En esta entrada continuamos conociendo más sobre la nueva tecnología que es la impresión 4D o la impresión de cuarta dimensión, que también es conocida como bioimpresión o sistema de transformación de forma, consiste en transformar la naturaleza de un objeto que ha sido manufacturado bajo la impresión tridimensional.
El concepto de la impresión 4D nació gracias al arquitecto y académico Skylar Tibbits, quien en una reunión con miembros de Stratassys, les preguntó por qué los objetos que resultan de impresión 3D no pueden doblarse. De esta manera el Laboratorio de Autoensamblaje del Massachusetts Institute of Technology, fundado por el propio Tibbits, se ha convertido en el centro pionero en esta tecnología y cuyos estudios son fundamentales para su desarrollo.
Por lo que en esta entrada conoceremos las diferencias que tiene con la impresión 3D y cuales son los campos en donde la impresión 4D puede convertirse en un gran aporte para la industria. Así que continuemos conociendo más de ella:
LA IMPRESIÓN 4D
Vamos a refrescar el concepto de esta tecnología. Según Bastien E. Rapp del laboratorio de procesos NeptunLab, “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”.
Por ello, los materiales que se usan en esta novel tecnología son conocidos como smart materials o materiales inteligentes, ya que los mismos deben ser programados para que puedan alterar su forma o alguna propiedad gracias a la reacción que tenga a algún estimulo.
DIFERENCIAS ENTRE LA IMPRESIÓN 3D Y LA IMPRESIÓN 4D
Ambas tecnologías están íntimamente relacionadas, por cuanto la impresión 4D se encarga de darle una nueva dimensión o propiedades al objeto que ha resultado de la impresión 3D. Además, ambas usan, básicamente, los mismos equipos (aunque ya se está trabajando en impresoras 4D, de lo cual nos referiremos más adelante). Sin embargo, hay que tener en cuenta las siguientes diferencias que ambas tienen:
La impresión 4D es una tecnología que mezcla impresión 3D + materiales inteligentes + un diseño preparado para transformarse a sí mismo. La transformación se lleva a cabo cuando el diseño entra en contacto con el agua, la temperatura o cualquier material que genere un cambio en el material.
Esta cualidad del objeto resultado de la impresión 4D, es decir, la autotransformación produce grandes ventajas, una de ellas es el tamaño. En la impresión 3D el tamaño del objeto resultando depende del tamaño de la impresora, mientras que en la impresión 4D, gracias a su facultad de autotransformación, puede expandir su tamaño debido a la reacción que el material inteligente tenga al éstimulador con el cual entre en contacto.
Por lo que debemos considerar a la tecnología de la impresión 4D como la evolución de la impresión 3D y así lograr objetos que sean capaz de varias funciones desde doblarse, expandirse y hasta autodestruirse.
ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA IMPRESIÓN 4D
Aunque la impresión 4D tenga menos de una década y por ello aún se encuentra en una fase investigativa en la cual se está estudiando el potencial que ella nos puede dar, ya está comenzando a despertar interés. Según el Reporte Gartner de 2019, se espera que para el año 2023, las startups que se centran en el desarrollo de esta tecnología atraigan 300 millones de dólares de los inversionistas. De hecho, en 2019 el mercado de la impresión 4D generó 64,5 millones de dólares.
En este punto, es interesante destacar que el mencionado reporte indica que pare ese mismo 2023, el 25% de los dispositivos médicos en el mercado de los países desarrollados serán manufacturados usando la impresión 3D.
Se dice que Estados Unidos y Chinas son los países lideres en el estudio y la aplicación de la impresión 4D. En este sentido, el ejercito de Estados Unidos ha comenzado un programa en tres universidades para el desarrollo de esta tecnología en las áreas de la seguridad y defensa. Un ejemplo de ello: la creación de uniformes para soldados que pueda cambiar de forma al entrar en contacto con un objeto afilado.
Pero a pesar de que aún pueda parecer algo de ciencia ficción y a que aún se encuentra en su fase de desarrollo, los estudiosos de esta tecnología ya están trabajando para que ella sea parte nuestras tareas del día a día, debido a que la capacidad de autotransformación de estos objetos hace que se adapten a los cambios que experimentamos día a día.
La impresión 4D también tiene mucho potencial en el área espacial ya que justamente estas propiedad transformativa que tiene el objeto realizado bajo esta tecnología hace que pueda adaptarse a las condiciones en el espacio, o en otros planetas.
El campo de la medicina, una de las primeras que abrazó a la impresión tridimensional y se encamina a hacer lo mismo con la impresión 4D, debido a que puede crearse pequeños artefactos que pueden ser insertados en el cuerpo humano y que gracias a sus cualidades transformativas y regeneradoras pueden realizar tareas dentro del cuerpo.
En este punto de la medicina es preciso referirnos un poco a la bioimpresión, que consiste en la impresión de materiales biológicos tales como células, moléculas e inclusive órganos. Su finalidad es que que existan órganos disponibles para hacer frente a a cantidad de donaciones que se requiere y que desafortunadamente las cantidades de donaciones no cubren. En este sentido, la impresión 4D le da mayores beneficios a la bioimpresión ya que el órgano tiene propiedades transformativas tanto biológicas como físicas.
Inclusive en la industria del vestuario la impresión 4D puede tener gran aplicabilidad ya que las telas o la forma de la prenda de vestir puede transformarse de acuerdo a los cambios climáticos o del propio cuerpo. Por su parte, en la industria de los muebles también puede resultar útil porque un sofa o silla podría transformarse por sí mismo de acuerdo al factor externo que lo estimule. También la industria de la aviación puede verse beneficiada por esta tecnología, debido a que las piezas que componen el avión puede adaptarse a la altura que alcance.
Sin duda la capacidad autotransformadora y de autoensamblaje que tiene un objeto hecho bajo esta técnica, hace que exista todo un abanico de posibilidades gracias a ella porque resulta muy versátil.
LAS IMPRESORAS 4D
En la actualidad, para lograr los efectos de la impresión 4D se usan las impresoras 3D. Sin embargo, empresas del área como Stratassys se encuentran desarrollando activamente esta tecnología, por lo que sin duda será solo cuestión de tiempo para que existan, pero ya cuentan cons sus propios dispositivos de impresión de cuarta dimensión.
LOGROS DE LA IMPRESIÓN 4D
A pesar de ser una tecnología en pleno desarrollo, gracias a los trabajos e investigaciones del Laboratorio de Autensamblaje del MIT y más institutos que se han unido al desarrollo y fomento de tecnología, tales como la Universidad de Harvard a través del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, el cual se ha dedicado a desarrollar una tinta de hidrogel que cambia de forma al entrar en contacto con el agua.
Ahora bien, entre las creaciones que ya han sido elaboradas con esta tecnología se encuentran una válvula de agua, la cual fue ingenio de un equipo de investigadores de la Universidad Wollongong, en Australia. Dicha válvula se cierra cuando entra en contacto con el agua y abre con temperaturas altas gracias a un hidrogel que reacciona al calor.
Por su parte, el equipo de investigación de la Universidad Tecnológica y Diseño de Singapur desarrolló un método en el cual usando cinco materiales inteligentes y con el uso de una impresora 3D comercial, pudieron crear una estrella que puede transformarse en un domo y una flor que puede cerrarse, todo esto al entrar en contacto con el agua.
En el campo de la medicina, los doctores de la facultad de medicina de la Universidad de Michigan crearon unos respiradores para recién nacidos adaptados a sus tamaños y que va creciendo a medida que el infante va creciendo.
Sin duda la revolución de las impresiones como medios de manufacturas está comenzando. La impresión 3D está consolidándose en muchas industrias por su simplificación, rapidez y ahorro de materiales. Y ya el futuro está haciéndose presente con la impresión 4D, lo cual le agrega una nueva dimensión al objeto 3D ya que le permite moverse, transformarse, doblarse, expandirse, reducirse y hasta autodestruirse. Un mundo de posibilidades se abre con la impresión 4D, quizás hasta tengamos casas que se autoconstruyan.
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En esta entrada comenzaremos a conocer la impresión 4D, una tecnología que aún está en ciernes, pero que se perfila en convertirse en la evolución de la tecnología 3D. Sin duda el mundo no deja de actualizarse, de seguir buscando mejoras a las tecnologías ya revolucionarias, y es en este espíritu que ha surgido la impresión 4D.
La novísima tecnología de la impresión 4D fue acuñada por Skylar Tibbits, fundador del Laboratorio de Autoensamblaje de Massachusetts Institute of Technology (MIT), durante una conferencia realizada en 2013. Desde entonces, esta tecnología se encuentra en pleno desarrollo y se preve que en el futuro ya sea una tendencia importante en una gran variedad de industrias, así como en la actualidad lo es la impresión 3d. Podemos decir que mientras una tecnología se está consolidando, la otra se encuentra en pleno desarrollo.
Así que comencemos a conocer a la incipiente tecnología de la impresión 4D:
IMPRESIÓN 4D. CONCEPTO
En primer lugar, y lo que muchos deben estar preguntándose ahora:
¿Qué es la impresión 4D?
Pero si existe la impresión 3D ¿Cómo es eso de la impresión 4D?
Pues bien, la impresión 4D, también conocida como bioimpresión 4D, origami activo o sistema de transformación de formas, es una tecnología que está íntimamente relacionada con la impresión tridimensional, por cuanto el objeto que resulte de este técnica, una figura tridimensional, puede transformarse al recibir la influencia externa que la da la impresión 4D, es decir, que puede cambiar de forma, doblarse, repararse, autoensamblarse y hasta desintegrarse gracias a la técnica de la impresión 4D. Por todo esto se le considera la evolución (y por qué no revolución) de la impresión 3D.
En este punto es oportuno repasar el concepto de impresión 3D, para entender esta tecnología a la cual no estamos refiriendo. La impresión 3D, tridimensional, que también es conocida como impresión por aditivos, es una técnica a través de la cual por medio de un programa o software especial se divide a un artículo por capas, que gracias a una impresora especial se va imprimiendo dichas capas, dándole forma al objeto. En la actualidad, la impresión tridimensional se está consolidando en varias industrias como la de los productos médicos, la automotriz, la aviación, la moda y hasta en las artes ya vemos su uso.
EL MIT, PRECURSOR DE LA IMPRESIÓN 4D
El MIT, ubicado en la ciudad de Cambridge, Estados Unidos, es el instituto universitario en materia de ciencias y tecnologías más relevante del mundo. Para ponerlo en contexto, de ese instituto han egresado 98 ganadores del premio Nobel y, en general, se considera que este instituto ha jugado un papel importante en el desarrollo de la tecnología moderna.
En este sentido, Skylar Tibbits, arquitecto egresado de la Universidad de Filadelfia, con doble maestría en ciencias de la computación y arquitectura, que en la actualidad es profesor asistente del MIT. Ahora bien, durante sus años en el MIT, Skylar tuvo una reunión con representantes de la empresa Stratasys, una de las más relevantes de la impresión tridimensional y que ha hecho posible que dicha tecnología esté siendo adoptada.
Durante la reunión, Tibbits le pregunta a los representantes de Stratasys por qué los objetos que resultan de la impresión tridimensional no pueden doblarse. En este punto es preciso destacar que, en efecto, los objetos que resultan de la impresión 3d son rígidos, lo que ha dificultado su adopción en varias industrias, como la del vestuario (sin embargo, cada día progresa el uso de materiales que dan la apariencia y sensación de textiles dentro de esta tecnología). Esta simple interrogación de Tibbits dio origen a la impresión 4D.
Es así como ha nacido el Laboratorio de Autoensamblaje del MIT, un laboratorio con el objetivo de estudiar y conseguir materiales inteligentes para ser usados en la impresión 3D o en su evolución, la 4D, y así lograr que los procesos de manufactura y construcción sean más tecnológicos y eficientes. Este laboratorio trabaja en colaboración con empresas como Stratasys y Autodesk.
MATERIALES QUE SE USAN EN LA IMPRESIÓN 4D
Ahora bien, como hemos mencionado, este tipo de impresión se encarga de transformar los objetos producidos por la 3D, por lo que se puede lograr que el mencionado objeto pueda doblarse, autoensamblarse, cambiar de color y hasta autodestruirse.
Para lograr la transformación, el objeto debe entrar en contacto con un material que le provocará una reacción que generará los efectos que hemos comentado, es decir doblarse, expandirse o disminuir su tamaño. Es interesante notar que durante el proceso de la impresión 4D, el ser humano no tiene ningún tipo de intervención directa ya que no entra en contacto con los materiales que transforman al objeto. De hecho, cada objeto que ha sido manufacturado bajo la impresión tridimensional está compuesto por materiales que reaccionaran de diferente manera a los materiales que se usan en la impresión 4D.
Debido a lo novel que aún es la impresión 4D, todavía son pocos los materiales que se usan en ella. Pero haremos una recopilación de cuales son:
Polímeros con Memoria de Forma (PMF), los cuales son materiales que memorizan una forma macroscópica y la mantienen por un tiempo, pero vuelven a su forma original, sin ninguna deformación residual, gracias al efecto del calor, un campo magnético, campo eléctrico o el agua.
Elastómeros de Cristal Líquido (LCE), consisten en materiales que, básicamente, son cristales, sensibles al calor y cuya orientación se puede controlar, por lo tanto, los objetos podrán adoptar una forma deseada gracias a los efectos de la temperatura.
Hidrogeles: Son cadenas de polímeros hechas, sobre todo de agua, los cuales por su biocompatibilidad se usan en procesos de fotopolimerización que son comunes en la medicina.
Estos materiales que hemos mencionados son los principales que se usan en esta tecnología de la impresión 4D, pero están acompañados de otros, como compuestos de la madera o el carbono, los cuales son añadidos a los polímeros con memoria e hidrogeles. Al agregar estos materiales el objeto puede tener diferentes texturas. Ultimamente, el Laboratorio de Autoensamblaje de la MIT está probando la cerámica en esta tecnología, por lo que en un futuro no tan lejano tendremos noticias del funcionamiento de la cerámica en el proceso de la impresión 4D.
CÓMO FUNCIONA LA IMPRESIÓN 4D
Ahora bien, estos materiales que hemos mencionado son conocidos como smart materials o materiales inteligentes, por cuanto son programados para cambiar de forma debido a una reacción externa, como la temperatura.
Su funcionamiento es como el de un ordenador que obedece a un código, dicho código se añade al material que causará un efecto en en la pieza impresa. En este sentido, las técnicas que se usan en a impresión 4D son las mismas de la 3D, sin embargo, con sus diferencias respecto a la impresión tridimensional. Las técnicas de la impresión 4D son las siguientes:
La Estereolitografía, es una técnica utilizada en la impresión 3d que consiste en el uso de la fotopolimerización para unir el sustrato que se ha colocado capa sobre capa, por lo que se va creando una red polimérica. Pero a diferencia de la impresión 3D donde el material se endurece para formar las capas del objeto, en la 4D es la técnica que está siendo la más usada y en ella se utiliza la luz ultravioleta para curar los materiales en capas cuando se ha terminado el proceso de impresión.
La Anisotropía, consiste en disponer de los micromateriales con la finalidad de que hay una direccionalidad incrustada en la impresión terminada con la finalidad de transformar el objeto.
La Arquitectura de Fibra: Al ser Skylar Tibbits arquitecto, es innegable que la impresión 4D en su proceso tenga influencias de esta área. Por ello, se usa lo que se conoce como “arquitectura de fibra”, que consiste en una red de fibras que varían en tamaño. Los componentes de la impresión 4D pueden diseñarse a escala micro y a escala macro, pero finalmente lo más importante reside en los materiales que se usen, ya que es necesario entender cómo funcionarán ante los estímulos.
En este sentido, Bastien E Rapp, presidente de NeptunLab, una empresa de tecnología de procesos indica “se necesita una muy buena ciencia de los materiales para facilitar la impresión 4D. Una vez que esté bien integrado, podemos usar diferentes tecnologías de impresión 3D… Dependiendo de la complejidad de su cuarta dimensión, puede ser tan fácil como imprimir dos materiales en paralelo. También puede implicar calentar o enfriar el material durante el proceso de fabricación. Hay muchos métodos que implican condiciones especiales”.
Para concluir, por los momentos, la impresión 4D es la evolución de la impresión tridimensional, por cuanto esta técnica permite la transformación de los objetos impresos por la 3D, para lograr que tengan nuevas propiedades, tales como ser flexibles, cambio de colores entre otras, abriendo un nuevo abanico de posibilidades en el futuro de la manufactura de los objetos tridimensionales, una cuarta dimensión para los mismos.
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