¿Y si las tuberías pudieran arreglarse automáticamente si se agrietan o rompen, o la ropa cambiar de acuerdo al tiempo o a la actividad que esté realizando el usuario? Muebles que se montan solos, prótesis que se adaptan al crecimiento… Estas son solo algunas de las posibles aplicaciones que la tecnología de impresión 4D prevé llevar a cabo.

Imagen 1: Garra impresa en 4D modificando su forma. Fuente: Sculpteo.

La impresión 3D ha existido por casi 30 años y pese a seguir en proceso de investigación, descubriendo nuevos materiales y aplicaciones, nuevas tecnologías como la 4D han surgido.

En el MIT Self-assembly Lab, han desarrollado un proyecto del que la impresión 4D forma parte. Su propósito es combinar tecnología y diseño para inventar tecnologías de materiales programables y de autoensamblaje con el objetivo de reinventar la construcción, la fabricación, el ensamblaje de productos y el rendimiento. Por su parte, un estudio del Wyss Institute (perteneciente a la Universidad de Harvard) ha conseguido imprimir un objeto que, al entrar en contacto con el agua, modifica su forma resultando en una especie de florecimiento de sus extremos. Para ello desarrollaron un material basándose en estructuras naturales, como las plantas, al que durante el proceso de impresión le inyectaron fibras de celulosa.

Video 1: Arquitectura de cambio de forma. Fuente: Universidad de Harvard.

¿Qué es realmente la impresión 4D?

Inspirada en el principio de autoensamblaje, la impresión 4D es el proceso a través del cual un objeto impreso en 3D se transforma en una estructura diferente por la influencia de la entrada de energía externa como la temperatura, la luz u otros estímulos ambientales. Esto es, la obtención de un objeto mediante tecnología 3D que gracias a las propiedades del material con el que es fabricado, es capaz de cambiar cuando se le somete a un estímulo ambiental.

Esa es precisamente la diferencia entre la tecnología 3D y la 4D: la capacidad de los objetos de transformarse a través del tiempo sin intervención humana.

Materiales empleados

La clave de la impresión 4D no reside tanto en el proceso, basado en las consabidas impresoras 3D, sino en los materiales. Al tratarse de una tecnología bastante nueva, los materiales disponibles no son tan variados como los empleados para impresión 3D estándar. No obstante, existen algunos muy interesantes.

SMP (polímeros con memoria de forma)

Polímeros que se mantienen rígidos a temperatura ambiente y ofrecen propiedades especiales cuando alcanzan el punto de transición vítrea. Un ejemplo sería el TPU SMP de Convena: un filamento 4D con una composición basada en TPU (poliuretano termoplástico) que permite un post-procesado con el que modificar la forma de las piezas impresas en 3D. Gracias a su composición especial y a la tecnología Shape Memory Polymer, las piezas impresas con este filamento pueden ser modificadas manualmente, permitiendo adquirir otra forma y mantenerla en el tiempo.

El proceso de modificación de la forma de una pieza impresa en 3D con filamento TPU SMP consiste en introducir la pieza impresa en 3D en un recipiente con agua caliente hasta lograr que alcance su temperatura de transición vítrea. En ese momento, la pieza se ablanda y el usuario puede modificar su forma con facilidad. Una vez fría, la pieza mantiene la forma adquirida y permanece estable. Además, las piezas impresas en 3D con el filamento TPU SMP pueden recuperar la forma original revirtiendo el proceso llevado a cabo. Es decir, volviendo a alcanzar la temperatura de transición vítrea del material.

LCE (elastómeros de cristal líquido)

Contienen cristales líquidos que son sensibles al calor. Al controlar su orientación, se puede programar la forma deseada: bajo el efecto de la temperatura, el material se relajará y transformará de acuerdo con el código dictado.

Hidrogeles

Cadenas de polímeros formadas principalmente por agua, particularmente usadas en procesos de fotopolimerización. Estos últimos están centrados en el sector médico debido a su biocompatibilidad.

Además, algunos procesos de impresión 4D pueden usar varios materiales; principalmente compuestos como la madera o el carbono, que se agregan al SMP o a los hidrogeles. De esta forma se obtienen objetos con zonas rígidas y otras móviles.

Aplicaciones

Teniendo en cuenta las múltiples ventajas que nos ofrecen materiales tan inteligentes, las aplicaciones de la impresión 4D son innumerables.

Construcción

La construcción de estructuras adaptadas a las condiciones climáticas como puentes, refugios u otro tipo de instalaciones supondría una enorme paso adelante en este campo. Ladrillos 4D capaces de modificar paredes y techos que se adapten al entorno permitirían modificar las condiciones del interior y mejorarlas.

Video 2: Madera programable. Fuente: Self-Assembly Lab, MIT.

Medicina

En este caso, la impresión 4D ofrece la posibilidad de crear dispositivos a medida, inteligentes y en evolución. Por ejemplo, al imprimir un implante 4D, se podría controlar más fácilmente su estado y viabilidad una vez integrado en el paciente.

Este concepto es aplicable a toda la medicina regenerativa y la fabricación de estructuras celulares. La impresión 4D permitiría a las células adaptarse al cuerpo humano dependiendo de su temperatura, por ejemplo. Si hablamos de medicamentos, sería posible por ejemplo la impresión de un dispositivo que liberase la dosis necesaria dependiendo de la temperatura del cuerpo del paciente.

Transportes

Hace algunos meses, BMW y el MIT presentaron su material inflable, el cual cambia de forma y tamaño bajo el efecto de pulsos de aire. Las aplicaciones son muy interesantes ya que en el futuro podríamos poseer neumáticos que se autoreparen en caso de pinchazo o se adapten al terreno y a las condiciones climáticas del entorno.

En el caso de la industria aeronáutica, un componente impreso en 4D podría reaccionar a la presión atmosférica o los cambios de temperatura y, por lo tanto, cambiar su función. Airbus actualmente trabaja en estos desarrollos, dado que estos componentes podrían reemplazar las bisagras y los actuadores hidráulicos, aligerando significativamente los dispositivos. Además, también está trabajando en el desarrollo de materiales que reaccionan al calor para enfriar los motores de sus aviones.

Raúl Pulido Casillas, un ingeniero español, ha creado para la NASA una tela inteligente con impresión 4D. La malla metálica, formada por piezas unidas de plata, lleva programada en su impresión la regulación térmica. Es decir, no solo ha sido impresa su forma, sino también la función de los materiales. Al ser capaz de reflejar el calor por fuera y mantenerlo por dentro, podría ser un elemento ideal para fabricar trajes de astronauta o recubrir naves espaciales.

Moda

En la industria textil, la impresión 4D también encuentra su lugar. La posibilidad de imprimir unos zapatos que se adapten al movimiento, el impacto, la temperatura y la presión atmosférica es una posibilidad. El ejercito de estados unidos ya ha hecho una incursión en este campo y se encuentran ensayando unos uniformes que cambian de color según el entorno, o que regulan la transpiración dependiendo del pulso del soldado o la temperatura ambiente.

A pesar de encontrarnos todavía en sus inicios, es seguro que la tecnología 4D revolucionará la fabricación y la naturaleza de los objetos durante los próximos años, como en su momento hizo la impresión 3D.