Introducción a cómo funciona la impresión 4-D

En otras palabras, ¿qué pasaría si pudiéramos imprimir objetos en cuatro dimensiones?

De acuerdo, claro, técnicamente todo es tetradimensional (en realidad, 10 o más dimensiones , según los físicos), pero pensamos principalmente en el mundo construido en términos de largo, ancho y alto. La cuarta dimensión, el tiempo, la vemos como el enemigo, cuyos efectos hacemos todo lo posible por resistir (los expertos siguen divididos sobre si la quinta dimensión es "The Twilight Zone" o la banda que cantó "The Age of Aquarius"). .

Por eso, construimos paredes y tuberías lo más fuertes que podemos, y seguimos reparándolas a medida que envejecen, porque la construcción requiere tiempo, dinero y esfuerzo, y no queremos hacerlo una y otra vez. Pero, ¿y si el tiempo no fuera el enemigo? Supongamos que una estructura pudiera desplegarse, como un origami. Imagínese si sus paredes pudieran flexionarse o endurecerse en respuesta a cargas cambiantes, o si una tubería enterrada pudiera cambiar de forma para adaptarse a diferentes flujos de agua, o para bombear agua a través del peristaltismo, como su sistema digestivo. A través de la impresión 4-D, nada está escrito en piedra a menos que así lo desee.

Si los investigadores y los fabricantes pueden hacer que funcione, la impresión 4D podría cambiar por completo nuestra idea de fabricación. Las empresas podrían imprimir refugios, máquinas y herramientas, luego empaquetarlos y enviarlos a donde sea necesario, tal vez áreas de desastre, o prepararlos para entornos hostiles como el espacio o el fondo del océano. Allí, las condiciones ambientales dañinas para los humanos podrían impulsar los cambios en la forma y las propiedades del objeto, no solo una vez, sino repetidamente.

En el centro de todo se encuentran la física, la química y la geometría básicas detrás de los procesos naturales más mundanos. Considere cómo su cabello cambia de forma cuando se avecina una tormenta, una simple cuestión de agua en el aire que hace que las proteínas de queratina formen una proporción inusualmente alta de enlaces de hidrógeno, lo que hace que se doblen hacia atrás en lugar de estirarse [fuente: Stromberg ]. O piense en cómo una silla inflable plana asume una forma predecible cuando toma aire porque sus secciones tienen diferentes propiedades.

Los dispositivos de cuatro dimensiones no requieren humanos para construirlos, ni son robots que requieran microchips, servos y armaduras para funcionar. Su única "programación" implica la geometría, la física y la química incrustadas en sus estructuras.

1. Agregar dimensión
2. Materia programable: la geometría es el destino
3. Origami autoplegable
4. Revelando el futuro de 4-D

En esencia, la impresión 4D es una combinación de impresión 3D y otro campo de vanguardia, el autoensamblaje .

El autoensamblaje es exactamente lo que parece: el ordenamiento espontáneo de piezas en un todo más grande y funcional. El campo es popular en los círculos de la nanotecnología por dos muy buenas razones. Primero, el autoensamblaje ya ocurre a nanoescala y proporciona la fuerza impulsora detrás de procesos que van desde el plegamiento de proteínas hasta la formación de cristales [fuente: Boncheva y Whitesides ]. En segundo lugar, no tenemos martillos, llaves inglesas ni destornilladores que puedan construir una máquina del tamaño de una molécula. Tiene que arreglárselas solo.

Pero si pudiéramos escalar el autoensamblaje a proporciones humanas, podría permitirnos hacer que los productos actuales sean más baratos y más simples, o crear nuevas tecnologías que de otro modo serían imposibles [fuente: Boncheva y Whitesides ]. Es un trabajo laborioso y, a menudo, frustrante. Incluso en circunstancias ideales, requiere desglosar una secuencia de ensamblaje, desarrollar piezas programables y encontrar una fuente de energía que haga funcionar su artilugio. Incorporar alguna corrección de errores tampoco es una mala idea [fuente: Tibbits ]. Sin embargo, principalmente necesita las herramientas y los materiales adecuados para el trabajo.

Ingrese a la impresión 3D . Aunque continúan surgiendo nuevos enfoques, tradicionalmente, la impresión 3D ha implicado colocar repetidamente capas de polímero cuidadosamente definidas en una cama de impresión. A medida que cada nueva capa se endurece y se fusiona con las de abajo, emerge una forma tridimensional. Los primeros modelos podían imprimir con un solo material a la vez, pero las impresoras 3D más nuevas permiten una gama más amplia de medios de impresión y para imprimir con más de un material a la vez. Ese es un avance importante para la impresión 4-D, porque la variedad de materiales permite a los desarrolladores construir en áreas que se endurecen, flexionan o hinchan, o que "quieren" doblarse de ciertas maneras. Pueden tener zonas que absorben agua como una esponja, o que generan corriente eléctrica cuando se exponen a la luz. El cielo es el límite, siempre y cuando tú

Esto es lo que el Laboratorio de autoensamblaje del MIT llama materia programable : un enfoque de la ciencia, la ingeniería y los materiales que se centra en la materia que se puede codificar para remodelarse o cambiar su función. Una aplicación de la materia programable es la impresión 4-D [fuente: MIT ].

El mercado de la mutabilidad

Un informe de 2015 de la firma de investigación de mercado Marketsandmarkets proyectó que la impresión 4-D constituiría un sector de $ 555,6 millones anuales para 2025. El informe asume que la tecnología 4-D verá la comercialización a corto plazo, pero solo un progreso inicial moderado (el cambio conlleva un alto costo inicial). En cuanto a los primeros usuarios, el informe destacó los sectores aeroespacial, de defensa y militar, pero también vio industrias como la automotriz, textil, de atención médica, de la construcción y de servicios públicos como posibles primeros usuarios [fuente: Halterman ].

Los investigadores del MIT no son los únicos que trabajan en la impresión 4-D, pero el Laboratorio de Autoensamblaje de la escuela es el que causó el revuelo más temprano, en gran parte gracias a las charlas TED de su director, el arquitecto Skylar Tibbits.

Los investigadores del laboratorio ingresaron por primera vez al mundo del autoensamblaje mediante la creación de robots autoconstruibles simples a gran escala. Cuando encontraron que la mano de obra y los gastos eran impracticables, recurrieron a la fabricación de formas y materiales con lógica incorporada.

En 2010, crearon Logic Matter, un conjunto de formas entrelazadas que podían resolver problemas computacionales usando solo su geometría.

Reducida a su forma más básica, una computadora opera usando puertas electrónicas que combinan 1 y 0 y devuelven una respuesta verdadera o falsa. Estas puertas usan álgebra booleana , que hace preguntas como "¿ambas entradas son 1?" o "¿la entrada es un 1?" El laboratorio de Tibbits planteó las mismas preguntas, pero utilizando poliedros complejos en lugar de los habituales estados eléctricos de encendido/apagado que representan unos y ceros. La entrada implicó hacer clic en las formas en su lugar. Esto creó una nueva configuración que permitiría que la siguiente forma, la salida, se adjunte solo en una orientación hacia arriba (verdadero) o hacia abajo (falso), proporcionando la respuesta.

Logic Matter no alcanzó el nivel de autoensamblaje (las piezas requerían manos humanas para unirlas), pero constituyó un primer paso importante en esa dirección al mostrar que la materia podría tener instrucciones integradas [fuente: Tibbits ]. Durante los años que siguieron, los investigadores del Self-Assembly Lab se movieron cada vez más hacia elementos más acordes con su nombre: formas geométricas que se combinarían si se hicieran rodar o agitar en un recipiente, cadenas que asumieran formas particulares cuando se agitaran, etc.

Esto marcó el siguiente paso importante: combinar una tendencia geométrica incorporada con un aporte de energía (o algún otro factor ambiental) para ponerlo en marcha.

Pero, ¿qué es esta tendencia geométrica? Bueno, si alguna vez ha tratado de hacer algo con cartón (o madera o metal), sabe que se dobla más fácilmente si lo marca primero. La puntuación, entonces, es un tipo de programación, una forma de hacer que el material tenga más probabilidades de comportarse de la manera que usted desea. Ahora, en lugar de cartón, imagina una combinación de materiales, algunos de los cuales pueden absorber agua y crecer mientras que otros permanecen rígidos. Échalo en agua y observa cómo cambia su forma. Sea lo suficientemente inteligente con sus pliegues y anotaciones y, antes de que se dé cuenta, tendrá algo verdaderamente especial.

Pero primero, necesita mucho control preciso sobre los materiales que usa y el patrón en el que su maquinaria los coloca. Y este enfoque funcionará mejor en escalas más pequeñas, donde las entradas de energía y las diferencias materiales pueden tener un efecto mayor. La impresión 3D de múltiples materiales ayudó a proporcionar el control que necesitaban los investigadores, pero también necesitaban los materiales correctos.

Cuando Tibbits mencionó su idea a la gente de Stratasys, una empresa de impresión 3D con sede en Minnesota, le mostraron un material que podía crecer un 150 por ciento cuando se sumergía en agua. El agua ofrece un medio prometedor para manipular objetos en 4-D, ya que la naturaleza proporciona numerosos modelos funcionales de objetos que cambian de forma en respuesta a la humedad. Las llamamos plantas.

Las plantas exhiben tropismos , tendencias a crecer de ciertas maneras en función de factores ambientales, como la luz solar (fototropismo), el agua (hidrotropismo), la gravedad (gravitropismo), los productos químicos (quimiotropismo) e incluso el contacto físico (tigmotropismo). Por ejemplo, las plantas tienden a inclinarse hacia la luz solar porque la luz solar mata las hormonas llamadas auxinas que estimulan el crecimiento. En consecuencia, el lado de una planta que mira hacia el lado contrario al sol crece más rápido que el lado que mira hacia él, lo que hace que la planta se doble hacia la luz. Con un poco de imaginación, es fácil ver cómo podemos modificar de manera similar la física que vincula los materiales, los entornos y la energía para cumplir nuestras órdenes.

Dada la inspiración que las plantas han brindado a los investigadores de impresión 4-D, tal vez no sea sorprendente que un equipo de Harvard haya sido noticia en 2016 al crear una "orquídea" impresa en 4-D que asumió la forma de su homónimo cuando se colocó en el agua. La flor se imprimió con un compuesto de hidrogel, que se canalizó, capa tras capa, como el glaseado de una manga pastelera, sobre la cama de impresión [fuente: McAlpine ].

Dos aspectos del proceso de impresión explican el comportamiento de la flor. Primero está el uso de hidrogel, que puede absorber grandes cantidades de agua. El segundo es el hecho de que el compuesto también contenía fibrillas de celulosa, fibras pequeñas y fuertes esenciales para la estructura de la planta. Debido a que la celulosa siempre fluyó en una dirección conocida, el equipo pudo modelarla cuidadosamente para controlar qué partes de la flor podrían hincharse y qué partes permanecerían rígidas una vez expuestas al agua [fuente: McAlpine ].

Sin duda, con el paso del tiempo veremos muchos más experimentos utilizando una variedad de otros materiales, como conductores para circuitos eléctricos flexibles y dinámicos . Pero también es probable que veamos que el término impresión 4-D, como la mayoría de las palabras de moda, cobra vida propia y se expande para abarcar una gama más amplia de temas. Por ejemplo, una empresa, Nervous System, describe su novedosa técnica para imprimir ropa en 3D, que crea ropa a partir de pétalos de nailon ingeniosamente dispuestos conectados por juntas, como "impresión en 4D" [fuente: Rosencranz ].

Veamos algunos otros posibles futuros 4-D.

No sé si es arte, pero lo usaría

El vestido de Nervous System fue diseñado utilizando cinemática , a veces denominada geometría del movimiento. A través de muchos cálculos y un diseño inteligente, la empresa pudo fabricar prendas flexibles a partir de decenas de miles de piezas rígidas entrelazadas. Desde entonces, el Museo de Arte Moderno ha adquirido el vestido y el software utilizado para crearlo para su colección permanente [fuente: Rosencranz ].

El mundo de las nanomáquinas tiene una ventaja inicial en el camino del autoensamblaje, en parte porque puede extraer de la naturaleza ejemplos de diseños complejos y eficientes que se autoensamblan, rara vez cometen errores y se autorreparan según sea necesario. Trasladar estos principios a la escala humana ha demostrado ser un desafío pero, si funciona, las posibilidades son impresionantes, un hecho que no pasa desapercibido para el Ejército de los EE. investigación sobre aplicaciones militares, como puentes y refugios de autoconstrucción [fuente: Campbell-Dollaghan ].

Ya hemos mencionado cómo la moda y el mobiliario pueden proporcionar una forma divertida y rentable de introducir una tecnología novedosa, y dado el hecho de que claramente una talla no sirve para todos, es un sector maduro para este tipo de aplicaciones. Pronto podríamos ver patrones, o dobladillos, que cambian a pedido.

El punto es que gran parte del atractivo de la impresión en 3D y 4D radica en su flexibilidad. A través del modelado por computadora en 3D, una empresa podría personalizar un vestido o un zapato para que se ajuste a cualquier cuerpo, desde el principio, sin cortar ni coser, e imprimirlo como único [fuente: Rosencranz ]. Usando materiales y geometría 4-D, la prenda podría autoajustarse en respuesta a las fuerzas de estiramiento y tensión. Una zapatilla para correr podría endurecerse para brindar soporte lateral y estabilidad mientras detecta las tensiones de un partido de tenis, por ejemplo.

BMW ya ha mostrado un prototipo que incorporaría diseños 4-D en lo que ellos llaman "Geometría Viva". Imagine componentes interiores o exteriores que podrían cambiar de forma para adaptarse a las cambiantes condiciones de conducción. Fuera del automóvil, los paneles 4-D podrían ajustarse a la temperatura, el flujo de aire, la dirección o la entrada del sensor para maximizar la eficiencia aerodinámica . Los neumáticos y los frenos también podrían cambiar en respuesta a las condiciones de la carretera [fuente: Vijayenthiran ].

En el futuro, a medida que la biomimética y la impresión 4-D se unan, podríamos ver dispositivos médicos adaptados a nuestros cuerpos e incluso aumentos corporales que respondan a sus entornos [fuente: Grunewald ]. Ahora eso es lo que llamamos medicina personalizada.

Por supuesto, la impresión 4-D tendrá que superar numerosas limitaciones antes de que pueda alcanzar su máximo potencial. Primero, el proceso sigue siendo, por ahora de todos modos, muy, muy lento. Y su dependencia de la geometría lo limita un poco en términos de lo que puede hacer, pero probablemente sea un impedimento temporal. Potencialmente más serios son los esfuerzos que actúan sobre cualquier material que es forzado a doblarse, o los puntos de falla posiblemente introducidos por dicha geometría. Además, en algunos casos, los materiales 4-D tienen problemas para no cambiar: permanecen en su nueva forma en lugar de volver a la anterior, o no cambian de estado según lo diseñado [fuente: Wassmer ].

En cuanto a si la impresión 4-D constituye una moda pasajera, una curiosidad o el próximo gran avance, solo el tiempo, de manera apropiada, lo dirá.

La impresión 3D aumenta la velocidad

Uno de los principales problemas de las impresoras 3D es que son lentas. Pero una nueva tecnología lanzada por Carbon3D en la conferencia TED de 2015 podría haber acelerado la tecnología. En lugar del enfoque aditivo utilizado por la mayoría de sus primos, utiliza oxígeno y luz para hacer crecer objetos a medida que los extrae de un baño de resina, en un proceso que se asemeja al crecimiento de cristales de alta velocidad [fuente: DelViscio ].

Nota del autor: Cómo funciona la impresión 4-D

La impresión 4-D aún se encuentra en sus primeras etapas; sin duda, demasiado pronto para saber si es algo más que una forma inteligente de comercializar una colección de ideas relacionadas, y mucho menos si se puede hacer práctica. Pero algunos de los tipos de personas que apuestan por este tipo de cosas están apostando por ello, y ¿por qué no? Si puede hacer una fracción de lo que se dice que puede hacer, irá a lugares. Solo mire lo lejos que ha llegado la impresión 3-D en solo unas pocas décadas.

Aún así, uno tiene que preguntarse si no hay un límite para la rapidez con la que pueden operar estas tecnologías de autoensamblaje a macroescala. Solo hay una velocidad en la que un material puede crecer, enrollarse, doblarse o simplemente golpearse sin tener que alterar el material de manera radical. Por otra parte, tal vez suficiente energía atascada en un sistema dado pueda superar cualquier problema de este tipo, suponiendo que los materiales puedan soportar las tensiones.

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