¿Qué pasaría si los objetos que podemos fabricar tridimensionalmente pudieran comportarse como organismos vivos, detectando estímulos externos (luz, temperatura, humedad, campos eléctricos o magnéticos) y reaccionando y adaptándose a su entorno? ¿Qué ocurriría si fueran capaces de doblarse, ensamblarse, repararse o incluso desintegrarse por sí solos cambiando de forma, tamaño, color o función? ¿Y si también pudieran volver luego a su estado original? Todas estas hipótesis pueden parecer descabelladas de entrada, casi ciencia ficción, pero son realidad.
Combinando los avances en la tecnología 3D con el uso de los denominados materiales inteligentes y la aplicación de un modelo matemático para programar (y predecir) su comportamiento todo esto ya es posible. Laboratorios y grupos punteros de investigación de todo el mundo trabajan desde hace unos años en una versión superior de la impresión digital para crear objetos tridimensionales autónomos, sin cables ni circuitos.
Imaginemos ahora una prenda de ropa que cambia de color en función del entorno o en unas zapatillas de deporte que se transforman y adaptan al pie en base al movimiento y al impacto. En un mueble plano que se dobla solo y se despliega para ahorrar espacio, en un coche con ruedas que se reparan por sí mismas si tienen un pinchazo o en tuberías que se expanden o se contraen según el caudal de agua. Pensemos también en implantes que se adecúan al cuerpo de un niño según va creciendo y se disuelven cuando ya no son necesarios, o en tejidos de malla especiales que reflejan luz por un lado y la absorben por la otra y que pueden plegarse de muchas formas diferentes, ideales para crear trajes de astronautas, para construir antenas espaciales o para servir de escudo a naves y satélites contra el impacto de meteoritos.
Todo eso, y más, es la impresión 4D: el siguiente gran reto del diseño industrial, un cambio radical en nuestra comprensión de las estructuras, la revolución que no para de evolucionar. “Estamos en los albores, emergiendo con fuerza, pero aún es algo incipiente”, afirma Carlos Sánchez Somolinos, investigador del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) en el INMA (Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón), donde dirige el Laboratorio de Manufacturación Avanzada (AML), y miembro también del Comité gestor de la «Plataforma Temática Interdisciplinar del CSIC para el desarrollo de la Fabricación Aditiva». Sánchez Somolinos es uno de los científicos españoles que más sabe de estructuras 4D. Con su equipo lleva a cabo proyectos muy prometedores en campos como la biomedicina y la robótica blanda. Este es un ejemplo:
Orígenes de la impresión 4D
Pero veamos primero cómo empezó esta historia fascinante. Hace no tantos años, pensar en el término impresión implicaba imaginar una serie de hojas de papel escupidas en tinta por una máquina más o menos ruidosa. Hasta que a finales de la década de los años 70 llegó la impresión 3D, una de las tecnologías más innovadoras y disruptivas en el campo de la fabricación moderna. ¿En qué consiste exactamente? Esta técnica permite crear objetos tridimensionales por adición, capa a capa, usando filamento en lugar de tinta. Es decir, las piezas aquí no se funden ni se moldean o perforan, sino que el material utilizado (plástico, pero también cerámica, metales, resinas e incluso materiales biológicos) se va depositando en capas sucesivas hasta dar forma y crear el objeto deseado.
Pese a que la tecnología 3D ha avanzado mucho desde sus inicios, no hemos llegado ni mucho menos al punto de que haya una impresora de este tipo en cada hogar. Sin embargo, sí se utiliza bastante en campos como la robótica, el de la salud o la ciencia aeroespacial, ya que permite fabricar estructuras únicas, muy personalizadas. Por ejemplo, ya se han construido casas en 3D (y se planea fabricar vecindarios enteros), la NASA ha diseñado viviendas con el objetivo de instalarlas algún día en Marte, y también existen obras de arte, muebles y juguetes creados con esta tecnología, incluso ya se fabrican impresoras 3D con piezas impresas precisamente con impresoras 3D.
El factor tiempo
Pero vayamos a la impresión 4D. Su base es la tecnología de fabricación digital. Es evidente que sin ella no sería viable. Pero entra en juego un nuevo elemento que se añade a la ecuación: el tiempo. Al integrar esa nueva dimensión, la cuarta “D”, los objetos tridimensionales pueden transformarse de forma dinámica. Y sin intervención humana que ayude en el proceso. Se trata de un concepto extremadamente vanguardista.
El precursor de esta tecnología emergente e innovadora es el estadounidense Skylar Tibbits, arquitecto, científico informático y fundador y coordinador del Laboratorio de Autoensamblaje (el Self-Assembly Lab) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). La presentó al mundo en febrero del 2013 en California durante una charla TED (siglas de Tecnología, Entretenimiento y Diseño) que revolucionó el mercado de la impresión 3D. Tibbits mostró por vez primera un prototipo que permitía agregar una nueva característica a esta tecnología e imprimir objetos que cambiaban de forma con autonomía y se autoensamblaban con el paso del tiempo.
Una de las primeras cosas en las que pensó Skylar Tibbits al profundizar en esta nueva técnica es que podría emplearse para hacer tuberías inteligentes. Fabricándolas en 4D podrían cambiar de forma y tamaño según el volumen de agua y también se repararían por sí solas en caso de fuga, lo que evitaría tener que desenterrarlas y cambiarlas, un trabajo mucho más lento y caro. En su laboratorio también surgieron otras ideas, algunas de las cuales se exhibieron en el Design Miami de 2017. Una fue la Liquid Printed Light (Luz Impresa Líquida), una estructura de caucho de silicona que —como explicó Tibbits— se imprime en tamaño pequeño y luego se estira alrededor de una luz (el estímulo) para crear una superficie mucho más grande, lo cual ahorra tiempo y material de impresión:
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Otra aplicación fue el Liquid Printed Bag, un bolso fabricado con la misma técnica e idéntico material:
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La clave está en los materiales
Si bien la base de la tecnología 4D está en el proceso mismo, su enorme potencial se debe fundamentalmente a los materiales que se utilizan para fabricar los objetos. Recordemos que todas las piezas impresas en 3D tienen algo en común: una vez que se han imprimido no pueden cambiar. Son objetos pasivos, rígidos e inmutables. “Los objetos 3D son muy bonitos, pero son inanimados, como el plástico, el metal o la cerámica”, apunta Sánchez Somolinos.
Pero eso era hasta ahora, claro. Las estructuras fabricadas en 4D están formadas por los denominados materiales inteligentes (smart materials), que contienen componentes funcionales o reactivos diseñados matemáticamente, programados para responder a estímulos externos específicos y que les hacen ser capaces de hincharse, encogerse o doblarse, de moverse y cambiar de forma, incluso de color. De ser adaptables y dinámicas, en definitiva. Bastien E. Rapp, director del laboratorio de tecnología de procesos NeptunLab, de la Univesidad de Friburgo (Alemania), lo resume de la siguiente manera: “La impresión 4D es la forma funcional de la impresión 3D. En lugar de imprimir solo estructuras físicas, ahora podemos imprimir funciones. Es como incorporar un fragmento de código en un material: una vez activado, logra hacer lo que has programado”. “Sí, de alguna manera es como si los objetos estuvieran vivos”, añade Sánchez Somolinos.
¿Y qué materiales hay disponibles en el universo 4D? Existen varios. Los hay termosensibles, reactivos a la humedad, de respuesta a la luz, a la corriente eléctrica, a campos magnéticos… Es cierto que todavía no hay tantos como los empleados en la impresión 3D, pero podemos destacar tres tipos:
- Polímeros con Memoria de Forma (PMF). Son capaces de memorizar una forma macroscópica, preservarla durante cierto tiempo y volver a su forma original bajo el efecto del calor, sin ninguna deformación residual. Otros estímulos que también pueden causar la transformación son un campo magnético, eléctrico o la inmersión en agua.
- Elastómeros de Cristal Líquido (LCE). Contienen cristales líquidos sensibles al calor. Al controlar su orientación, se puede programar la forma deseada: bajo el efecto de la temperatura, el material se relajará y se transformará de acuerdo con el código programado. Lo vemos en este otro ejemplo del Laboratorio de Manufacturación Avanzada (AML):
- Hidrogeles. Son cadenas de polímeros hechas principalmente de agua y reaccionan en contacto directo con ella o con la humedad, llegando a aumentar su tamaño en un 200 %. Se usan mucho en medicina por su biocompatibilidad.
¿Y la madera? ¿Es también un material smart?
Pues sí lo es. En algunos procesos de impresión 4D se utilizan compuestos a base de madera que se agregan a polímeros o hidrogeles.
Y también se emplean fibrillas de celulosa derivadas de ella. En el Wyss Institute de la Universidad de Harvard, un grupo de investigadores liderado por la científica estadounidense e ingeniera de materiales Jennifer Lewis está usando una tinta compuesta de hidrogel de celulosa receptiva para fabricar de forma programable arquitecturas inspiradas en las plantas que cambian de forma al sumergirse en agua, dando lugar a complejas morfologías tridimensionales. Estas fibras son similares a las microestructuras que permiten los cambios de forma en las flores.
4D Printing: Shapeshifting Architectures from Wyss Institute on Vimeo.
Mirando y replicando la naturaleza
Precisamente, esa es otra de las claves de esta nueva tecnología y de los materiales inteligentes: replicar la biología. La impresión 4D surge de la inspiración botánica. Es lo que se denomina biomimética: tener la naturaleza como modelo, como medida y como guía, lo cual conduce a la impresión de arquitecturas cambiantes que imitan los movimientos naturales de las plantas. “Las hojas, la madera, tienen una serie de fibras que no están colocadas al azar —dice Sánchez Somolinos—, sino que están dispuestas de una manera estratégica dictada por la naturaleza, por el perfeccionamiento de millones de años de evolución”. “Tengo un pequeño huerto y por las tardes, cuando hace mucho calor, todas las hojas de mis plantas se encogen en la misma dirección y si reciben agua, vuelven a estirarse”, añade. Como el movimiento de los girasoles o de la malva de Cornualles, que pueden rastrear la posición solar a lo largo del día y girar para mirar hacia el amanecer a pesar de carecer de un sistema nervioso central.
La investigadora de materiales y divulgadora científica Anna Ploszajski también pone como ejemplo el funcionamiento de la piña (del pino) como material inteligente natural. Resulta que la piña tiene dos capas de fibras rígidas que van en diferentes direcciones y que hacen que el cono se abra o se cierre. ¿Cómo? Pues cuando el tiempo es propicio para la germinación en el suelo (si hay calor y sequedad) es cuando se abre y suelta las semillas. Está programada para ello. Por el contrario, permanece cerrada protegiendo las semillas si la humedad es elevada. La piña viene así de serie:
Horizonte: desafíos y oportunidades
El futuro es 4D, dicen los expertos. Algunas investigaciones parecen más avanzadas. Es el caso del proyecto europeo de investigación PRIME coordinado por el propio Sánchez Somolinos, y financiado con casi 3 millones de euros, para el desarrollo a través de ECL (Elastómeros Cristal Líquidos) de la próxima generación de dispositivos microfluídicos activos, capaces de manejar de forma autónoma cantidades muy pequeñas de fluidos para llevar a cabo análisis bioquímicos de manera sencilla y en un tiempo menor. Si bien uno de los ejemplos más populares son los test de embarazo, o en la actualidad los de antígenos para detectar Covid-19, esta tecnología tiene también otras múltiples aplicaciones médicas, medioambientales, alimentarias, biotecnológicas o relacionadas con la seguridad y la práctica veterinaria. Otra de las investigaciones a nivel europeo en las que se ha embarcado el equipo del investigador zaragozano se llama STORM-BOTS y consiste en generar materiales inteligentes orientados a robótica blanda, que permitan realizar distintas funciones (agarrar, mover, retirar…) con aplicaciones muy directas en cirugía mínimamente invasiva. “Sin perforar ningún tejido del paciente, lo que permite interaccionar de forma más segura”, señala Sánchez Somolinos.
Sin embargo, la mayor parte de las potenciales aplicaciones de impresión 4D son eso todavía: posibles y hasta probables. Pero aún no han salido del laboratorio, ya que están en fase experimental de investigación y desarrollo. Este es uno de los principales desafíos de esta innovadora tecnología. “No hay todavía nada comercial que se fabrique y se venda en Amazon”, afirma Sánchez Somolinos.
Sabemos de sus ventajas de fabricación —los objetos pueden «recordar» su forma, cambiar de tamaño después de la impresión, lo que permite imprimir objetos grandes en impresoras más pequeñas, y es sostenible, ya que no generaría desperdicios y utilizaría materiales naturales y reciclados—, pero para lograr que se establezca en el mercado y en la fabricación a gran escala, es decir, que esté al alcance del ciudadano, esta tecnología deberá superar antes varios obstáculos tecnológicos: tener más impresoras de múltiples materiales, que además sean más baratas; disponer de más materiales inteligentes adecuados, con propiedades y respuesta apropiados; y que los materiales también sean menos costosos. Otro de los cuellos de botella en su desarrollo es saber si podemos confiar en los objetos impresos en el largo plazo.
No obstante, se espera que esta “incipiente” impresión 4D, como la define Sánchez Somolinos, vaya a más en los próximos años. Llevará cierto tiempo alcanzar la madurez tecnológica, pero hoy ya sabemos que su potencial no tiene precedentes y que, por tanto, es muy posible que forme parte de nuestra vida cotidiana de maneras que ni siquiera ahora podemos imaginar. “Estamos justo en el momento en que empezamos a tener más materiales, que son las herramientas, y a dotarlos de morfología y funcionalidades, pero de ahí hay que dar todavía el gran salto a las aplicaciones reales. El futuro es prometedor”, concluye.
¿Y tú? ¿Crees que el diseño y las estructuras impresas 4D impactarán en nuestra vida cotidiana pronto? Coméntalo en redes sociales a través del hashtag #ConectionsByFinsa
