Estructuras programables desde la impresora
Nuevo método para imprimir en 3D sistemas de materiales que se mueven como una planta trepadora
Investigadores de la Universidad de Friburgo y la Universidad de Stuttgart han desarrollado un nuevo proceso para producir sistemas de materiales móviles y autoajustables con impresoras 3D estándar. Estos sistemas pueden sufrir complejos cambios de forma, contrayéndose y expandiéndose bajo la influencia de la humedad de forma preprogramada. Los científicos modelaron su desarrollo basándose en los mecanismos de movimiento de la planta trepadora conocida como patata de aire(Dioscorea bulbifera). Con su nuevo método, el equipo ha producido su primer prototipo: una ortesis de antebrazo que se adapta al usuario y que puede seguir desarrollándose para aplicaciones médicas. Este proceso ha sido desarrollado en colaboración por Tiffany Cheng y el Prof. Dr. Achim Menges del Instituto de Diseño y Construcción Computacional (ICD) y el Clúster de Excelencia en Diseño y Construcción Computacional Integrativa para la Arquitectura (IntCDC) de la Universidad de Stuttgart, junto con el Prof. Dr. Thomas Speck del Grupo de Biomecánica Vegetal y el Clúster de Excelencia en Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Energéticos(livMatS) de la Universidad de Friburgo. Los investigadores presentan sus resultados en la revista Advanced Science.
Con su nuevo proceso, el equipo de investigación ha fabricado su primer prototipo, una ortesis de antebrazo que se adapta al usuario y puede desarrollarse para aplicaciones médicas.
Tiffany Cheng, ICD Universität Stuttgart
La impresión en 4D define los cambios de forma
La impresión en 3D se ha consolidado como un proceso de fabricación para una amplia gama de aplicaciones. Incluso puede utilizarse para producir materiales inteligentes y sistemas de materiales que permanecen en movimiento tras la impresión, cambiando de forma autónoma a partir de estímulos externos como la luz, la temperatura o la humedad. Esta llamada "impresión 4D", en la que los cambios de forma predeterminados pueden ser provocados por un estímulo, amplía enormemente las aplicaciones potenciales de los sistemas de materiales. Estos cambios de forma son posibles gracias a la composición química de los materiales, que consisten en polímeros que responden a estímulos. Sin embargo, las impresoras y los materiales de base utilizados para producir estos sistemas de materiales suelen ser muy especializados, hechos a medida y caros, hasta ahora.
Ahora, utilizando impresoras 3D estándar, es posible producir sistemas de materiales que reaccionan a los cambios de humedad. Dada su estructura, estos sistemas de materiales pueden sufrir cambios de forma en todo el sistema o simplemente en las partes individuales. Los investigadores de las Universidades de Friburgo y Stuttgart combinaron múltiples capas hinchables y estabilizadoras para realizar un complejo mecanismo de movimiento: una estructura enrollada que se tensa desplegando "bolsillos" como presores y que puede volver a aflojarse por sí sola cuando los "bolsillos" se liberan y la estructura enrollada vuelve al estado abierto.
Mecanismos de movimiento naturales trasladados a sistemas materiales técnicos
Para este nuevo proceso, los científicos utilizaron un mecanismo de la naturaleza: la patata de aire sube a los árboles ejerciendo presión sobre el tronco de la planta huésped. Para ello, la planta primero se enrosca libremente alrededor del tronco de un árbol. A continuación, brotan estípulas, que son excrecencias basales de las hojas, que aumentan el espacio entre el tallo enrollado y la planta huésped. Esto crea tensión en el tallo de la patata de aire. Para imitar estos mecanismos, los investigadores construyeron un sistema de material modular estructurando sus capas de forma que pudiera doblarse en diferentes direcciones y grados, enrollándose y formando una estructura helicoidal. Las "bolsas" de la superficie hacen que la hélice sea empujada hacia fuera y sometida a tensión, lo que hace que todo el sistema material se contraiga.
"Hasta ahora, nuestro proceso se limita a los materiales base existentes que responden a la humedad", dice Achim Menges. "Esperamos", añade Thomas Speck, "que en el futuro haya materiales baratos que también respondan a otros estímulos para la impresión en 3D y puedan utilizarse con nuestro proceso."
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