できる3Dオブジェクトを生成していると語っている。チームはハーフトーンエンコードプリンティングと呼ばれる技術を用い、これは画像やテクスチャデータをバイナリの1と0の形で表面に変換し、新聞や写真で使われるドットパターンに似た方法でデジタル情報を直接素材に符号化した。この技術により、チームは刺激にさらされることでスマートスキンの見た目や質感をプログラムできる。

これらのパターンは、物質の異なる領域が環境にどのように反応するかを制御し、温度、液体、機械的な力の変化にさらされると、ある部分が他の部分よりも増大したり軟化したりしする。パターンを慎重に設計することで、チームは素材全体の挙動を決定できる。

「簡単に言えば、われわれは素材に指示をプリントしている。その指示は、周囲で何かが変わったときに皮膚にどう反応するかを教えている」とSunは説明している。

IMEを研究する博士課程の学生であり、この論文の筆頭著者、Haoqing Yangによると、スマートスキンの最も顕著な例の一つは、情報を隠し、明らかにする能力である。この特徴を際立たせるために、チームはモナリザの写真をスマートスキンにエンコードした。フィルムをエタノールで洗うと、透明に見え、映像は見えなかった。しかし、モナリザは氷水に浸すか、徐々に加熱することで完全に見えるようになった。