A fondo: Tras la impresión 3D, llega la impresión 4D

Pensar en el término impresión hace unos años significaba imaginar hojas y más hojas de papel escritas en tinta. Pero las capacidades de las máquinas impresoras que existen en el mercado han ido evolucionando, y mucho.

Ahora es posible imprimir objetos tridimensionales gracias a la fabricación por adición que, capa a capa, va confiriéndoles forma y haciendo posible lo que en el pasado se acercaba más a la ciencia ficción. Tanto a nivel casero como profesional las aplicaciones de este imposible hecho realidad son múltiples. Obras de arte, ropa, juguetes, piezas de repuesto para vehículos, muebles… incluso edificios enteros, alimentos y órganos artificiales pueden surgir de las creaciones que habilita la tecnología de impresión 3D.

Pero cuando todavía se está mejorando la impresión 3D, y cuando parecía que lo habíamos visto todo, los investigadores van un paso más allá y trabajan ya en una versión vitaminada de la impresión de objetos: la impresión 4D.

España es partícipe de esta revolución. Aquí un equipo de investigadores del ICMA (Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón) trabaja en la impresión de polímeros de cristal líquido que responden a un estímulo externo. Estos profesionales ya han desarrollado una plataforma que permite preparar estructuras que se transforman al ser expuestas a la temperatura. Con su vicedirector, Carlos Sánchez Somolinos, que además es científico titular del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas), ha hablado Silicon.es para comprender cómo se está construyendo el futuro y aclarar algunos conceptos.

El factor tiempo (y la relevancia de los materiales)

Para entender qué es la impresión 4D es importante diferenciarla de la impresión 3D, empezando por saber qué ofrece esta última. “La impresión 3D consiste en la adición de material de manera digital para crear objetos complejos tridimensionales”, según la define el Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón. “Esta técnica resulta de gran utilidad para el prototipado rápido de objetos complejos, lo que permite por ejemplo acelerar el proceso de diseño de nuevos productos”.

“Por otro lado”, añaden desde la entidad aragonesa, “con la impresión 3D es posible fabricar objetos personalizados a medida, lo que va a contribuir al desarrollo de la medicina y a la revolución de la Industria 4.0”. El caso es que, “en muchas ocasiones, este tipo de impresión hace uso de materiales termoplásticos que, una vez impresos, resultan en objetos tridimensionales inanimados”.

Y ahí es donde entra en juego el concepto de 4D, que se construye sobre esta base del 3D pero supone ir “más allá”, tal y como explica el equipo en el que se integra Carlos Sánchez Somolinos, porque lo que se hace es añadir “el tiempo como dimensión”. Se trata de imprimir en 3D “materiales que responden a estímulos externos, de manera que el objeto impreso va a cambiar en el tiempo al ser expuesto a un estímulo adecuado”. Este estímulo pueden ser la temperatura, como en el caso del desarrollo español con sello del ICMA, pero también la iluminación o la humedad, entre otros.

¿Cómo se programa la forma final de esos materiales? ¿Cómo se controla la deformación? La respuesta que nos dan pasa por “la orientación microscópica que adquiere el material durante el proceso de impresión”. Y es que esto permitiría controlar de forma precisa “la magnitud y la dirección de las fuerzas” que ejercerá ese material recién imprimido “al ser excitado” por un estímulo y conseguir “formas complejas tridimensionales”, un extremo que sería complicado alcanzar con otras tecnologías para el procesado de materiales.

“Los materiales empleados en impresión 4D son radicalmente distintos a los materiales convencionalmente empleados en impresión 3D ya que los primeros experimentan cambios importantes en sus propiedades al ser expuestos al estímulo en cuestión lo que permite programar su deformación”, resume a nuestra publicación Carlos Sánchez Somolinos.

Pero, además del material que se escoge para llegar a la deformación prevista de antemano, las impresoras utilizadas durante el proceso de creación también son importantes. Al contrario que los materiales, “las impresoras que se emplean en impresión 4D son en esencia similares si bien en nuestro caso hemos necesitado realizar adaptaciones para poder tener una impresión adecuada”, cuenta el vicedirector del ICMA, que ha sido premiado por la Real Academia de Ciencias de Zaragoza en la sección de Físicas.

“Una impresora 3D convencional consiste en un robot capaz de posicionar el material con gran precisión” y “la forma de depositar el material depende de las propiedades de este”, indica Sánchez. “Se emplea por ejemplo deposición de hilo fundido como la utilizada en las típicas impresoras 3D comerciales de termoplásticos o las impresoras por extrusión de pasta”, que es precisamente el modelo que eligió su equipo y al que luego incorporó “un cabezal de temperatura variable que nos ha permitido controlar las propiedades del material depositado así como su morfología, clave para determinar la ulterior deformación del objeto impreso”.

Resolviendo problemas en medicina, óptica adaptativa y háptica

El valor de la impresión 4D radica en las oportunidades que abre esa predisposición a cambiar de los objetos impresos y la propia naturaleza aditiva de la tecnología que entra en juego. Se podrían preparar “elementos estructurados microscópicamente” pero “fabricados a gran escala”, algo que valoran los especialistas, y capaces de acometer muchas tareas con una precisión notable.

“Se pueden implementar lo que se conoce como robots blandos”, ahonda Carlos Sánchez. ¿Sus ventajas? Aquí hay que volver a las comparativas. “Los robots convencionales, los que estamos acostumbrados a ver”, esos que conforman la imagen de las fábricas de automóviles alrededor del mundo, “constan generalmente de estructuras articuladas, hechas con elementos rígidos, generalmente metálicos, que se mueven de manera controlada para llevar a cabo diferentes tipos de tareas. La robótica blanda se basa en los mismos principios que la robótica convencional”, relaciona el experto al que hemos consultado, “pero emplea materiales blandos para su implementación”.

Este nuevo tipo de robot, “debido a la naturaleza de los materiales que emplea”, prosigue Sánchez, “tiene una mayor flexibilidad y adaptabilidad lo que los hace ideales para llevar a cabo funciones más delicadas ya que los elementos que realizan la prensión son elásticos y distribuyen más uniformemente la presión que ejercen sobre el objeto a levantar”.

Sus cualidades convierten a la robótica blanda en ideal para “el ámbito de la cirugía mínimamente invasiva o laparoscópica”. Hoy en día ya “hay importantes laboratorios de robótica en el mundo tratando de implementar todas las funciones robóticas que requiere el cirujano durante la operación”, confirma el científico del CSIC, “todo ello con elementos blandos que no presentan riesgo de producir perforaciones o daños en los tejidos circundantes a diferencia de los elementos rígidos o semirrígidos que se emplean en la actualidad”.

Y la lista de problemas que se pueden resolver gracias a los desarrollos con impresión 4D sigue. “Más allá de los actuadores lineales, estamos preparando estructuras quirales capaces de rotar por ejemplo un polarizador”, relata Carlos Sánchez Somolinos. Esto es algo que sirve para implementar dispositivos “de polarización ópticos”. A día de hoy se han “preparado también lentes cuya focal podemos regular de manera controlada con la temperatura”, teniendo “interés esto en el campo de la óptica adaptativa”.

Biomedicina, óptica adaptativa y una tercera opción como es la háptica o la “ciencia del tacto” son áreas que es posible mejorar con las prestaciones que ofrece la impresión 4D y mediante la deformación controlada de elementos con funcionalidades robóticas. En el caso de la háptica, las “protuberancias” que van formando los materiales cuando reciben el correspondiente estímulo permiten trabajar con superficies que transmiten “sensaciones al tacto”, según destacan los expertos. Sin ir más lejos, con la impresión 4D se podría avanzar en el sistema de lectura braille para personas invidentes.

Ciertos problemas que existe en la actualidad no tienen por qué arrastrarse en el futuro. La impresión 4D aporta soluciones para evitar su prolongación. Desde el ICMA apuntan directamente a “membranas de poro regulable que pueden discriminar partículas de diferentes tamaños y formas de utilidad en microfluídica” y a “estructuras capaces de realizar funciones robóticas de traslación y muy novedosamente de rotación que se han aplicado al giro preciso de elementos ópticos”. La puerta al cambio ya se ha abierto.

Pero… ¿es esto posible antes de 10 años?

El potencial resulta evidente. Ahora hay que conseguir que una tecnología todavía novedosa dé el salto desde los laboratorios a la calle y comience a aprovecharse de manera más generalizada. ¿Cuándo ocurrirá esto?

Carlos Sánchez Somolinos señala que “estamos en los albores de esta tecnología”. De momento, “solo hemos demostrado la primera prueba de concepto y unas primeras aplicaciones muy fundamentales”, reconoce. Hoy por hoy, “en este ámbito de la impresión 4D de polímeros cristal líquido, hemos trabajado únicamente con polímeros que responden a temperatura” aunque “podemos pensar” en hacer posibles sistemas “sensibles a otros estímulos todavía más interesantes como la luz o campos externos, eléctricos o magnéticos y para lo cual necesitamos desarrollar nuevos materiales”.

“Las posibilidades en cuanto a campos de aplicación son muy amplias”, recuerda Sánchez Somolinos, lo que se necesita es “desarrollar nuevos conceptos y diseños” que luego se puedan aplicar en diferentes áreas.

En cualquier caso, “dados los grandes desarrollos alcanzados en los últimos años en el campo de los materiales inteligentes”, pronostica el directivo del ICMA, y “si somos capaces de sumar a nuestro impulso otros grupos en el mundo” (de hecho, “hay gente trabajando en Estados Unidos en materiales muy similares”, puntualiza Sánchez), “esta tecnología podría abrirse camino y encontrar nichos de aplicación en todos los campos mencionados y otros por explorar en un marco temporal relativamente pequeño inferior a 10 años”.