¿Qué es la impresión 4D?

Jul 29, 2023

La impresión 4D es el proceso de creación de objetos impresos en 3D que pueden transformarse con el tiempo en función de estímulos específicos, como la exposición al aire, el agua o el calor.

La impresión 4D es un proceso en el que los objetos impresos en 3D se programan para transformarse de forma autónoma con el tiempo en respuesta a estímulos ambientales, como el calor o la luz.

Piense en muebles autónomos y autoensamblables entregados en paquetes planos; edificios que se construyen a sí mismos; sistemas de tuberías subterráneas regenerativas; órganos funcionales, listos para imprimir.

O tal vez, durante una curiosa búsqueda en Google, hayas visto un tejido curvo en forma de onda sinusoidal enrollado en algo parecido a un sillón de la era brutalista o la miniatura de la Torre Eiffel de un maquillaje de gelatina que se vuelve flácido, recuperando su forma cuando se expone al calor.

Cualquiera que sea el caso, estos poderosos objetos cambiantes son las representaciones de la impresión 4D, que introduce propiedades de autoactivación en el proceso de impresión 3D.

La impresión 4D crea materia programable autoensamblada diseñada para transformarse temporalmente, fabricando una especie de origami activo. El término 4D o cuarta dimensión representa esencialmente el tiempo y detalla el efecto del tiempo en el objeto impreso.

"Con la impresión 4D, los objetos se pueden imprimir con características adicionales que les permiten cambiar de forma o funcionar con el tiempo", dijo Xinyi Xiao, profesor asistente de ingeniería mecánica y de fabricación en la Universidad de Miami. "Esto podría usarse para crear objetos que puedan adaptarse a su entorno o incluso repararse a sí mismos".

En los proyectos de impresión 4D, las representaciones impresas en 3D están hechas básicamente para depender del tiempo. Una vez fabricadas por completo, estas representaciones pueden transformarse en respuesta a los estímulos ambientales con los que interactúan.

Los materiales inteligentes que cambian de forma que componen los elementos impresos en 4D reaccionan a un catalizador, como el calor, el agua, la luz, el viento o la electricidad, en función de un conjunto de instrucciones escritas en su codificación geométrica. Pueden alargarse, doblarse, arrugarse, plegarse, torcerse o incluso desintegrarse una vez activados. Cualquier cosa, desde la madera hasta el caucho, se puede estratificar con materiales sensibles a los estímulos. El propósito de esta práctica es descubrir nuevas propiedades y manipular objetos sin intervención humana o mecánica.

Ese es un poco el punto. Skylar Tibbits, fundador y director de investigación del Laboratorio de autoensamblaje del Instituto Tecnológico de Massachusetts, describió el objetivo de la impresión 4D (crear tecnología sin motor, inalámbrica y sin energía) cuando acuñó el término por primera vez durante una charla Ted en 2013.

"Lo que realmente estamos tratando de hacer son robots sin robots", dijo Tibbits a Fast Company. "Queremos diseñar materiales que puedan transformarse cuando se exponen a la energía, pero que no requieran necesariamente placas de circuitos, componentes electrónicos u otras partes móviles para funcionar".

"La impresión [cuatridimensional] tiene muchas áreas de aplicación potencialmente influyentes", dijo Xiao, enumerando la electrónica médica, flexible, robots blandos e incluso muebles como casos de uso.

Por ejemplo, la tinta conductora se puede usar para construir dispositivos electrónicos, dijo. Este proceso, sin embargo, está restringido en superficies planas. Al adaptar el comportamiento de cambio de forma disponible en 4D, se pueden desarrollar componentes electrónicos más complicados.

La industria aeroespacial, automotriz, de ropa, de construcción, militar, de atención médica y de fabricación son las industrias de vanguardia que exploran el espacio 4D, según el medio de noticias de nicho 3Dprint.com.

La verdadera maravilla de esta tecnología radica en su potencial de horizonte lejano. El éxito actual de imprimir una silla autoplegable simple tiene a los investigadores y entusiastas de 4D soñando con implantes médicos adaptativos y edificios autoconstruidos.

"La impresión [cuatridimensional] aún se encuentra en sus primeras etapas", señaló Xiao, cuyos esfuerzos de investigación se centran actualmente en el control de calidad en la fabricación aditiva, basada tanto en 3D como en 4D, incluido el dominio de la estructura y el diseño que se transforman a sí mismos. "Pero es una tecnología emocionante que tiene el potencial de cambiar la forma en que fabricamos objetos. Mantener la creatividad es imperativo para que las personas puedan volver a imaginar la línea de fabricación de lo digital a lo físico".

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Equipados con impresoras 3D comerciales, los investigadores comienzan ingresando material inteligente, también conocido como metamaterial. Estos textiles, que tienen las propiedades transformadoras únicas de los objetos 4D, comúnmente se fabrican con hidrogel o polímeros con memoria de forma. Los hidrogeles responden a la humedad, mientras que los polímeros con memoria de forma tienen la capacidad de recuperar su estado original después de la deformación.

"El ejemplo más simple de estos sería una esponja, un material que cambia de forma cuando se aplica presión", dijo Vineeth Venugopal, ingeniero de materiales del MIT.

Un ejemplo más complicado, dijo, sería una aleación con memoria de forma como el NiTinol. Hecho de titanio y níquel, puede volver a su forma original después de cualquier tipo de deformación.

"Estos materiales 'animados' podrían cambiar totalmente nuestro mundo".

Estos rasgos animados se pueden atribuir a un código geométrico preprogramado en el material. De acuerdo con sus instrucciones, el objeto impreso se activará una vez activado por un estímulo establecido que ocurra naturalmente en su entorno.

"Estos se llaman materiales inteligentes", dijo Venugopal, "y, si hay que creer en un informe reciente de la Royal Society [la academia científica independiente del Reino Unido], estos materiales 'animados' podrían cambiar totalmente nuestro mundo".

Construir con materiales que tengan propiedades activas, adaptativas y autónomas cambiaría las reglas del juego en todos los sectores, señala el informe de la Royal Society, más notablemente en industrias como la construcción y el transporte, así como en la medicina y los textiles.

La impresión en cuatro dimensiones "es el siguiente paso de la impresión en 3D", dijo Xiao, y señaló que no se puede tener una (4D) sin la otra (3D).

La diferenciación entre los dos comienza con el establecimiento de la base de ambas tecnologías. La impresión tridimensional es una técnica de creación rápida de prototipos comúnmente conocida como fabricación aditiva que deposita material capa por capa para fabricar objetos tridimensionales.

Este mismo mecanismo se utiliza en la impresión 4D para crear piezas. Sin embargo, la dimensión de bonificación que distingue a uno de otro se determina en la codificación geométrica de un objeto, como se detalla anteriormente, que da ese paso adicional antes de presionar imprimir. Aquí, los investigadores codifican la funcionalidad deseada del objeto en función de sus ángulos, medidas y dimensiones.

Entonces, así como la impresión 3D se trata de agregar profundidad a las limitaciones de una estructura 2D, 4D se trata de agregar un factor más a la composición dimensional: el tiempo. Más específicamente, cambiar con el tiempo. Mientras que los objetos impresos en 4D se transformarán en algún tipo de acción, las representaciones impresas en 3D mantienen su forma estática y rígida.

"[La impresión en cuatro dimensiones] puede crear objetos que pueden cambiar de forma y tamaño después de haber sido impresos, mientras que la impresión 3D es una forma más básica que solo puede crear objetos con una forma fija", dijo Xiao. "Es una creación distinta de la aplicación".

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Aún no comercializadas, las innovaciones en la impresión 4D todavía están restringidas a la investigación y la experimentación en laboratorio. Todas las aplicaciones que se están realizando, como un implante mamario que permite que crezca tejido sano en un paciente con cáncer, se consideran anomalías altamente experimentales que, antes de su uso generalizado, están pendientes de pruebas sustantivas y aprobación gubernamental.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que ya se ha sentado la base. Los casos de uso de la impresión 3D en el mundo real presagiarán lo que está por venir, al menos en un futuro cercano, para la impresión 4D. La experimentación inmediata tiene a los investigadores construyendo sobre décadas de pruebas de conceptos impresas en 3D, pero agregando un giro de activación automática.

Aquí hay un vistazo a algunos desarrollos de impresión 4D.

El ejemplo anterior, que presenta un implante mamario 4D biodegradable, es un ejemplo de ingeniería de tejidos iniciado por investigadores del laboratorio nacional de la Universidad Xi'an Jiaotong. Esta aplicación particular se ha desarrollado desde entonces, utilizando adhesivos celulares conocidos como andamios o biomateriales diseñados para promover el crecimiento celular en la formación de nuevos tejidos funcionales. En este caso, se crea una capa estructural aditiva a partir de los andamios que se activan fototérmicamente para moverse con el cuerpo y mantener la forma a medida que se regeneran los tejidos no cancerosos.

Un grupo de investigadores de la Universidad George Washington está utilizando la ingeniería de tejidos para construir parches cardíacos hechos de tinta a base de gelatina. Estas tiritas biológicas pueden reparar el daño del músculo cardíaco, sin necesidad de pegamento. La estructura reticulada está diseñada para estirarse con la expansión y contracción del corazón del paciente.

Además, a partir de aceite de soja renovable, otro grupo con sede en la Universidad George Washington desarrolló una resina biocompatible que cambia de forma cuando interactúa con una fuente de calor y luego vuelve a su forma predeterminada cuando la temperatura se estabiliza. Más adelante, los investigadores creen que el material puede usarse para el crecimiento de células madre utilizando la médula ósea.

Inspirados en gusanos parásitos, los theragrippers son microdispositivos de metal con forma de estrella hechos de una película que cambia de forma y diseñados para llevar cualquier tipo de droga a una parte específica del cuerpo y liberarla lentamente. Están recubiertos con cera de parafina sensible al calor que se adhiere al tracto intestinal del paciente. Una vez integrados, comienzan a administrar el fármaco una vez que coincide con la temperatura corporal del huésped. Esta tecnología, iniciada por investigadores de la Universidad Johns Hopkins, tiene el tamaño de una mota de polvo y tiene el potencial de transportar una dosis de cualquier tipo de fármaco.

Otro enfoque, iniciado por investigadores de la Universidad Tecnológica de Michigan, utiliza tinta magnética impresa en 3D infundida con micropartículas. Las propiedades magnéticas de las micropartículas se pueden manipular de forma remota para eliminar obstrucciones dentro del tracto gastrointestinal, recuperar muestras de tejido y administrar tratamiento en un lugar específico dentro de un paciente.

Se están explorando dos tipos de stents vasculares impresos en 4D (soportes tubulares temporales, a menudo hechos de malla metálica, cosidos en los vasos para promover el flujo sanguíneo) con la aplicación de la memoria de forma. Un algoritmo genético está codificado en el objeto, que luego simula un vaso sanguíneo sano mediante la rápida expansión de vías estrechas, según han descubierto investigadores del Instituto de Tecnología de Harbin en China.

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Los robots blandos son creaciones biomiméticas que intercambian hardware duro por materiales compatibles que se parecen más a los organismos vivos. Su composición de hidrogel proporciona una estructura flexible que cambia de tamaño y forma, haciéndolos más aplicables a casos de uso que requieren un tacto más suave, según un estudio publicado en la revista científica Polymer.

La suavidad y versatilidad que ofrecen estos prototipos 4D aporta valor a áreas como la médica y la biónica.

Dos investigadores de la Universidad de Rice dicen que no están muy lejos de la impresión 4D de implantes biomédicos que cambian de forma. Con la ayuda de una tinta de polímero de cristal líquido, su enfoque desvincula el proceso de impresión de la transformación autónoma del objeto para optimizar el control de la forma e imprimir estructuras más complejas, según informa la publicación de tecnología sanitaria Tectales.

Los laboratorios de autoensamblaje del MIT han desarrollado un prototipo de entrada de aire de motor a reacción morphing a partir de fibra de carbono programable. A diferencia de sus contrapartes mecánicas, este modelo es liviano, minimiza los mecanismos propensos a accidentes y opera independientemente de la electrónica, sensores o actuadores, según investigadores de la Universidad del Aire.

Se cree que los microdrones autoensamblables son la próxima evolución de los cuadricópteros impresos en 3D personalizables y de pleno derecho actualmente en uso. Otras aplicaciones incluyen puentes autorreparables (en caso de que se formen grietas) y refugios autoensamblables.

Uno de los proyectos en curso del Self Assembly Lab del MIT, la confección textil activa, ha incursionado en la experimentación de fibras inteligentes que reparan prendas autoajustables. Estos dispositivos portátiles pueden adaptarse a la forma y el movimiento del cuerpo en respuesta al calor y la humedad.

Específicos para aplicaciones militantes, las pruebas en proceso incluyen camuflaje camaleónico que refleja su patrón de color para que coincida con su entorno mientras se mueve en tiempo real, así como uniformes blindados con materiales inteligentes que protegen a los soldados contra gases tóxicos.

Imagina un almacén lleno de cajas. Ahora, cambie el estándar de cartón por un material inteligente imbuido de memoria de forma y polímeros activados por luz codificados para plegarse y ensamblarse automáticamente. ¿Difícil de imaginar? Bueno, probablemente se deba a que es un nivel completamente nuevo de automatización en desarrollo.

Un estudio de viabilidad de 2015 del Instituto de Tecnología de Georgia demostró esto utilizando polímeros con memoria de forma que responden térmicamente. La técnica permitió un procedimiento de fabricación con "promesas de avanzar en aplicaciones de ingeniería inmediatas para una producción masiva, rápida y de bajo costo", según el estudio.

Los usos potenciales de esta tecnología incluyen cartones de leche, bolsas de compras y bolsas de aire para automóviles.

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El arquitecto espacial de la NASA, Raúl Pulido Casillas, imprimió en 4D un tejido inteligente hecho de malla metálica plateada con regulación térmica incorporada en los trajes de astronauta y las cubiertas de las naves espaciales. Los bloques de espejos reflectantes reflejan el calor en el exterior mientras aíslan en el interior.

Una coincidencia escrita en las estrellas, la impresión 4D ofrece soluciones de fabricación duraderas y económicas para proyectos aeroespaciales que pueden programarse para soportar condiciones severas o incluso ajustarse y modificarse a un entorno cambiante. El estudio de Polymer descubrió que los materiales 4D termoplásticos livianos que se utilizan para reparar satélites, herramientas o piezas de naves espaciales pueden reducir la masa de una pieza fabricada tradicionalmente hasta en un 80 por ciento.

Además de desarrollar materiales sensibles al calor para termorregular mejor sus motores, la corporación aeroespacial europea Airbus está buscando cambiar sus bisagras y actuadores hidráulicos por componentes impresos en 4D tipo Lego programados con metamateriales reactivos. Esto aligera significativamente la carga de cada vehículo al tiempo que agrega funcionalidad.