Chau Hon Ho ABB Future Labs Baden-Dättwil, Switzerland, chau-hon.ho@ch.abb.com
¿Qué pasaría si los objetos inertes de diseño con formas complejas pudieran comportarse como organismos vivos, detectando estímulos externos y respondiendo adaptándose a su entorno? ¿Y qué pasaría si pudieran volver a su estado original una vez que desapareciera ese estímulo o se activase otro? Al cambiar una propiedad fundamental como la forma, con el tiempo, y sin necesidad de sistemas electromecánicos o sistemas de control computerizados, las estructuras podrían automontarse, autoadaptarse e incluso autorrepararse. Las implicaciones para la sociedad y las empresas serían revolucionarias. Esta idea aparentemente descabellada ya no está relegada al ámbito de la ciencia ficción.
Investigadores de instituciones y laboratorios punteros de todo el mundo están combinando los avances en la impresión 3D de estructuras complejas con nuevos materiales inteligentes de respuesta para crear estructuras impresas en 4D que hacen exactamente eso. Con la Cuarta Revolución Industrial ya muy avanzada, las industrias que aprovechen sus posibilidades sin precedentes tendrán sin duda una ventaja económica.Con este conocimiento, instituciones y empresas están invirtiendo en tecnologías que rompen barreras y la impresión 4D posee un potencial radical.
Combinando el proceso de impresión 3D, los materiales inteligentes, el modelado matemático y los algoritmos de aprendizaje automático, los investigadores están creando objetos 3D que reaccionan a estímulos externos transformándose con el tiempo, añadiendo así una cuarta dimensión. El nivel deautonomía estructural alcanzado no tiene precedentes.
Esta tecnología podría permitir la evolución de productos o agentes analógicos autónomos sin necesidad de potencia computerizada en el dispositivo. Los componentes impresos en 4D que cambian de forma o se mueven sin motores, cables o fuentes de energía activas se comportarían de la misma forma que los organismos biológicos →01. Las futuras aplicaciones de estas las estructuras en las industrias de construcción, transporte, textil, salud, defensa y aeroespacial son enormes.
Impresión 3D: aspectos básicos
Inventada en la década de los 80, la fabricación aditiva o la impresión 3D no es como las técnicas de fabricación tradicionales, en las que las piezas se funden, moldean o fresan; en este caso el material se deposita en capas sucesivas para crear el objeto deseado. Aunque todavía no es común, la impresión 3D se utiliza ampliamente, por ejemplo, en robótica ,biomedicina y ciencia aeroespacial, porque permite la fabricación de estructuras 3D únicas y personalizadas. En la actualidad, los algoritmos de modelado matemático y aprendizaje automático se aplican cada vez más para impulsar el diseño, el desarrollo de materiales y el control de la impresión.
En 2019, MX3D, una empresa holandesa, imprimió en 3D un brazo robótico para personalizar y optimizar un brazo robótico suministrado por ABB. Una técnica especial de impresión 3D, Wire ArcAdditive Manufacturing, permitió imprimir en posición vertical las complejas geometrías orgánicas. Los algoritmos inteligentes determinaron la estrategia de impresión óptima y la dirección de la ruta de la herramienta para cada característica geométrica. Aquí, la impresión 3D se aplica a la personalización generativa de diseño, ahorra tiempo y reduce costes al aumentar la productividad y reducir el desperdicio de material, importante para aplicaciones robóticas personalizadas →02 [1].
Preparando el camino hacia la impresión 4D
El desarrollo de materiales inteligentes (materiales que contienen componentes funcionales o reactivos diseñados matemáticamente para responder a estímulos ambientales externos específicos) y la disponibilidad de impresión 3D sentaron las bases para la impresión 4D. El arquitecto y científico informático Skylar Tibbits fue el que acuñó el término «impresión 4D» en 2013. Aunque muchos laboratorios estaban explorando simultáneamente esta combinación, Tibbits y su grupo en el Massachusetts Institute ofTechnology (MIT) fundaron el Self-Assembly Laben 2014. Su visión continua se centra en tres funcionalidades fundamentales de los objetos impresos en 4D: autoensamblaje, autoadaptabilidad y autorreparación.
Autoensamblaje: Si las estructuras pudieran ensamblarsede forma autónoma en un momento y lugares pecíficos sin intervención, ya sea de sistemas humanos o electromecánicos, entonces se podrían construir estructuras o incluso edificios en lugares de difícil acceso o peligrosos. En una escala macro, las antenas espaciales podían autoconstruirse enel espacio exterior; y en una nanoescala, objetos diminutos podrían transportarse dentro del cuerpo humano hasta un lugar objetivo y autoensamblarsecon fines médicos.
Autoadaptabilidad: Las estructuras impresas en 4D también pueden combinar detección y actuación dentro del material impreso, haciendo así que los sistemas electromecánicos sean superfluos. La consiguiente reducción de piezas, del tiempo de ensamblaje y del uso de materiales y energía se traduciría en menos costes. Imagine materiales de construcción que pueden adaptarse de forma autónoma a las condiciones meteorológicas.
Autorreparación: La capacidad de autoensamblar serequiere la capacidad de desensamblarse. Esto abre la puerta al concepto de autorreparación. Imaginen una fuga de agua en una tubería en una zona de guerra que pueda autorrepararse sin necesidad de sistemas de detección y localización o intervención humana; o tejidos inteligentes implantados médicamente que puedan autocurarse, reduciendo así la necesidad de procedimientos invasivos.
Estructuras inteligentes transformadoras
La impresión 4D exitosa requiere impresión 3D, materialesinteligentes (aquellos que reaccionan a un activadorde estímulo ambiental externo), un estímulo externo(por ejemplo, temperatura, humedad, campo magnético,etc.), un mecanismo bien definido de interacciónentre el estímulo y el material (por ejemplo, cambio deforma debido a la absorción de agua) y la aplicación demodelado matemático para diseñar la distribución y funcionalidad del material y para predecir y programar elmovimiento más adelante. De este modo, se consigue elcambio deseado en la forma, propiedad o función.Para cambiar de forma, los materiales inteligentesdeben poder doblarse, plegarse, girarse o retorcerse,una vez impresos, para lograr la estructura deseada.
Por ejemplo, una capa plana de 2D podría convertirseen una forma cúbica en 3D autoplegándose →03a [2]o una lámina plana 2D podría adquirir una forma deflor en 3D al autorretorcerse o autorizarse cuandose sumerge en agua →03b [3] o un trozo de cable de1D podría autoplegarse para convertirse en unmarco 3D →03c [4–5].
03a. Una capa 2D se autopliega para formar un cubo. 
03b. Los materiales 4D de composiciones variables pueden adquirir formas específicas, mensurables y orgánicas como estos compuestos de hidrogel impresos que cambian de forma cuando se exponen al agua. 
03c. Un hilo 1D se autopliega hasta convertirse en una jaula de 3D. El hilo, compuesto de material de diseño, morfa cuando se sumerge en agua.
03. Los materiales inteligentes se doblan, curvan o retuercen una vez impresos hasta adquirir la forma deseada en un momento específico.
Cambio de forma: una calle de doble sentido
En la actualidad, se utilizan materiales con memoria de formas complejas (SMM) para «recordar» un estado específico: un efecto de memoria de forma(SME). Este efecto requiere al menos dos pasos de programación: se aplica el estímulo; la forma original del objeto impreso en 3D se transforma en un estado temporal en el que el objeto permanece hasta que se aplica un segundo estímulo para volver a cambiar el objeto a su forma original. Una vez alterada, la estructura puede, mediante programación o sin programación, recrear el estado temporal una y otra vez: un proceso reversible [6]. Los SMM más comunes explorados para la impresión 4D están basados en hidrogeles o elastómeros de cristal líquido, y diversos híbridos de los mismos. Estas sustancias poliméricas hidrófilas pueden absorber grandes cantidades de agua sin disolverse: se prefieren las variedades sintéticas debido a su larga vida útil y a la resistencia del gel [7]. Los elastómerosde cristal líquido son redes de polímero que puedenexperimentar un cambio de forma de gran amplitudtotalmente reversible. Combinan la elasticidad delos elastómeros con la autoorganización y, por tanto,la propiedad programable de los cristales líquidos.Debido a sus estructuras, este material es prometedoren biomedicina, por ejemplo, tejidos muscularesartificiales y microrobots blandos.
La investigación y el desarrollo impulsan la expansión
Actualmente, otros centros de investigación de primernivel como el Wyss Research Institute for BiomedicalResearch de la Universidad de Harvard, la Universidad de Rutgers, el Swiss Federal Institute of Technology(ETH) de Zúrich y el California Institute of Technology(CIT) además del MIT están logrando avancesespectaculares en impresión 4D.La posibilidad de utilizar la impresión 4D para replicarbiología está siendo estudiada por equipos del InstitutoWyss de la Universidad de Harvard, liderados por JenniferLewis. Estos investigadores estudian cómo el hidrogelcambia de forma y dimensiones en presencia de estímulosquímicos, como el agua. Utilizado como tinta, elhidrogel permite que los objetos sobre los que imprimecambien de dimensiones para formar diferentes estructuras similares a las que se encuentran en las flores.Las microestructuras tisulares y las composicionesde diferentes plantas cambian según su entorno. Esteequipo de investigación replicó este proceso orgánicomezclando un hidrogel impreso en 4D con fibrillas decelulosa para crear compuestos programados paracontrolar la inflamación. Las formas de flores impresasen 3D cambian de forma cuando se exponen al agua,imitando así las respuestas de los órganos de la planta ala humedad, la temperatura u otros estímulos ambientales→03b.Otros equipos están imprimiendo hidrogeles queresponden a estímulos físicos, como la temperatura.En la Universidad de Rutgers, una técnica basadaen litografía, microestéreo-litografía de proyección(PμSL), geles impresos de cambio de forma en funciónde la temperatura en formas 3D. Estas estructurasimpresas en 4D podrían utilizarse para desarrollaratenuadores en la robótica blanda o permitir la administraciónselectiva de fármacos →04 [8].En el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en CIT, losinvestigadores están estudiando tejidos de metal, loque se conoce como cadena espacial. El tejido tienecuatro funciones esenciales: reflectividad, gestiónpasiva del calor, plegabilidad y resistencia a la tracción.Un lado del tejido refleja la luz, mientras que el otro laabsorbe, actuando así como medio de control térmico.El tejido puede plegarse de muchas formas diferentesy adaptarse a las formas sin sucumbir a las influenciasnegativas de la fuerza. La capacidad de programarnuevas funciones en el material crea posibilidadescasi infinitas. Un día estos materiales podrían llegar autilizarse para construir grandes antenas en el espacio,crear trajes protectores para astronautas o actuar comoescudos contra meteoritos [9].Los investigadores, Kristina Shea y Tian Chen, de ETHZurich, utilizaron una impresora Stratasys Objet3Connex500 para crear objetos hechos de polímeroscon memoria de forma, un polímero rígido resistente ala temperatura y un polímero similar a un elastómero.Los objetos se imprimieron como estructuras planasde 2D que se desplegaban en formas 3D con cargacuando se sumergían en agua tibia. La capacidad dealterar las capacidades de carga a lo largo del tiempopodría ser especialmente interesante en los camposde la exploración espacial, la arquitectura y la construccióny la industria del automóvil [10–11].
04a. Esquema quemuestra el proceso de impresión PμSL , que se basa en la luz UV. 
04b. Se muestran los resultados del estudio de profundidad de curado. 
04c Se muestra la hinchazón asociada a la temperatura del hidrogel impreso.
04. El procedimiento para imprimir hidrogel sensible a la temperatura utilizando un proceso desarrollado en la Universidad de Rutgers.
En el Jet Propulsion Laboratory de la NASA en CIT, los investigadores están estudiando tejidos de metal, lo que se conoce como cadena espacial. El tejido tiene cuatro funciones esenciales: reflectividad, gestión pasiva del calor, plegabilidad y resistencia a la tracción.Un lado del tejido refleja la luz, mientras que el otro la absorbe, actuando así como medio de control térmico.El tejido puede plegarse de muchas formas diferentes y adaptarse a las formas sin sucumbir a las influencias negativas de la fuerza. La capacidad de programar nuevas funciones en el material crea posibilidades casi infinitas. Un día estos materiales podrían llegar a utilizarse para construir grandes antenas en el espacio, crear trajes protectores para astronautas o actuar como escudos contra meteoritos [9].
Los investigadores, Kristina Shea y Tian Chen, de ETHZurich, utilizaron una impresora Stratasys Objet3 Connex500 para crear objetos hechos de polímeros con memoria de forma, un polímero rígido resistente a la temperatura y un polímero similar a un elastómero. Los objetos se imprimieron como estructuras planas de 2D que se desplegaban en formas 3D con carga cuando se sumergían en agua tibia. La capacidad de alterar las capacidades de carga a lo largo del tiempo podría ser especialmente interesante en los campos de la exploración espacial, la arquitectura y la construcción y la industria del automóvil [10–11].
Retos y limitaciones
A pesar de los avances en la impresión 4D, deben abordarse desafíos y limitaciones antes de que la impresión 4D pueda salir de los laboratorios de investigación; entre ellos están la inercia física, los materiales, la durabilidad, los factores de dependencia y el coste. Actualmente, el proceso de transformacióntarda entre milisegundos y segundos en completarseporque las moléculas grandes deben reubicarse,moviéndose a distancias específicas; este tiempopuede ser apropiado, demasiado lento o demasiado rápido en función de la aplicación (por ejemplo ,para materiales de construcción el proceso sería correcto). Además, los materiales sensibles a los estímulos suelen estar hechos de una gama limitada de polímeros y, por lo tanto, restringidos acondiciones ambientales específicas, como el calor, la presión, los productos químicos, etc. Para aumentar la fiabilidad y la durabilidad de losmateriales inteligentes, también podrían utilizarse compuestos que incluyen metales y cerámica. Y, dado que la transformación estructural y su duración dependen de múltiples factores, diferentes condiciones ambientales pueden causar diferentes tiempos de respuesta; esto podría ser problemático. Además, la impresión 4D está actualmente arraigada en nichos bien financiados, por ejemplo, médicos, militares y de lujo; pero se extenderá a los sectores principales en el futuro.
El futuro es 4D
Aunque actualmente está limitada a la investigación y el desarrollo, se espera que la promesa de beneficios dinamice la impresión 4D durante la próxima década. Los sectores sanitario, aeroespacial, defensa y automoción están empezando a aprovechar sus posibilidades.
Sin embargo, aún queda por explorar debidamente toda una gama de posibilidades de diseño de productos y funcionalidades adicionales. Por ejemplo, podrían integrarse características de diseño con conexiones impresas en 4D, para permitir la facilidad de desensamblaje del producto, fomentando así la reutilización (o reciclado) de los componentes. Y, para cumplir con los requisitos medioambientales más amplios, se necesita una gama más amplia de materiales y compuestos adecuados. Además, se debe hacer más esfuerzo por controlar la estabilidad de los objetos impresos en 4D y optimizar el proceso de impresión 4D. No obstante, las empresas que deseen recoger los frutos de la innovación digital deberían contemplar el potencial sin precedentesde la impresión 4D, especialmente como facilitador para la creación de agentes autónomos en movimiento. A medida que la Cuarta Revolución Industrial avanza; y los avances en el diseño inteligente de materiales, la tecnología de impresión 4D y la robótica cobran impulso, antes de que nos demos cuenta, es posible que no solo puedan imprimirse brazos robóticos personalizados para soportar procesos industriales, sino que serán los propios robots los que puedan diseñarse, construirse y repararse a sí mismos, en cualquier lugar y en cualquier momento.
Referencias
[1] Altair, ABB, “MX3D Robot Arm”, 2019, Online. Available: https://mx3d.com/projects/robot-arm/
[2] S. Tibbets et al., “4D Printing: multi-material shape change” Architect Design, vol. 84, 2014, pp. 116–121.
[3] Wyss Institute at Harvard, “Novel 4D printing method blossoms from botanical inspiration”, 2016, Online. Available: https://wyss.harvard.edu/news/novel-4d-printing-method/ Accessed on 9 Dec. 2019.
[4] S. Tibbets et al., “4D printing and universal transformation”, in Material Agency, 2014. pp. 539–548.
[5] F. Momeni et al., “A review of 4D printing” in Materials and Design, 2017, pp. 42–79.
[6] Zhou et al., “Reversible shape-shifting in polymeric materials”, in Journal of Polymer Science & Polymer Physics, vol. 54, 2016, pp. 1365–1380.
[7] “Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review”, in Journal of Advanced Research, vol. 6 issue 2, 2015, pp. 105–121. Online. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123213000 969
[8] D. Han, Z. Lu, C. Shaun and H. Lee, “Micro 3D Printing of a Temperature-Responsive Hydrogel Using Projection Micro- Stereolithography”, in Sci. Reports, no. 8, 31 Jan. 2018, Online. Available: https://www.nature.com/articles/s41598-018-20385-2
[9] NASA Jet Propulsion Laboratory, “Space Fabric links Fashion and Engineering”, April 18, 2017, Online. Available: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6816
[10] C. Scott, “ETH Zurich Researchers Develop 4D Printed Load-Bearing Polymer Structures”, 2018, Online. Available: https://3dprint.com/219758/eth-zurich-4d-printed- structures-2/
[11] Tian Chen and Kristina Shea, “An Autonomous Programmable Actuator and Shape Reconfigurable Structures Using Bistability and Shape Memory Polymers” in 3D Printing and Additive Manufacturing, vol. 5, No 2. 1 June 2018 https://doi.org/10.3929/ethz-b-000267291
