El mundo de la tecnología avanza de manera exponencial en nuestros días, trayendo consigo cambios que en otra época llegaron a ser considerados como fantasías, cuentos de ciencia ficción de la mano de Julio Verne (1828-1905) o de Isaac Asimov (1919-1992). A finales de la década de los ochenta, la serie televisiva estadounidense Star Trek ya vaticinaba desde el imaginario el potencial de la nanotecnología. No hablaban de impresoras 3D pero si de una máquina “replicadora” capaz de crear cualquier objeto -comida, armas, prótesis, en fin, todo-. Hoy es una realidad que poco a poco va superando a la ficción, y aunque aún no podemos “replicarlo” todo, sin embargo la humanidad está aprendiendo a manipular la materia para que solita, de manera autónoma, adquiera formas determinadas o cumpla con funciones específicas -justo como si tuviera mente propia-. A eso le llaman impresión en 4D y ya es una realidad.
Ciudad de México, 8 de diciembre (SinEmbargo).- Mientras que la impresión en 3D consiste en crear objetos reales basados en diseños por computadora, la impresión en 4D utiliza impresoras 3D y materiales biológicos para crear objetos capaces de auto-configurarse y cambiar de forma gracias a reacciones físicas con su entorno.
En el video se observa un experimento llevado al cabo por investigadores del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Universidad de Harvard (EU), quienes estudian un material especial llamado “tinta hidrogel”, mismo que cambia de forma cuando es puesto en contacto con el agua.
De acuerdo con Skylar Tibbit, investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés) y pionero en el tema, “hoy en día, en las micro y nanoescala, se produce una revolución sin precedentes. Y esta es la capacidad de programar materiales físicos y biológicos para cambiar de forma, [para] cambiar [sus] propiedades”. A esto se le llama impresión en 4D.
Digamos en sentido figurado que, con la tecnología 3D, podemos dibujar algo en Paint, y en lugar de imprimirlo en una hoja de papel, es posible crearlo en realidad.
Luego llegaron científicos de diversas instituciones y especialidades y dijeron: encontré materiales a los que si les aplico cambios de movimiento, presión, temperatura, electricidad, gravedad, humedad, entre muchos otros, reaccionan de diferentes maneras -como por ejemplo, aumentando su volumen o encogiéndose-.
Entonces se les ocurrió mezclar materiales que sufren de reacciones -con ciertos factores ambientales- y una impresora 3D. ¡Eureka! Nació la impresión en 4D.
Así tenemos materiales programables, que sin estar vivos, pueden cambiar su forma y su comportamiento a lo largo de un periodo de tiempo sin requerir de microprocesadores, circuitos o motores. Simplemente funcionan a partir de reacciones físicas -y químicas-.
Skylar Tibbit lo define así: “Es como la robótica pero sin cables ni circuitos, ya que puedes imprimir una pieza que se transformará en algo más”.
¿Pero para qué sirve crear cosas así? Bueno, imagina que el día de mañana no tuvieras que seguir los instructivos para construir un mueble, sino que en lugar de ello, únicamente tuvieras que comprar una tabla a la que sólo hubiera que agregarle agua, esperar unos cuantos minutos u horas, y encontrarte con que la tabla se convirtió en una silla, una mesa o un guardarropa. Te haría la vida más fácil, ¿cierto?
La tecnología 4D versa enteramente sobre la propiedad de los materiales para auto-ensamblarese, que de acuerdo con el Laboratorio de Auto-emsablaje del MIT, “es un proceso mediante el cual las partes desordenadas construyen una estructura ordenada a través de la interacción local […] Puede ser utilizado para la auto-construcción y sistemas de fabricación en casi todas las escalas […]. El autoensamblaje promete permitir avances en todas las aplicaciones de la biología, la ciencia de los materiales, el software, la robótica, la fabricación, el transporte, la infraestructura, la construcción, las artes e incluso la exploración espacial”.
Además, los avances tecnológicos prevén que los objetos en 4D algún día puedan auto-repararse también.
EL NEGOCIO DEL FUTURO
Actualmente hay mucha expectativa en torno a la impresión 4D y los materiales de auto-ensamblaje. Según el estudio “4D Printing Market by Material, End-User Industry and Geography. Global Trends and Forecasts to 2019-2025” publicado por la empresa de sondeos MarketsandMarkets, el mercado de esta tecnología valdrá 63 millones de dólares en 2019, y en 2025 valdrá alrededor de 555.6 millones.
Asimismo, el documento señala que el sector militar y de defensa, además del aeroespacial, serán los principales inversores para 2019, abarcando un 55 y 45 por ciento del mercado respectivamente.
Entre las empresas que más participarán en el desarrollo de la impresión en 4D cuenta a 3D Systems, Autodesk, ExOne, Hewlett-Packard, Organovo y Strattasys -que ya labora con el MIT-. También, el estudio señala que los materiales programables de más demanda serán la madera, textiles y la fibra de carbón. Este último siendo el más importante, pues habrá de abarcar el 62 por ciento del mercado.
De acuerdo con MarketsandMarkets, la impresión en 4D crecerá en un intento de las industrias por reducir la manufactura y costos de proceso para “obtener ventajas competitivas”. Sin embargo, señala que entre 2019 y 2025 el crecimiento será lento debido al costo de inversión que sólo unas cuantas empresas pueden sostener.
¿CÓMO FUNCIONA LA IMPRESIÓN 4D?
Como todo lo inteligente, la cuestión está en el diseño, mucho antes de ser creado o de ser impreso.
Lo primero es encontrar materiales físicos y biológicos que se adapten o que reaccionen con energías pasivas (térmicas, gravitatorias, neumáticas, cinéticas, magnéticas, entre otras). Con ellos se diseñan filamentos capaces de interactuar y responder a un ambiente determinado -expandiéndose o contrayéndose, atrayendo o repeliendo, etc.-.
Luego se diseña por computadora una estructura, que así como un rompecabezas o como una figura de origami, contempla tres aspectos: uno, la forma de las partes que se van a auto-ensamblar. Dos, los materiales que habrán de usarse en cada parte para que tomen una forma específica. Y tres, los dobleces o las coyunturas necesarias para permitir la movilidad (o función específica).
Es muy parecido al proceso de crecimiento de algunas plantas, que a partir de un fenómeno conocido como fototropismo -que es una reacción a la luz- crecen o no en dirección de la fuente lumínica. Existen fenómenos similares pero que en lugar de la luz dependen de la gravedad (gravitropismo), de contacto físico con una superficie sólida (tigmotropismo), entre otros.
Además, los vegetales contienen hormonas (las auxinas) que sirven para regular el crecimiento de la planta. Estas fitohormonas hacen que sus células se elonguen, o bien, se alargen. Suena parecido a la impresión en 4D, ¿cierto? Tal parece ser que la humanidad ha vuelto a emular el diseño de la madre naturaleza, y al final de un complejo y muy elaborado proceso, tenemos “máquinas” autónomas que dependen de un motor singular: la sensibilidad -del material para reaccionar con el entorno-.
El MIT, que investiga este campo de conocimiento en colaboración con Strattasys, una empresa de impresoras 3D, utiliza un software de diseño -llamado “Cyborg”- para simular el comportamiento de los materiales antes de imprimirlos. De esta manera pueden prever qué parte de la estructura se mueve primero y en qué momento.
Inclusive “existe un software llamado ‘Cadnano’ que nos permite diseñar formas tridimensionales, como robots nano o sistemas de administración de fármacos, y utilizar el ADN para auto-ensamblar esas estructuras funcionales”, asegura Skylar Tibbits, co-director y fundador del Self-Assembly Lab del MIT.
ANTECEDENTES: LOS DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS
Antes de que existiera la impresión en 4D, desde la década de los setenta, científicos alrededor del mundo desarrollaron procesos y descubrieron materiales que llevaron a la creación de esta nueva tecnología. Sin embargo, en las últimos años se han dado pasos agigantados para hacer de un sueño una realidad.
A principios de los años sesenta la comunidad científica encontró aplicaciones prácticas para el nitinol, una aleación de níquel y titanio que forma parte de las denominadas “Aleaciones con Memoria de Forma” (SMAs, por sus siglas en inglés). Básicamente son metales, que a pesar de cambiarles la forma, regresan a su configuración original cuando son calentados. El efecto se debe a que su estructura atómica no se ve afectada por los cambios físicos.
Por otro lado y de acuerdo con la revista Nature, desde los años ochenta, las estructuras de “auto-evolución” -como las que hoy en día se usan en la impresión 4D- “se introdujeron por primera vez mediante la utilización de materiales hidrófilos que se expanden cuando se sumergen en el agua para inducir el plegado geométrico”, es decir, materiales que sufren de cambios al entrar en contacto con el agua.
Un ejemplo de esto es un experimento conducido en 2010 por académicos de la Universidad de Wollongong, en Australia, quienes lograron imprimir un hidrogel capaz de cambiar de forma con cambios de temperatura en el agua. De acuerdo con el profesor Marc in het Panhuis y su equipo de trabajo, el gel biológico pierde gran parte de su agua y se encoge en casi un 50 por ciento cuando es expuesto a temperaturas superiores a los 35 grados Celsius.
A principios de los noventa, científicos e ingenieros han venido desarrollando polímeros electroactivos, que son materiales que se expanden, contraen o doblan cuando se les aplica una carga eléctrica. Sus aplicaciones van desde la creación de sensores hasta la creación de músculos artificiales.
Existen decenas de investigaciones similares sobre procesos y materiales que han sido desarrollados y que poco a poco nos acercan al futuro. Nada raro sería que el día de mañana veamos coches como los de la serie animada “Los Supersónicos” (1962) -plegables en forma de maletín-. Hoy es fantasía, y mañana, el pan de cada día.
PRODUCTOS 4D EN LA ACTUALIDAD
En 2010, en la Universidad de Wollongong en Australia, el profesor Marc en het Panhuis y su equipo de investigadores crearon la primera válvula de agua impresa en 4D, que se cierra cuando se expone al agua caliente y se reabre cuando se expone a bajas temperaturas. Esto fue posible gracias al hidrogel mencionado.
El equipo demostró el funcionamiento de esta válvula vertiendo agua caliente a través de ella y mostrando cómo se cierra instantáneamente. Asimismo, en el video que sigue, se observa cómo el mecanismo se vuelve a abrir cuando el agua fría es bombeada a través de ella. El equipo espera que su invento tenga aplicaciones médicas y biotecnológicas a mediano plazo.
Inclusive para los amantes de la moda, la impresión en 4D permitió la creación de vestidos y ornamentos. En 2014 el estudio de diseño Nervous System presentó la pieza llamada “Kinematics Dress” (“Vestido Cinemático”) que adquirió el Museo de Arte Moderno (MoMa) de Nueva York. Fue creado con una impresora 3D utilizando materiales flexibles y ligeros. Su estructura es similar a la de los eslabones de una cadena.
Actualmente cualquier persona puede obtenerlos por un “módico precio” de 25 mil ó 30 mil pesos mexicanos. El vestido es diseñado a la medida y producido en menos de 48 horas.
Ese mismo año investigadores de Harvard y del MIT desarrollaron “robots origami” capaces de reconfigurarse solos para adquirir diversas formas al ser expuestos al calor. Funcionan con un pequeño magneto y, una vez adquirida la forma específica, el robot es capaz de realizar tareas -como cargar objetos, desplazarse, girar, etc.-. Además, estos robots pueden ser reciclados, ya que los académicos aseguran que su estructura es soluble en líquidos.
Los investigadores buscan crear tecnologías más económicas y asequibles. Aunque por el momento sólo sirvan para realizar tareas de inspección y reconocimiento, los científicos esperan lograr que tengan inteligencia artificial en los próximos años. También piensan que serán de gran utilidad en la medicina del mañana.
El año pasado, un equipo de la Universidad de Michigan (EU) utilizó materiales diseñados con células para crear una férula o cabestrillo diseñado para fortalecer las vías respiratorias de tres menores de edad que sufren de traqueobroncomalacia -una enfermedad que se caracteriza por la debilidad de las paredes de la tráquea y los grandes bronquios-.
Las férulas fueron creadas específicamente para cada caso, por lo que se adaptaron a la forma de los órganos de los niños de tres, cinco y seis meses de vida. Una vez que los dispositivos cumplan su función habrán de disolverse para evitar causar estragos. Es la primera vez que se utiliza la impresión en 3 y 4D para este tipo de procedimientos.
“Hoy vemos una manera de curar enfermedades que han venido matando a niños por generaciones”, comentó la pediatra Glenn Green del Mott Children’s Hospital de la Universidad de Michigan, encargada de redactar el reporte sobre el caso de los niños.
Según los investigadores de esa casa de estudios, esta tecnología podrá ser usada para solucionar padecimientos cardiacos, oncológicos, musculares, entre otros.
