¿Qué es la impresión 4D y en qué se diferencia de la impresión 3D?

Image Credit: Made360/.com

Los científicos buscan ahora la cuarta dimensión para crear una nueva generación de materiales inteligentes impresos capaces de cambiar su forma.

Impresión 3D frente a impresión 4D

La impresión tridimensional, también conocida como fabricación aditiva, toma un plano digital y lo convierte en un objeto físico mediante el diseño asistido por ordenador (CAD).

Se construye una estructura 2D repetitiva, capa a capa, de abajo a arriba hasta completar una construcción 3D. El objeto terminado se caracteriza por su rigidez e incapacidad para cambiar de forma, como cualquier pieza típica de metal o plástico.

El proceso de impresión en 4D es esencialmente el mismo: utiliza las mismas impresoras 3D y el ordenador ejecuta el mismo programa para depositar material en capas sucesivas hasta que se forma una estructura 3D.

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Sin embargo, la impresión en 4D añade una nueva dimensión, en la que la estructura puede cambiar de forma con el tiempo. Requiere la incorporación de materiales únicos y diseños personalizados en el programa para que la impresión 3D cambie de forma cuando sea provocada por un estímulo específico, como el calor, el agua o la luz.

Este ingrediente programable -un hidrogel o polímero con memoria de forma- es capaz de alterar su forma física o sus propiedades termomecánicas de forma programable en función de la entrada del usuario o de la detección autónoma.

Los hidrogeles pueden absorber grandes cantidades de agua y pueden ser programados para encogerse o expandirse con los cambios en el entorno externo. Los polímeros con memoria de forma pueden volver a su forma original a partir de una deformación cuando se aplica un estímulo.

Mientras que la impresión 3D contiene las instrucciones para imprimir capas de material sucesivamente, la impresión 4D añade un código geométrico preciso al proceso basado en los ángulos y dimensiones de la forma deseada. Proporciona a la forma memoria e instrucciones sobre cómo moverse o adaptarse en determinadas condiciones ambientales.

Investigación sobre formas impresas en 4D

Hay muchas instituciones y empresas que actualmente investigan formas impresas en 4D y sus posibles aplicaciones.

El Laboratorio de Autoensamblaje del MIT alberga un proyecto que combina la tecnología y el diseño para inventar tecnologías de autoensamblaje y materiales programables con el fin de reimaginar la construcción, la fabricación, el ensamblaje de productos y el rendimiento.

Una de las novedades consiste en que una estructura plana impresa se pliega lentamente en otra conformación cuando se coloca en agua caliente. Esto podría permitir la impresión de estructuras mucho más grandes a pequeña escala para ampliarlas o desplegarlas en una fase posterior.

El laboratorio ha estado investigando la madera programable, que podría ampliarse para el autoensamblaje de muebles. Imagina un tablero plano impreso en 4D que se enrosca en una silla añadiendo agua o luz.

Crédito del vídeo: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

El fundador del laboratorio, Skylar Tibbits, cree que la tecnología tiene un gran potencial en muchas áreas, incluida la industria de la moda. Prevé la posibilidad de que las zapatillas deportivas cambien su ajuste en los pies en función de lo que se esté haciendo, y de que la ropa pueda alterar su composición en respuesta al clima.

Sin embargo, es más probable que nos crucemos con la impresión 4D en forma de implantes médicos o sistemas mecánicos que cambien de configuración en diferentes condiciones ambientales.

Investigadores de la Universidad de Wollongong (Australia) han desarrollado una válvula de agua impresa en 4D que se cierra cuando se expone al agua caliente, y se vuelve a abrir una vez que la temperatura se ha enfriado. Utiliza una tinta de hidrogel que responde rápidamente al calor.

La impresión 4D podría utilizarse en biotecnología o en medicina. Por ejemplo, los stents impresos en 4D podrían colocarse en los vasos sanguíneos y expandirse cuando lleguen a la zona adecuada, añadiendo un soporte adicional. También podrían utilizarse en cápsulas de fármacos que cambian de forma para liberar el medicamento una vez que llegan a su destino.

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Investigadores de la Universidad George Washington han desarrollado un tipo de resina líquida fotocurable e imprimible en 4D a partir de un compuesto renovable de acrilato epoxidado con aceite de soja. Podría utilizarse como andamio para el crecimiento de células madre de la médula ósea.

Otras aplicaciones médicas podrían incluir proteínas autorreconfigurables o proteínas autoplegables, otro proyecto del Laboratorio de Autoensamblaje del MIT.

Entre los usos adicionales se encuentran las tuberías autorreparables que alteran su diámetro en respuesta a la demanda de agua y el caudal, y curan las grietas o roturas en sí mismas. Este tipo de materiales sería ventajoso en entornos extremos como el espacio, ya que las formas transformables de los materiales impresos en 4D permitirían construir puentes y refugios, o la posibilidad de autorrepararse cuando se dañen por las inclemencias del tiempo.

La arquitectura también podría beneficiarse, ya que las fachadas adaptables o los tejados que se abren y cierran solos y que se activan con el clima también están entre las aplicaciones futuras.

El futuro de la impresión en 4D

La tecnología de impresión en 4D se encuentra todavía en una fase muy temprana de investigación y desarrollo.

Actualmente, los únicos lugares susceptibles de albergar formas impresas en 4D son los laboratorios y las instalaciones de creación de prototipos, así como algunas exposiciones arquitectónicas e instalaciones artísticas.

El futuro parece prometedor y, al igual que con la impresión en 3D, la lista de posibles aplicaciones es enorme. El uso de este tipo de materiales inteligentes podría revolucionar el mundo de los materiales tal y como lo conocemos.

Referencias y lecturas adicionales