La “revolución D” y la apertura de un nuevo paradigma

La Argentina lentamente comienza a adentrarse en el mundo de la impresión 3D. Sin embargo, en algunos lugares del planeta ya se habla de 4D. ¿En qué consiste? Máquinas y equipos conversó con el doctor en Ciencias de la Ingeniería mención Materiales de la Universidad de Chile, Humberto Palza, quien compartió su visión sobre esta nueva tecnología y lo que está por venir.

Revolucion D

La Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés), la Inteligencia Artificial (IA), la impresión 3D y la robótica, se han transformado en los principales protagonistas de la Industria 4.0, un nuevo arquetipo que lentamente se abre paso en la industria nacional.

En lo que se refiere a 3D, específicamente, los expertos afirman que está “revolucionando” los paradigmas de muchos negocios e industrias. En los procesos industriales se están abaratando y acelerando las mejoras y los nuevos desarrollos. También genera ahorros y cambios en la manufactura de productos finales. Esta técnica tiene todas las potencialidades para revolucionar el mundo en aspectos que van mucho más allá de lo tecnológico. Se pronostica que generará cambios profundos en los modelos de negocios, la logística de producción y en la cadena de suministros. Lo que sucederá en términos geopolíticos, económicos, sociales, demográficos y ambientales, podría ser equivalente a las revoluciones previas asociadas a la máquina a vapor o a los procesos de industrialización de comienzos del siglo XX.

Si bien esta revolución del 3D recién está consolidándose en el planeta, la ciencia ya comienza a hablar de lo que vendrá después de esta: la impresión 4D. ¿Qué es?, ¿en qué consiste?, ¿y de qué manera afectará a la industria y al desarrollo humano? Para responder a todas esas interrogantes, Máquinas y equipos conversó con el doctor en Ciencias de la Ingeniería mención Materiales de la Universidad de Chile, Humberto Palza, quien compartió su visión sobre esta nueva tecnología y lo que está por venir.

“LA IMPRESIÓN 4D GENERA
PRODUCTOS “VIVOS” O “INTELIGENTES”, DADO QUE PUEDEN CAMBIAR Y
ADAPTARSE AL ENTORNO PARA CUMPLIR UNA
FUNCIÓN ESPECÍFICA”.

¿En qué consiste la impresión 4D y en qué se diferencia de la 3D?

La impresión 4D nace de agregar la dimensión temporal a la impresión 3D, y por lo tanto se refiere al conjunto de tecnologías que buscan producir objetos que una vez impresos sean capaces de interactuar con el medio externo y reaccionar activamente en el tiempo. La impresión 3D está caracterizada por la fabricación aditiva (capa por capa) de productos inertes, y que por lo tanto no cambien en el tiempo. En cambio, la impresión 4D genera productos “vivos” o “inteligentes”, dado que pueden cambiar y adaptarse al entorno para cumplir una función específica.

¿Qué disciplinas técnicas y científicas la componen?

Una de las características más relevantes de la impresión 4D, es que al igual de cualquier tecnología global, une una gran variedad de disciplinas dada las complejidades técnicas que debe abarcar. Requiere las disciplinas involucradas en la impresión 3D tradicional, tales como ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica, arquitectura y el diseño, pero también aquellas asociadas al desarrollo de materiales inteligentes (smart materials), dentro de las cuales está la química, física, biología y medicina.

Revolucion D
El concepto de inteligencia tiene muchas interpretaciones y mucha gente hoy en día la asocia con la inteligencia artificial. Sin embargo, en el ámbito de la ciencia de los materiales, se refiere a la generación de materiales que no sean inertes, y que se acerquen al concepto de materia “viva”. Así, se entiende que un material es inteligente cuando es capaz de reaccionar o responder de manera controlada frente a un estímulo externo. Hoy existen materiales que son capaces de cambiar de color, forma, estructura, o volumen frente a estímulos externos tan variados como la luz, la temperatura, la presión, y la electricidad.

La medicina es quizás el campo donde mejor se representa el concepto de materiales inteligentes, y hoy existen materiales micrométricos que son capaces de liberar fármacos o drogas de manera controlada y exactamente en el lugar donde se encuentra un tumor maligno, evitando las consecuencias negativas de los tratamientos tradicionales del cáncer. Otro ejemplo más cotidiano es toda la tecnología touch de los smartphones, o celulares de última generación, que se basa en la capacidad de las pantallas de reaccionar frente al contacto de nuestros dedos. Y existen una gran variedad de ejemplos más. Así, la impresión 4D imprime en 3D materiales inteligentes.

¿Qué aplicación tiene (o podría tener) esta tecnología en la industria?

La fabricación 3D de materiales inteligentes tiene una gran variedad de aplicaciones en la industria, aunque su real impacto se verá en el futuro. Si bien se trata de una tecnología que está en su etapa inicial de desarrollo, se pronostica que tendrán dos grandes áreas de desarrollo industrial: biomedicina y robótica.

En biomedicina se trabaja en la impresión de órganos, no como una prótesis tradicional que solo logra reemplazar la función mecánica, sino como un órgano sintético que logra estimular las células de nuestro propio organismo para que sean ellas mismas las que regeneren el órgano dañado. En el futuro cercano, se podrá imprimir una estructura ósea sintética con la forma y tamaño del hueso a tratar, y con la capacidad de promover en el tiempo la formación de hueso natural. Si este material 4D es además biodegradable, en el tiempo desaparecerá y en su lugar tendremos hueso natural. Esto es opuesto a lo que sucede por ejemplo con las prótesis de titanio, que es inerte.

En robótica tendrá un impacto al reemplazar nuestro actual concepto de robot humanoides. Hoy en día la impresión 4D busca imprimir sistemas que repliquen organismos vivos, y que sean capaces de moverse y actuar de manera controlada, imitando la movilidad de organismos vivos simples desde bacterias a espermatozoides. Al ser hechos de materia orgánica, son más livianos y biocompatibles para aplicaciones en salud. Hoy se están diseñando estructuras inteligentes micrométricos que pueden transportar drogas dentro de las arterias. Por otro lado, su menor peso y tamaño, evita los problemas de energía que tienen los robots tradicionales. A esto se le conoce como soft-robots, y es una tecnología muy investigada en la actualidad como actuadores a distancia.

¿Es posible ir aún más allá de la impresión 4D?

Quizás el paso más relevante en la impresión 3D y 4D sea utilizar su potencial para fabricar estructuras complejas y hechas a medida buscando ir más allá de las propiedades tradicionales. Un área reciente de investigación dentro de la física y la ingeniería es el desarrollo de metamateriales, que tal como lo indica su nombre buscar superar las propiedades intrínsica del material. Se entiende a un metamaterial como una estructura diseñada para presentar propiedades inusuales, muchas veces no encontradas en la naturaleza, las que se originan por el diseño macroscópico de su estructura. Quizás el mejor ejemplo sea el arte japonés del Origami, donde los pliegues en un papel pueden generar estructuras que tienen propiedades muy superiores a las del papel mismo. La ciencia de los matemateriales busca ampliar este mismo concepto a otras propiedades. La mejor manera de construir estas nuevas estructuras es por impresión 3D, y si hacemos que el metamaterial sea inteligente, tendremos la unión con la impresión 4D.

Por lo tanto, la impresión de estructuras complejas que tengan propiedades más allá de la materia del cual está construido, y que además sea activa en el tiempo, es lo que busca la impresión 4D de metamateriales.

 

¿Está trabajando actualmente en algún proyecto cercano a lo que sería la
impresión 4D?

El Ministerio de Economía de Chile financia proyectos denominados Núcleos Milenio, y busca apoyar investigaciones de frontera en las diferentes áreas del conocimiento. Este año se ha financiado un proyecto que busca desarrollar la impresión 4D para biomateriales y para la fabricación de soft-robots. Se trata de un proyecto único en su clase, tanto a nivel regional como mundial, lo que implica un gran desafío tecnológico.

Humberto Palza

Humberto Palza es doctor en Ciencias de la Ingeniería mención Materiales de la Universidad de Chile. Académico e investigador del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales, de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile, y director del Núcleo Milenio en Materiales Mecánicos Suaves e Inteligentes.

Más información: www.ingenieria.uchile.cl

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