La impresión 4D, conocida como la evolución de las impresoras 3D, viene a transformar el mundo de la impresión. La impresión 3D parecía cumplir la tendencia a la creación de impresiones mucho más realistas. Pero ¿qué pasaría si pudieras imprimir a gran escala y cambiar la forma o el color de un objeto? Eso básicamente es lo que propone la impresión 4D. Por eso, en Futuro Eléctrico hablaremos acerca de qué es este tipo de impresión, cuáles son sus aplicaciones y beneficios. ¿Preparado? Continúa leyendo.

¿Qué es la impresión 4D?

Modelo de impresora 4D

Este tipo de impresión básicamente es una evolución mucho más elaborada de la impresión 3D. Es tan impresionante que tiene la capacidad de hacer que un objeto pueda ensamblarse, repararse e incluso doblarse. Para que esto pueda ser posible se emplea lo que se conoce actualmente como materiales inteligentes.

La impresión 4D es un concepto relativamente nuevo, pero promete cambiar todo el mundo de las impresiones. El origen de las impresoras 4D se relaciona con el surgimiento de la necesidad de crear objetos tridimensionales que pudiesen ser manipulables según las circunstancias.

Su historia se remonta al año 2013 cuando el informático Skylar Tibbits, fundador y codirector del Self-Assembly Lab del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la presentó. En su momento fue una idea bastante novedosa porque se trataba de una tecnología emergente.

Tibbits ha dicho que el principio fundamental de la impresión 4D es programar materiales físicos en conjunto con los biológicos. De hecho, llegó a comentar que:

«La idea detrás de la impresión en 4D es tomar la impresión 3D multimaterial, en la cual se pueden depositar varios materiales y se le agrega una nueva capacidad, la transformación, que instantáneamente pueden transformarse las partes, de una forma a la otra con autonomía».

Entonces, la impresión 4D es un paso más en el área de las impresiones. Lo que resulta bastante sorprendente porque la impresión 3D pareció ser definitiva y no se veía la posibilidad de mejorar. Sin embargo, lo que se busca con esta nueva modalidad de impresoras 4D es ir más allá, al punto de que los objetos puedan tener más autonomía.

En estos momentos, se está trabajando en nuevas formas de impresión 4D a fin de integrar mejores materiales; así como otras tecnologías, entre las que destaca el Rapid Liquid Printing.

¿Cómo funciona una impresora 4D?

Tecnologías del futuro impresión 3D

El funcionamiento de la impresora 4D se basa en una filosofía que puede parecer simplista; en lugar de imprimir estructuras físicas se encarga de imprimir funciones. En ese sentido, utilizan materiales que bajo un factor externo pueden ser programados para cumplir diversas funciones. Esto se logra mediante un ordenador que obedece a varios códigos y algoritmos o a través del uso de varios niveles de temperatura.

Ahora bien, para moldear estos materiales, e incluso para que la impresión 4D empiece a llegar a las masas, se encuentran llevando a cabo diferentes estudios. Por ejemplo, uno de ellos busca la manera de programar la forma deseada del objeto en la microestructura. Otros han mostrado grandes avances luego de la postimpresión.

De hecho, investigadores del MIT imprimieron estructuras 4D con estos materiales y el resultado fue asombroso. Uno se expandió hasta un 200 %, mientras que otro permaneció rígido. Sin embargo, el funcionamiento exacto de estas impresoras 4D sigue en investigación. Los líderes de este proceso son la compañía de software 3D Autodesk, el Laboratorio de autoensamblaje de MIT y el fabricante de impresión 3D Stratasys.

La reacción que tengan los materiales va a depender del tipo de tecnología a la que sea sometido. De manera que antes de imprimir, los diseñadores deben tener en claro qué tipo de cambios o funciones quieran lograr. Esto determinará en gran medida cuál será el material que se utilizará.

Un estudio del Wyss Institute, perteneciente de la Universidad de Harvard, afirma que la impresión 4D se basa en materiales capaces de cambiar con el tiempo. De hecho, menciona el funcionamiento del material compuesto por estructuras de hidrogel.

De acuerdo con la investigación, con este material  se puede crear un objeto que al contacto con el agua, se modifica en forma. Para su fabricación se inspiraron en estructuras naturales. También hicieron uso de algoritmos matemáticos para el diseño.

Materiales para impresión 4D

Impresión 4D de materiales de construcción a gran escala

Tibbits, desde el inicio de la impresión 4D, habló acerca de la creación de materiales que permitieran la aplicación de energías como las siguientes: térmica, cinética, neumática, gravitatoria y magnética. A partir de ahí se continuó con esta línea de investigación.

Uno de los principales avances fue posible gracias a LiveScience, quienes elaboraron implantes con un material benigno llamado polycaprolactone. El uso de este material fue muysorprendente, debido a que se realizó uno de los primeros procesos quirúrgicos donde se integró un implante respiratorio con esta tecnología en bebés.

En la aplicación médica también se pudiesen utilizar los hidrogeles, porque están elaborados a base de agua. Además, tienen alto nivel de biocompatibilidad y pueden ser usados en procesos fotopolimerización.

Sin embargo, para que la impresión 4D sea un verdadero éxito se necesita estudiar muy bien los materiales y entender las posibles reacciones que pudiesen tener. De esta manera, uno de los más populares son los elastómeros de cristal líquido (LCE). Estos contienen cristales líquidos que son sensibles al calor.

Por otro lado, se encuentran los polímeros con memoria de forma (PMF), los cuales pueden transformarse gracias a un campo magnético o por la inmersión en agua. La particularidad de este tipo de materiales es que son capaces de memorizar una forma macroscópica, la pueden mantener y luego volver a su estado natural. ¡Sin ningún tipo de deformación!

El padre de la impresión 4D, Tibbits, llegó a mencionar que se necesita la creación de nuevos materiales que puedan programarse a sí mismos. De ahí que otros materiales sigan en investigaciones.

Beneficios de la impresión 4D

Aplicación de la impresión 4D en medicina

Los principales beneficios de la impresión 4D se encuentran en el campo de la construcción y la salud. En el primer caso, se habla de que los materiales para construir un edificio o una vivienda pueden ser mucho más accesibles.

Imagina que el futuro de la construcción sea con impresión 4D, sin duda, los ingenieros y arquitectos pueden presentar diseños mejorados. Eso sin mencionar que se pueden abaratar los costos e incluso se pueden imprimir a gran escala todo lo necesario.

Por ejemplo, Tibbits adelantó su idea de hacer mejores tuberías que se pudiesen modificar según las condiciones: cambiarían de forma según el volumen de agua que contenga. Lo que sí queda claro es que la construcción está teniendo mejoras gracias a la tecnología, de momento, ya se habla de cómo la inteligencia artificial puede incidir en este campo.

Por otro lado, los beneficios en la salud pueden ser gigantescos. Anteriormente, la impresión 3D logró implantar diferentes huesos. Pero gracias a la impresión 4D esta intervención quirúrgica puede ser para toda la vida. El motivo es que pueden ir creciendo en la medida que la persona lo haga.

Esto sin duda es uno de los beneficios más esperanzadores para el futuro. Pero tiene dos gran retos por superar, el primero de ellos es que se debe modificar la regulación existente para integrar esta nueva tecnología y el segundo es que parece haber desinterés por parte de la comunidad científica.

Por otro lado, la impresión 4D puede evitar que se siga produciendo contaminación. Esto se debe a que los materiales pueden ser reutilizable e incluso tener un tiempo de vida mucho más largo. Además, las impresoras 4D gastan menos energía eléctrica.

Aplicaciones de la impresión 4D

Impresión de zapatos en impresora 4D

  • Sector transporte: Hace poco la empresa BMW y el MIT presentaron un nuevo tipo de material inflamable que puede cambiar su forma de acuerdo con la presión del aire. La idea es que pueda ser empleado para la impresión de neumáticos para que tengan la capacidad de repararse a sí mismos en caso de que sufran una abolladura.
  • Aeronáutica: La empresa Airbus se encuentra trabajando en una tecnología de impresión 4D que reaccione a la presión atmosférica. Lo que se busca con estos componentes es que el peso de los aviones sea mucho más ligero al imprimir bisagras o cualquier otro elementos mecánico. De igual forma, la NASA ha presentado una tela metálica inteligente con la impresión 4D. Esta puede proteger las naves espaciales, e incluso los trajes de los astronautas contra el impacto de meteoritos.
  • Vestuario: Este tipo de impresión puede ser novedosa para la creación de prendas de vestir que realmente se adapten a nuestro cuerpo o que incluso puedan regular la temperatura de acuerdo a los cambios climáticos.  En el caso de los zapatos, se pueden adaptar al movimiento, el impacto y la presión atmosférica.
  • Medicina: No solo se busca que la impresión 4D sea útil para los implantes, sino que se trabaja en la creación de un dispositivo de administración de medicamentos. El objetivo es que solo le suministre a un paciente una dosis cuando haya certeza de que la necesite.
  • Robótica: La impresión 4D puede ser beneficiosa para la robótica. Por ejemplo, la creación de nanorobots o robots puede ser mucho más minuciosa con el software adecuado. De momento, se están llevando a cabo algunos ensayos que permitan ensamblar estos robots. Tibbits se atrevió a decir que la impresión 4D es mejor que la robótica porque no incluye motores ni cables.

El futuro de la impresión 4D

Funcionamiento de impresora 4D

Las expectativas están altas con respecto al futuro de la impresión 4D, sobre todo porque no se ha alcanzo el clímax de su potencial. Además, son cientos las empresas que han mostrado interés. De hecho, se estima que para el 2023 se atraigan cerca de $300 millones en capital de riesgo.

Dentro de las predicciones también se encuentra que los próximos cinco años serán claves, siendo el mercado norteamericano y europeo quienes dominen el terreno de la impresión 4D. También las empresas que hoy en día lideran la impresión 3D pueden convertirse en las que lleven la delantera de esta nueva tecnología.

Por otro lado, se espera que el mercado total alcance los 537 millones de dólares para el 2025, según el informe 4D Printing Market by Material–Global Trends & Forecasts to 2019 – 2025. De allí que se busque reducir los costos de producción e investigación para que las empresas puedan aprovechar al máximo la impresión 4D.

Pero este futuro enfrenta retos adicionales. Para muchos esta tecnología es extraña e incluso puede resultar inestable. Las dudas aumentan porque al día de hoy no hay claridad sobre qué tan resistentes son los materiales. Por otro lado, su aplicación puede tener precios tan elevados que la democratización parece lejana.

¿Crees posible tener en uno meses una impresora 4D en tu hogar? De momento, la respuesta es no. Por eso el futuro se vislumbra tan lejos. Esperemos que sus aplicaciones puedan transcender verdaderamente a fin de que podamos ver sus beneficios a gran escala.

Palabras finales

La impresión 4D por ahora sufre las consecuencias de ser subestimada por el miedo a lo novedoso. Pero lo innegable es que representa la evolución de la impresión 3D. Se espera que su impacto sea mucho más apoteósico e incluso que pueda irrumpir en nuestra cotidianidad. ¿Estás listo para su llegada?

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