Cuando los materiales se transforman: impresión 4D

Objetos capaces de cambiar con el tiempo, que pueden autoensamblarse, crecer o disminuir de tamaño con base en una respuesta de estímulos externos, es lo que ofrece esta tecnología para solucionar un sinfín de problemas en diversos campos.

Arturo Moncada
Todo menos politica
Impresión en 4D
Foto: Internet

El progreso, fabricación y producción de objetos impresos en 3D cumple más de 3 décadas y ya no solo se encuentra en laboratorios, sino también en universidades, establecimientos y hogares: la impresión 3D presenta una amplia gama de objetos que se pueden crear, como herramientas, piezas industriales, automotrices, juguetes, etcétera, aunque básicamente se trata de objeto estáticos.

Sin embargo, durante los últimos años ha venido creciendo un nuevo concepto llamado impresión en 4D que permite la aplicación de energías pasivas, sean térmica, cinética, neumática, gravitatoria o magnética, para lograr objetos capaces de transformarse con el tiempo.


Este tipo de deformaciones en los materiales no es nuevo. Los científicos ya han demostrado la existencia y la funcionalidad de materiales con “memoria” e “inteligentes”.

Una de las tecnologías más populares es la de materiales de memoria de forma, en los cuales un cambio en la temperatura dispara un cambio de aspecto.


Otros métodos exitosos utilizan polímeros electrorreactivos, fluidos presurizados o gases, los cuales pueden reaccionar a agentes químicos e incluso a la luz.

Ventajas

Técnicamente la impresión 4D es como la 3D pero con un código geométrico con base en las mediciones de cómo debe transformarse el objeto al enfrentarse a fuerzas externas como agua, movimientos o cambios de temperatura.

De este modo, el código determina los ángulos, el número de veces y la dirección hacia la que un material debe curvarse o doblarse.

La impresión 4D se rige bajo las propiedades de autoensamblaje. El jefe investigador del laboratorio de autoensamblado del Massachusetts Institute of Technology (MIT), Skylar Tibbits, comenzó a investigar esta línea de aplicaciones hace unos años con el uso de materiales expandibles y deformaciones simples.

Esta tecnología, indica Tibbits, es el resultado de la fusión entre las tecnologías de impresión 3D y el desarrollo de materiales inteligentes capaces de responder a estímulos externos y ensamblarse por sí mismos.

El investigador señala que el método consiste en imprimir estructuras usando materiales con diferentes propiedades. “Por ejemplo, uno que permanezca rígido y otro que pueda expandirse a 200% de su tamaño original.

A diferencia de otros experimentos que han demostrado cómo deformar formas laminares, nosotros construimos una estructura bidimensional que se deforma a sí misma con tan solo estirarla o encogerla en una superficie. Esta tecnología permitirá imprimir objetos que puedan cambiar de forma con autonomía o autoensamblarse con el paso del tiempo”.

Logros

A pesar de que las investigaciones aún están en fase de laboratorio y que aún podrían pasar un par de años para que se empiecen a realizar pruebas utilitarias en el mundo real y plasmar esta tecnología a nivel comercial, la impresión 4D ya es utilizada en la salud, como demostró un grupo de expertos estadunidenses liderado por el profesor de Otorrinolaringología Pediátrica de la Universidad de Michigan, Glenn Green, quien junto a sus colegas ayudó a salvar la vida de tres pequeños nacidos con traqueobroncomalacia, una anomalía en los bronquios que los cierra cada vez que se respira.

Gracias a trabajos previos donde los médicos comprobaron que el poliéster de policaprolactona mantiene sus propiedades durante 16 meses y luego de ese tiempo va reduciendo su peso molecular (los enlaces entre moléculas se van debilitando) y poco a poco se degradan, fueron capaces de desarrollar una idea para ayudar a los niños: imprimir una férula que con el paso del tiempo se adecuará a sus necesidades.

Si bien una impresora 3D ofrece aspectos muy interesante para la medicina, ya que ofrece fabricar por capas casi cualquier cosa apoyada en un programa de diseño por computadora —como huesos, prótesis dentales, cartílagos, etcétera—, con los niños existía un problema: crecen muy aprisa y para ellos se necesitan objetos que, una vez impresos, puedan cambiar con el tiempo y adaptarse a su crecimiento. Esta es la cuarta dimensión o impresión 4D.

Bajo este concepto, los investigadores escanearon la tráquea de los pequeños para obtener una imagen en tres dimensiones del problema. Con esa información pudieron diseñar una férula impresa en 4D con las dimensiones necesarias para cada pequeño. Hoy en día los niños ya están en casa gracias a la férula que creció con ellos hasta que sus diminutos bronquios fueron lo bastante fuertes como para que el implante se disolviera por sí solo.

En tanto, los investigadores del MIT ya han empezado a desarrollar fibras de carbono, maderas, telas y plásticos programables.

Estos materiales de impresión 4D incluyen componentes dinámicos que convierten objetos rectos en curvos, artículos rígidos en flexibles o piezas sólidas en líquidas.

Skylar Tibbits reconoce que, por separado, tanto la impresión 3D como los materiales inteligentes de por sí ya son un gran avance pero su conjunción crea un potencial revolucionario al abrir un horizonte de creación de productos y estructuras autoarmables e inteligentes desde el material, sin necesidad de añadirles instrumentos electrónicos.

Lejos de lo que podría suponerse, la impresión 4D no tiene ninguna relación directa con el espacio, el tiempo o la relatividad. Pensar en aplicaciones de tecnología de impresión 4D para terrenos comunes de su antecesora, la impresión 3D, como juegos de mesa o prótesis para animales, es una idea sensata, pero su verdadero potencial se esconde en el terreno de la salud y hasta la construcción, cualquiera que sea su escala.

¿Cómo funciona la impresión 4D?

Básicamente se trata de crear objetos inteligentes gracias a una impresora 3D tradicional.

Cientificamente se logró formular un material sintético capaz de ser programado para cambiar de forma al pasar de un ambiente a otro.

El material tiene la información necesaria para que cuando sea combinada con una fuente de energía, por ejemplo agua, se transforme en un producto útil.

La impresión en 4D brinda nuevas posibilidades en el diseño y resolución de problemas de ingeniería, construcción, salud, etcétera.

Fuente: MIT