La impresión está lista para entrar en la cuarta dimensión (4D)

Aunque la impresión en cuatro dimensiones con metamateriales sigue siendo en gran medida una búsqueda académica, la técnica está lista para salir del laboratorio y estar disponible para los ingenieros y diseñadores en un futuro no muy lejano, dicen analistas y expertos. Tal vez, dicen algunos, antes del cambio de la década.

En octubre, alrededor de 50 asistentes se reunieron para la Conferencia Impresion 4D y Meta Materials en Amsterdam, Holanda, para escuchar a investigadores del Instituto de Física de Leiden, del Instituto de Sistemas Moleculares Complejos, de la Universidad Tecnológica de Eindhoven y del Instituto de Física Aplicada, entre otros, hablar de avances recientes en 4D y aplicaciones potenciales. La reunión ayudó a señalar que 4D es una tecnología viable, dicen los fundadores de la conferencia.

Tiempo o forma?
Algunos laboratorios de investigación se refieren a la cuarta dimensión como el tiempo, mientras que otros lo llaman cambio de forma. De cualquier manera, la técnica es muy similar a la que implica crear materiales que cambian de forma con el tiempo, dice Marc in het Panhuis. El encabeza el grupo de materiales blandos en la Universidad de Wollongong en Australia y es miembro del Centro de Excelencia ARC para la Ciencia Electromaterial de la universidad.

La técnica involucra crear materiales que cambian su forma con el tiempo, dice Marc in het Panhuis.

Los metamateriales mecánicos se definen por estructura más que por composición. Ellos podrían ser elásticos y programables, por ejemplo, por lo que la forma de un material - y por lo tanto su función - puede ser cambiada por la aplicación de la fuerza, dice Jo Geraedts, profesor de nuevo diseño mecatrónico en la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos.

La funcionalidad de cambio de forma está incorporada dentro de los materiales mismos, dice in het Panuis, y puede ser activada por cambios en la presión, temperatura, corriente, sonido u otras fluctuaciones en el entorno del material. Las estructuras se imprimen a partir del material que cambia la forma con una impresora 2D o 3D y luego proceder a tomar nuevas formas y usos, dice.

"No existe una impresora 4D, pero podemos usar una impresora 3D y con un diseño inteligente de materiales hacer una estructura impresa 4D", dice. En otras palabras, la estructura impresa en 3D cambia con el tiempo, "como en un juguete transformador", dice. A principios de este año, su equipo de robótica blanda demostró una válvula que se abre o cierra en respuesta a la temperatura del agua.

"Hasta ahora hemos impreso una válvula de gelatina que está listo justo cuando sale de la impresora 3D. Responde a la temperatura y se apaga sin que tengas que hacer nada ", dice in het Panhuis.

Moviendo Agua
Los investigadores generalmente dan crédito a Skylar Tibbits por acuñar el término impresión 4D en una charla de TED de febrero de 2013, "El surgimiento de la impresión 4D". Tibbits dirige el Self Assembly Lab en el Massachusetts Institute of Technology. Su laboratorio ha demostrado una manera de crear hilos tridimensionales de materiales o superficies bidimensionales que se pliegan en formas 3D o se transforman en otras formas 3D cuando se colocan en agua.

Esto es como robótica sin cables o motores, dice Skylar Tibbits del MIT.

"Esto es como robótica sin cables ni motores", dice Tibbits. "Imagínese si las tuberías de agua pudieran expandirse o contraerse, o incluso ondular para mover el agua ellos mismos."

(Ver un video de una cadena auto-plegable en una demostración en el laboratorio MIT de Tibbits.)

El Self-Assembly Lab primero imprime sus estructuras auto-plegables como hebras hechas de dos materiales, un polímero sintético que se expande a más de dos veces su volumen en agua y un segundo polímero que permanece rígido en agua. Los materiales tienen diferentes características de absorción de agua que activan un cambio de forma cuando entran en contacto con la humedad, dice Tibbits.

Los investigadores del MIT planean programar diferentes propiedades de material en cada partícula de la hebra o superficie y luego colocarlo en agua para activar el proceso de auto-ensamble. Las cualidades de los materiales también podrían codificarse para el color, transparencia, rigidez, flexibilidad y para otras propiedades.

Aunque la tecnología todavía tiene que salir del laboratorio, las aplicaciones y mercados para los procesos y materiales involucrados evolucionarán a medida que la tecnología avance, dice Tibbits.

Los objetos ya impresos con metamateriales, por ejemplo, también podrían ser transformados en otros objetos o adaptados a otro uso, ahorrando dinero y materiales, dice Tibbits. O bien, la técnica podría un día ser utilizada para incorporar programación y capacidades de simple toma de decisiones en materiales no electrónicos, ahorrando tiempo y dinero a los fabricantes.

Disponible en 2019?
Y ese día podría llegar pronto, como algunas empresas de investigación de mercado predicen que la tecnología podría llegar a ser comercialmente disponible en 2019.

En un informe de junio de 2015, la firma MarketsandMarkets pronosticó que el mercado mundial de impresión 4D podría alcanzar 63 millones de dólares en 2019 y ver una tasa de crecimiento anual compuesto superior al 40%, alcanzando más de $ 500 millones en 2025.

Un informe de junio de 2014 de la empresa de análisis Frost y Sullivan dice que la impresión 4D podría tener aplicaciones de gran alcance como la impresión de órganos humanos y tejidos artificiales, así como la creación de piezas para los procesos y equipos de fabricación y aeroespacial. La técnica también encontrará un nicho en electrodomésticos de consumo y sectores de estilo de vida para 2019, dice el informe.

El informe MarksandMarkets segmenta el mercado global de impresión 4D en mercados de materiales programables que incluyen fibra de carbono, grano de madera impreso personalizado y textiles. El segmento de fibra de carbono programable debería ser el mayor contribuyente al mercado total, con una participación de alrededor del 62% en 2019.

La fibra de carbono programable permite una amplia gama de aplicaciones, desde las aletas de avión transformables a válvulas de admisión de aire autorregulables, aerodinámica adaptativa y estructuras de rigidez sintonizables, según la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA, por sus siglas en inglés).

Las industrias militar, de defensa y aeroespacial representarán gran parte del crecimiento de la impresión 4D, según el informe. Se prevé que el sector representará una cuota del 55% del mercado en 2019, con el sector aeroespacial representando alrededor del 45% del mismo.

La forma de un material - y por tanto su función - se puede cambiar por aplicación de la fuerza, dice Jo Geraedts. 

Eso puede suceder porque, como señala Frost y Sullivan, la mayor parte del financiamiento para la investigación y el desarrollo de 4D, especialmente en los Estados Unidos, proviene de agencias gubernamentales y de defensa. Esta tendencia puede cambiar en los próximos años, ya que más fondos del sector público y privado fluyen hacia el sector.

Hasta entonces, los gastadores militares continúan financiando el desarrollo de la impresión 4D. A finales de 2013, por ejemplo, la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos otorgó a un trío de investigadores una subvención de $ 850,000 para crear materiales 4D.

Materiales 4D
Jennifer Lewis, del Lewis Research Group de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, se ha asociado con Anna Balazs, profesora de ingeniería química de la Universidad de Pittsburgh, y Ralph Nuzzo, profesor de química e ingeniería y materiales en la Universidad de Illinois, Urbana y Champaign, Ill., para crear materiales 4D que sean adaptativos, flexibles, ligeros y fuertes.

Materiales como estos ampliarán enormemente las capacidades de impresión 3D. Por ejemplo, podrían convertirse en parte del uniforme de un soldado, cambiando de color en cuestión de segundos a medida que el entorno del soldado cambia para camuflar mejor al portador, dice Balazs.

Más allá de las aplicaciones militares, los materiales 4D en los que trabaja el laboratorio podrían utilizarse como un revestimiento de automóvil que podría cambiar su estructura cuando viaja por una carretera salina o a través de aire húmedo. El cambio sería automático y podría ayudar a proteger el coche contra el óxido ", dice.

A través del uso de un material 4D que cambia la forma, funciones específicas como éstas podrían ser incorporadas en los niveles nano o micro de una estructura o podrían existir en toda la estructura oa través de sólo una gran parte, dice Lewis.

Mientras tanto, DARPA prevé la impresión 4D de robots de forma cambiante que pueden fluir como el mercurio a través de pequeñas aberturas para infiltrar cuevas y compartimientos, de acuerdo con su estado.

Esa imagen no puede ser demasiado exagerada, dice la Universidad de Wollongong profesor en het Panhuis.

"Si crees que 4D nos permite cambiar de forma con el tiempo, también puedes usarlo para crear materiales que simplemente desaparecen delante de tus ojos", dijo a la BBC a principios de este año. "James Bond puede imprimir un mensaje secreto que puede ser activado con el proceso de impresión 4D y luego desaparecer ante tus ojos".

Jean Thilmany
IEEE GlobalSpec
03 Noviembre 2015