La tecnología 4-D permite crear estructuras complejas que se pliegan solas

Un equipo de investigadores acaba de demostrar que una tecnología de impresión en cuatro dimensiones permite la creación de complejas estructuras capaces de plegarse por sí mismas. Esto ha sido posible gracias al uso de componentes hechos de materiales con memoria de forma.

En 2013, científicos de la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.) ya desarrollaron una cuarta dimensión en tecnología de impresión, para aplicaciones biomédicas. En aquel caso, se incorporó una "memoria de forma" a fibras de polímero de materiales compuestos utilizados en impresión 3D tradicional. La forma de los materiales se controlaba en aquel caso mediante calentamiento o enfriamiento.
 
Por otra parte, científicos australianos del Centro ARC de Excelencia para la Ciencia de Electromateriales de la Universidad de Wollongong (Australia) también han desarrollado hace poco un sistema de impresión en 4D, con piezas impresas en 3D que cambian de forma como consecuencia de la temperatura del agua o del calor. En esta ocasión, lo que se creó fue una válvula médica que se acciona o se apaga en respuesta a la temperatura del agua circundante.

Las extraordinarias capacidades de la impresión 3D ya habían comenzado a infiltrarse en la industria y los hogares, pero ahora se busca que estos objetos también puedan transformarse, en su fase de postproducción, bajo la influencia de estímulos externos. Esta ciencia innovadora promete avances en multitud de campos: la medicina, la construcción, la automatización y la robótica, entre otros.
 
Polímeros con "memoria de forma"
 
El nuevo avance en esta dirección lo han realizado investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Singapur de Tecnología y Diseño (SUTD).

Estos científicos han desarrollado una nueva tecnología para crear estructuras 3D que secuencialmente se plieguen por sí mismas, a partir de componentes planos o enrollados, inicialmente metidos en un tubo para su envío.

Como en los anteriores casos, los componentes se modificarían como respuesta a estímulos tales como la temperatura, la humedad o la luz, para generar nuevas estructuras espaciales como dispositivos médicos, robots, juguetes, etc.
 
Los investigadores utilizaron polímeros inteligentes con "memoria de forma" (SMPS) con la capacidad de recordar una forma y cambiar a otra en un tiempo programado, al aplicar calor uniforme. La capacidad de crear objetos que cambien de forma en una secuencia controlada en el tiempo se habilita mediante la impresión de varios materiales con diferentes propiedades mecánicas y dinámicas, prescritas en las pautas de todo objeto 3D.
 
Cuando se calientan estos componentes, cada SMP cambia de forma a una velocidad diferente, en función de su propio reloj interno. Así, cronometrando cuidadosamente estos cambios, los objetos 3D pueden ser programados para autoensamblarse.  La investigación salió a la luz el pasado ocho de septiembre en la revista Scientific Reports.

Patrones a seguir
 
Las estructuras autoplegables empleadas en el presente trabajo contienen cantidades variables de diferentes polímeros con “memoria de forma” .

El patrón inicial de las estructuras está hecho con una impresora 3D y permite que los componentes con forma plana resultantes tengan una respuesta temporal variable a los mismos estímulos. Para ello, requieren de la aplicación de calentamiento en lugares específicos de la estructura plana.
 
"Los esfuerzos previos para crear componentes de forma secuencialmente cambiante han implicado colocar varios calentadores en regiones específicas de un componente, y luego controlar el tiempo de encendido y apagado de dichos calentadores individuales", explica Jerry Qi, profesor en el W. Woodruff Escuela de Ingeniería Mecánica George en Georgia Tech.

"Este enfoque anterior requería esencialmente del control de la aplicación de calor en todo el componente, tanto en el espacio como en el tiempo, y eso es complicado. Nosotros hemos dado una vuelta a este enfoque y  hemos utilizado una temperatura espacialmente uniforme, que es más fácil de aplicar, explotando la capacidad de los diferentes materiales para controlar internamente su tasa de cambio de forma, a través de su diseño molecular”.
 
El equipo ha demostrado que este enfoque funciona con una serie de ejemplos, entre ellos la transformación de una estructura plana en una configuración bloqueada, mediante el doblamiento de uno de sus extremos. También demostraron que una hoja plana puede plegarse hasta formar una caja 3D con solapas entrelazadas.

Todos estos ejemplos requieren del control preciso de la secuencia de plegado de diferentes partes de la estructura, para evitar las colisiones de los componentes durante el plegado.
 
El equipo utilizó para tal fin simulaciones de elementos finitos para predecir las respuestas de los componentes 3D impresos. Estas simulaciones se hicieron a partir de relaciones variables de dos polímeros con “memoria de forma” diferentes el uno del otro. También usaron un modelo para describir rápidamente y con precisión la física del proceso de autoplegado.
 
El equipo de investigación contempla una amplia gama de aplicaciones para su tecnología. Por ejemplo, un vehículo aéreo no tripulado podría cambiar de forma a otro vehículo capaz de sumergirse.

También sería posible que componentes en 3D diseñados para plegarse o enrollarse en tubos y fácilmente transportables, cambien de configuración cuando vayan a ser usados.

 Referencia Bibliográfica
 
Yiqi Mao, Kai Yu, Michael S. Isakov, Jiangtao Wu, Martin L. Dunn, H. Jerry Qi. Sequential Self-Folding Structures by 3D Printed Digital Shape Memory Polymers. Scientific Reports (2015). DOI: 10.1038/srep13616.