10/04/2018 - Impresión 4D, uso de materiales que responden a estímulos externos

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La impresión 3D consiste en la adición de material de manera digital para crear objetos complejos tridimensionales. Está 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, 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.

En muchas ocasiones, este tipo de impresión hace uso de materiales termoplásticos que, una vez impresos, resultan en objetos tridimensionales inanimados. El concepto de impresión 4D es ir un paso más allá, porque añade el tiempo como dimensión y consiste en la impresión 3D de 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, por ejemplo, temperatura.

Es el avance que ha conseguido un equipo de investigadores del ICMA (Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC y la Universidad de Zaragoza) dirigido por el científico titular del CSIC, vicedirector del instituto aragonés y reciente premio 2017 de la Real Academia de Ciencias de Zaragoza (sección de Físicas) Carlos Sánchez Somolinos, que ha desarrollado, con la colaboración de la técnico María López Valdeolivas, una plataforma de impresión de polímeros de cristal líquido que responden a un estímulo externo, temperatura en este caso, aunque con otros materiales pueden ser estímulos distintos como luz, pH, humedad, campos magnéticos o eléctricos. La extrusión controlada de estos materiales ha sido empleada para la preparación de estructuras complejas que responden de manera reversible a la temperatura. La clave para el control de la deformación está en la orientación microscópica que adquiere el material durante el proceso de impresión, que permite controlar con precisión la magnitud y la dirección de las fuerzas que va a ejercer luego el material impreso al ser excitado con temperatura. Esto posibilita programar la transformación de las estructuras impresas hacia formas complejas tridimensionales. La plataforma de impresión 4D desarrollada en el ICMA ha permitido implementar diversas funciones y deformaciones complejas, difíciles de lograr con las tecnologías de procesado actualmente disponibles para estos materiales.

El carácter aditivo de esta tecnología de impresión 4D permite pensar en la preparación de elementos estructurados microscópicamente y a la vez fabricados a gran escala que pueden realizar una gran cantidad de trabajo con mucha precisión, funcionando por tanto como auténticos músculos artificiales, reduciéndose así la brecha actual entre estos materiales y las aplicaciones reales.

En colaboración con científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos), los investigadores del ICMA están desarrollando nuevos conceptos y diseños con potencial aplicación en áreas como la háptica (la denominada ciencia del tacto, por analogía con la acústica y la óptica), la biomedicina o la óptica adaptativa. Así, las protuberancias formadas por estos materiales al ser excitados tienen gran potencial para la generación de superficies que ofrezcan sensaciones al tacto tales como dispositivos de lectura Braille. También se han generado membranas de poro regulable que pueden discriminar partículas de diferentes tamaños y formas. Asimismo, se han preparado estructuras capaces de realizar funciones robóticas de traslación y muy novedosamente de rotación que se han aplicado al giro preciso de elementos ópticos. En el ámbito de la óptica adaptativa, se han creado lentes cuya focal puede regularse de manera controlada con la temperatura. Y en robótica blanda, estos sistemas poliméricos, caracterizados por su flexibilidad y adaptabilidad en la deformación, permiten implementar funciones robóticas con potencial uso en cirugía mínimamente invasiva o microfluídica.

Más información:

“4D Printed Actuators with Soft-Robotic Functions” María López-Valdeolivas, Danqing Liu, Dick Jan Broer y Carlos Sánchez-Somolinos Macromolecular Rapid Communications.

https://doi.org/10.1002/marc.201700710

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