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La impresión 4D no es un término con el que mucha gente se haya encontrado, y hay una buena razón para ello: todavía es una tecnología en proceso de maduración. En este momento, la impresión 4D no existe más que como una prueba de concepto: una vista previa de lo que vendrá. Aunque todavía está lejos de ser adoptada a escala práctica, la impresión 4D tiene un gran potencial futuro. ¿Qué es exactamente la impresión 4D y cómo funciona? ¿Cuáles son sus posibles aplicaciones?
¿Qué es la impresión 4D?
Mientras que la impresión 3D se refiere a la creación de objetos en un espacio 3D a partir de diseños personalizados, la impresión 4D añade otra dimensión a la mezcla: el tiempo. En lugar de ser objetos estáticos, las impresiones 4D pueden cambiar de forma con el tiempo mediante la adición de algún tipo de estímulo, como calor, humedad, luz o una corriente eléctrica.
¿Como funciona?
A diferencia de las impresoras 3D cuya única función es crear impresiones en un espacio tridimensional, en realidad no existe una «impresora 4D». En cambio, las impresiones 4D se basan en el uso de materiales que reaccionan a estímulos y en la ejecución precisa de diseños que permiten que los cambios en el material se manifiesten como cambios reales en la forma del producto final. En resumen, la forma en que reacciona un objeto a los cambios microscópicos en la estructura del material depende de los ángulos y dimensiones originales del objeto. Por lo tanto, tanto el material como el diseño desempeñan un papel esencial para que las impresiones 4D funcionen según lo previsto.
1. Materiales
La forma en que reacciona un objeto a un estímulo y qué tipo de estímulo necesita para sufrir una deformación dependen en gran medida del material del que está hecho. La investigación sobre el desarrollo de materiales aún está en curso, pero ya ha habido muchos resultados exitosos con materiales hidrófilos que se hinchan cuando se sumergen en agua. Algunos materiales se expanden en direcciones iguales, mientras que otros materiales se expanden anisotrópicamente o solo a lo largo de un eje determinado.
También ha habido geles poliméricos que exhiben propiedades hidrófilas pero sólo cuando se someten a una determinada temperatura umbral. Cuando se exponen a temperaturas más altas, estos geles poliméricos tienden a deshidratarse y encogerse.
Los polímeros combinados con compuestos fotoiniciadores pueden sufrir deformación cuando se exponen a la luz al permitir que el fotoiniciador se consuma y continúe el proceso de polimerización. Esto efectivamente proporciona más material para el polímero, haciéndolo expandirse.
2. Diseño
Las impresiones 4D no son sólo esponjas sofisticadas. Están diseñados deliberadamente para aprovechar la deformación del material para adoptar la forma deseada. Esto se hace incorporando una serie de juntas y bisagras en un diseño que responderá a la deformación de manera predecible. Las impresiones 4D también se pueden diseñar con arquitectura de fibra, lo que permite la expansión anisotrópica o la expansión de un objeto junto con un sesgo.
Pruebas exitosas de la tecnología de impresión 4D
La impresión 4D sigue siendo una tecnología en evolución, pero los científicos de todo el mundo están trabajando arduamente para hacerla lo más útil, práctica y accesible posible. Los siguientes son algunos de los logros alcanzados hasta ahora en el desarrollo de la tecnología de impresión 4D.
1. Laboratorio de autoensamblaje del MIT
El Laboratorio de Autoensamblaje del MIT, dirigido por el profesor asistente Skylar Tibbits, ha estado a la vanguardia de la innovación en impresión 4D. Inaugurado en 2015, el laboratorio ha trabajado con Stratasys Materials Group para desarrollar un polímero compuesto altamente hidrófilo que permite hincharse hasta un 150% cuando se expone al agua. Este material se ha utilizado con gran éxito en varias demostraciones: una cadena que ensambla un cubo de estructura metálica, otra cadena que deletrea «MIT» y una estructura plana impresa que se autopliega formando un cubo de cara completa.
2. Universidad George Washington
Un equipo de investigación de la Universidad George Washington dirigido por la Dra. Lijie Grace Zhang ha desarrollado una resina líquida fotocurable hecha de aceite de soja a la que se le pueden dar diversas formas mediante impresión 4D. Esta resina biocompatible ha mostrado un fuerte efecto de memoria de forma, lo que permite una recuperación completa cuando se expone a diversas fluctuaciones de temperatura. Este descubrimiento abre muchas posibilidades en el campo del andamiaje biomédico.
3. Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica
Los científicos del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard han creado impresiones 4D hechas de un material compuesto de hidrogel que imita cómo las plantas cambian de forma con el tiempo. Los objetos impresos en 4D fueron diseñados para hincharse en ciertos puntos para crear este movimiento. También se integraron en el diseño fibrillas de celulosa en el compuesto de hidrogel que se asemejan a las microestructuras que se encuentran en las plantas.
El proceso de diseño implicó el uso de un modelo matemático patentado para determinar cómo se debe imprimir el objeto para lograr la respuesta de transformación deseada. Este modelo también ha permitido al equipo realizar “ingeniería inversa” del proceso determinando las rutas de impresión necesarias si tienen una forma final objetivo.
4. Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur
Un grupo de investigación dirigido por Zhen Ding de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur tiene un método de impresión 3D que utiliza un polímero sensible al calor que ha sido programado con una tensión de compresión incorporada durante la fotopolimerización. Cuando se expone al calor, el polímero comienza a ablandarse y a liberar la tensión de compresión, lo que luego les permite tomar una forma diferente.
La investigación se basa en el uso de polímeros con memoria de forma en lugar de hidrogel. El mecanismo de hinchamiento de los polímeros con memoria de forma se basa en la liberación de tensión en lugar de la absorción de fluido, lo que lo hace más rápido. La forma accionada también es más estable. El equipo pudo demostrar el proceso que desarrollaron utilizando una variedad de objetos de prueba, como una estrella plana que se curva formando una cúpula.
Aplicaciones futuras
La tecnología de la impresión 4D es aún muy joven, pero muchos científicos se muestran optimistas sobre todas las posibilidades que puede abrir. Estos objetos inteligentes podrían tener efectos revolucionarios en las industrias de la construcción, los servicios públicos y la medicina.
Los materiales 4D se pueden utilizar para construir carreteras, puentes y muros con propiedades de autocuración. Las tuberías que se agrietan en climas fríos pueden expandirse y llenar los huecos, reparándose a sí mismas de manera efectiva. Incluso podría ser posible encargar muebles que se monten solos en el futuro.
Los materiales inteligentes también pueden ofrecer soluciones a diversos problemas logísticos del comercio y el comercio. Skylar Tibbits ha explicado cómo la impresión 4D podría crear productos que puedan empaquetarse planos y ensamblarse en su destino con solo un simple estímulo electrónico. Incluso puede haber ropa a la que se le puedan expandir o crecer las mangas cuando se expone a temperaturas frías.
Una de las aplicaciones más entretenidas de la impresión 4D fue un «robot» hecho completamente de un material inteligente: una combinación de polianilina y polipirrol dopado con tetrafluoroborato. Cuando se trata con un estímulo eléctrico, este material se expande rápidamente. Al aplicar descargas eléctricas a partes individuales del robot, se puede hacer que éste se mueva utilizando sus diversos apéndices. En la misma línea, también existen ferrogeles con respuesta magnética que pueden responder y alinearse con un campo magnético. Este tipo de materiales se pueden desarrollar para mejores sistemas de administración de fármacos o partículas sensibles que ayuden al crecimiento celular.
Para ir finalizando
Las aplicaciones potenciales para la impresión 4D que se están explorando actualmente pueden parecer como si solo fueran posibles en la ciencia ficción, pero ese era el mismo sentimiento que tenían las generaciones anteriores antes de que los teléfonos inteligentes, los dispositivos portátiles, las impresoras 3D y los drones se convirtieran en algo. Con una gama tan amplia de posibilidades, no es de extrañar que tanto los científicos como los empresarios estén entusiasmados con lo que podría aportar la tecnología de impresión 4D.
Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro para la seguridad contra incendios.