Columna de Tecnología: Impresión 4D, agregando “inteligencia” a la próxima revolución industrial

Con impresión 3D se ha avanzado desde los prototipos industriales a biomateriales degradables utilizados en medicina regenerativa y que, en el futuro, harán posible la impresión de órganos. Lo que sigue es el 4D: lograr que estos materiales se puedan mover o cambiar frente a estímulos externos logrando moverse o cambiar.


Capa por capa. La reciente capacidad de fabricar o construir objetos de esta forma y desde un modelo computacional virtual, también conocida como impresión 3D, tiene todas las potencialidades para revolucionar nuestro 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, de tal manera que hoy es un pilar fundamental en lo que se ha denominado la tercera revolución industrial. Lo que sucederá en términos geopolíticos, económicos, sociales, demográficos y ambientales, será equivalente a las revoluciones previas asociadas a la máquina a vapor o a los procesos de industrialización de comienzos del siglo XX.

Parece historia, pero hace sólo una década la única manera de generar un prototipo de cualquier producto era procesándolo en máquinas o equipos industriales tradicionales con un muy alto costo. Hoy, con un simple diseño asistido por computador se puede imprimir cualquier prototipo, acelerando innovaciones y emprendimientos de diversas escalas. La impresión 3D ya está siendo utilizada ampliamente por la industria “tradicional” para la fabricación de repuestos y nuevas partes de aviones, trenes y automóviles, que representa su aplicación más directa como reemplazo a procesos tradicionales de manufactura.

Sin embargo, el gran impacto de la impresión 3D vendrá por la generación de nuevos productos y tecnologías. Quizás uno de los ejemplos más interesantes en este contexto sea el uso de la impresión 3D en medicina regenerativa. Un requerimiento fundamental en el uso de células madre para tratamientos avanzados de regeneración de tejidos, es la construcción de un andamio tridimensional que entregue soporte a las células. Esto basado en que nuestras células naturalmente se encuentran en tejidos formando estructuras 3D. Se están desarrollando biomateriales degradables que una vez impresos, pueden ser infiltrados con células para mejorar su desempeño y capacidad regenerativa. Se puede ir incluso más allá, y hoy se trabaja en “biotintas” que permiten imprimir las mismas células. Estos avances harán posible en un futuro la impresión de órganos que potencialmente podrán solucionar el tema de la carencia de implantes. Otros ejemplos son la creación de los llamados “soft-robots” o “modular-robots”, mediante partes o piezas generadas por impresión 3D, algo en lo que ya se trabaja en Chile.

Al igual que los métodos de manufactura tradicionales, la impresión 3D ha estado enfocada a generar productos “estáticos” o “inertes”, a diferencia de lo que ocurre con los organismos vivos que frente a estímulos externos reaccionan logrando moverse o cambiar. Hoy se quiere evolucionar desde la posibilidad de programar la forma de objetos mediante la impresión 3D hacia la programación del comportamiento de los objetos impresos agregando una cuarta dimensión asociada a sus cambios temporales. Esta nueva revolución se denomina impresión 4D y se basa en imprimir nuevos materiales denominados “inteligentes”, es decir, que sufren un cambio estructural controlado frente a un estímulo externo.

Estos materiales cambian con la temperatura, humedad o luz, alterando su forma o sus propiedades en el tiempo. Por ejemplo, se pueden diseñar telas inteligentes que reaccionen a nuestra sensación térmica: si sentimos calor ellas podrán liberar esta energía y si sentimos frío podrán retener el calor corporal, simplemente mediante cambios en su porosidad de acuerdo a nuestra temperatura o humedad. Así, la impresión 4D es un nuevo paradigma tecnológico al generar productos impresos inteligentes con aplicaciones en textiles, membranas, medicina, robótica, y producción de energía.

En medicina regenerativa, ahora las células impresas podrán dirigirse o diferenciarse gracias a estímulos externos mejorando los procesos tradicionales de tratamiento, o el material que las soporta podrá liberar agentes bioquímicos controladamente. Micro-robots podrán producirse mediante impresión actuando a distancia no-invasivamente, o se podrán producir empaques inteligentes que se auto-ensamblen para proteger productos de valor. En una sociedad donde cada vez se le da más valor al trabajo multidisciplinario, la impresión 4D cumple con esta característica al unir diversas disciplinas científicas para lograr su propósito.

En Chile hemos avanzado en estos temas y, por ejemplo, en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile se tiene un laboratorio de fabricación digital (FabLab) orientado a la generación de productos basados en ciencia e ingeniería, acompañando también a “hardware startups” en el paso de la fabricación de prototipos a productos terminados; grupos de investigación en “soft-robots” y en caracterización avanzada de materiales; y una impresora 3D única en su clase para imprimir los nuevos biomateriales desarrollados (existen solo dos impresoras de este tipo en Latinoamérica). Como país, resalta muy positivamente que el Ministerio de Economía, Fomento y Turismo, haya recientemente financiado un proyecto de investigación Núcleo Milenio que aborda esta temática. Académicos de la Universidad de Chile, de la Pontificia Universidad Católica, y de la Universidad de Aysén, se han unido para desarrollar materiales inteligentes para impresión 3D, siendo un grupo pionero a nivel nacional, regional, y mundial.

Ante la necesidad de los investigadores de estar siempre extendiendo los límites del conocimiento y de la tecnología, hoy surge la pregunta: ¿Se podrá ir más allá de la impresión 4D?. La respuesta es sí, gracias a otro nuevo paradigma científico/tecnológico: la impresión de Metamateriales. Estos materiales presentan propiedades no encontradas en la naturaleza, o inusuales, gracias al diseño geométrico/arquitectónico con el que fueron construidos. La impresión 4D de Metamateriales será la próxima revolución en este ámbito y en Chile ya nos estamos preparando para este desafío.

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.

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