Las impresoras 3D actuales, en las que unos dispositivos parecidos a las boquillas de las impresoras de inyección de tinta depositan materiales en capas para construir objetos físicos, son una gran herramienta para los diseñadores que crean prototipos o para las pequeñas empresas con series de producción limitadas.
Sin embargo, tardan mucho en producir objetos que superen un par de centímetros de altura, y muchos investigadores creen que solo alcanzarán todo su potencial cuando puedan generar láminas de materiales con patrones que se deformen automáticamente para adoptar formas más grandes y complejas.
En el último número de la revista Scientific Reports, un equipo de investigadores del MIT y de las empresas Autodesk y Stratasys describe un nuevo proceso para diseñar y fabricar esa «materia programable» que podría hacerla más versátil. Mientras que gran parte del trabajo anterior —en el MIT y en otros lugares— se centró en materiales que se pliegan solos, el nuevo procedimiento produce materiales que también se estiran por sí mismos.
«Si una estructura va a cambiar y aparece curvatura —como al pasar de un dominio plano a algo con curvatura efectiva, como una montaña—, el área va a cambiar», afirma Dan Raviv, investigador posdoctoral del MIT Media Laboratory y autor principal del nuevo artículo. «Va a haber estiramiento. Hasta ahora, la gente solo había considerado la flexión, que mantiene iguales el área y las longitudes. O bien hacían algo de estiramiento, pero sin poder controlarlo ni preprogramarlo. Ahora tenemos que desarrollar nuevos conjuntos de herramientas para hacer ambas cosas».
Raviv forma parte del grupo Camera Culture del Media Lab, dirigido por el profesor asociado de artes y ciencias de los medios Ramesh Raskar y especializado en fotografía computacional. Puede parecer muy alejado de los materiales que se pliegan solos, pero Raviv afirma que su trabajo se centraba en las interpretaciones geométricas de los datos visuales. El marco matemático para asignar puntos de color de una imagen a varios modelos 3D hipotéticos de la escena subyacente es muy parecido al marco para asignar puntos de la superficie de un material que se deforma por sí mismo a sus ubicaciones finales.
Hacerlo realidad
Raviv, Raskar, el estudiante de posgrado Achuta Kadambi y Boxin Shi, otro investigador posdoctoral del grupo de Raskar, habían sido invitados a colaborar en el problema de los materiales imprimibles autoensamblables durante una presentación el año pasado de Skylar Tibbits, científico investigador del Departamento de Arquitectura del MIT que dirige el MIT Self-Assembly Lab. Tibbits prefiere el término «impresión 4D» para describir el trabajo de su laboratorio, donde la cuarta dimensión es el tiempo que tardan los dispositivos en autoensamblarse.
Los investigadores de Camera Culture desarrollaron algoritmos capaces de determinar cuánto debían estirarse las partes de un objeto 3D cualquiera para adaptarse a su deformación y convertirlo en otra forma. Pero encontrar la manera de hacer realidad físicamente esa deformación correspondió al grupo de Tibbits.
Gran parte del trabajo anterior sobre materiales que se pliegan solos ha utilizado laminados: una impresora 3D o una cortadora láser producía láminas con patrones de distintos materiales, que luego los investigadores pegaban a mano. Uno de los materiales se doblaba al calentarse o sumergirse en agua; el otro mantenía rígidas algunas partes de la lámina.
Pero Tibbits defendía la idea de un material verdaderamente imprimible, listo para usar al salir de la impresora. Colaboraba con investigadores de Stratasys, una empresa que fabrica impresoras 3D, quienes habían desarrollado un polímero que se expande al absorber agua. Las impresoras de Stratasys pueden depositar varios polímeros en cada capa de un objeto impreso en 3D, y el grupo de Tibbits había ideado diseños que combinaban polímeros para producir materiales que se plegaban solos al sumergirlos.
La recta final
Junto con Carrie McKnelly, estudiante de posgrado, y Athina Papadopoulou, especialista en investigación —ambas del Departamento de Arquitectura—, Tibbits ideó un diseño sencillo pero elegante de «actuador lineal», es decir, un componente que permitiría estirar segmentos de los materiales impresos. En este componente, dos discos de polímero están conectados entre sí por dos tiras arqueadas de un polímero compuesto. De perfil, el componente se parece al emblema del superhéroe de cómic Green Lantern.
Los bordes interiores de las tiras arqueadas están hechos del polímero expansible y, al absorber agua, las tiras se enderezan.
El grupo de Tibbits experimentó con los grosores relativos de las capas expansibles y rígidas hasta establecer una relación entre el diámetro de la elipse formada por las tiras arqueadas y el grado de expansión. También determinaron cómo estriar los discos situados en los extremos de las tiras con hendiduras y capas de polímero expansible, para que se doblaran en las direcciones adecuadas y se adaptaran a la curvatura de las regiones expansibles del material.
Una vez establecidas las características de rendimiento de sus componentes, los investigadores del MIT colaboraron con colegas de Autodesk, fabricante de software de diseño asistido por computadora, para desarrollar un programa de simulación que determinara si los dispositivos fabricados según sus especificaciones de diseño se autoensamblarían como se esperaba. Los investigadores de Autodesk, al igual que los de Stratasys, son coautores del nuevo artículo.
«No está claro si la estrategia de imprimir en 3D y luego sumergir en agua es una vía tecnológicamente viable para crear arquitecturas adaptables», afirma Jennifer Lewis, profesora de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Harvard. «No obstante, este es un elegante ejemplo de impresión 4D».
Este artículo se publica en colaboración con MIT. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Larry Hardesty colabora con MIT.
Imagen: Una figurita sale de la impresora 3D F1 de Aurora durante la exposición Computex 2014, en el pabellón Nangang del TWTC en Taipéi, el 3 de junio de 2014. REUTERS.
