Cambiar de forma pulsando un botón

Una sola pieza de material puede sustituir a sistemas enteros de sensores, reguladores y actuadores.

04.01.2023 - Alemania

Los materiales programables son auténticos cambiaformas. Pueden cambiar sus características de forma controlada y reversible con sólo pulsar un botón, adaptándose de forma independiente a las nuevas condiciones. Pueden utilizarse, por ejemplo, para fabricar cómodas sillas o colchones que eviten las escaras. Para fabricarlos, el soporte se forma de manera que la superficie de contacto sea grande, lo que, como resultado, disminuye la presión sobre partes del cuerpo. Este tipo de material programable está siendo desarrollado por investigadores del Cluster de Excelencia en Materiales Programables CPM de Fraunhofer, que planean sacarlo al mercado con la ayuda de socios industriales. Uno de sus objetivos es reducir el uso de recursos.

Muchas personas de todo el mundo están postradas en cama, ya sea por enfermedad, accidente o vejez. Como los afectados a menudo no pueden moverse o darse la vuelta por sí mismos, suelen acabar con úlceras de decúbito muy dolorosas. En el futuro, debería ser posible evitar las escaras con la ayuda de materiales que puedan programarse para adaptar totalmente su forma y propiedades mecánicas. Por ejemplo, el soporte corporal de los colchones fabricados con materiales programables puede ajustarse en cualquier zona con sólo pulsar un botón. Además, la capa de soporte está formada de tal manera que la presión fuerte sobre un punto puede distribuirse por una zona más amplia. Las zonas de la cama donde se ejerce presión se hacen automáticamente más blandas y elásticas. Los cuidadores también pueden ajustar la posición ergonómica de tumbado para adaptarse mejor a su paciente.

Materiales y microestructuración

Los investigadores del Fraunhofer CPM, formado por seis institutos centrales con el objetivo de diseñar y producir materiales programables, están desarrollando materiales para aplicaciones que requieren cambios específicos de rigidez o forma. Entonces, ¿cómo podemos programar materiales? "Esencialmente, hay dos áreas clave en las que se pueden realizar ajustes: el material base -polímeros termoplásticos en el caso de los colchones y aleaciones metálicas para otras aplicaciones, incluidas las aleaciones con memoria de forma- y, más concretamente, la microestructura", explica el Dr. Heiko Andrä, portavoz sobre el tema en el Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM, uno de los institutos centrales del Fraunhofer CPM. "La microestructura de estos metamateriales está formada por celdas unitarias que constan de elementos estructurales como pequeñas vigas y finas conchas". Mientras que el tamaño de cada celda unitaria y sus elementos estructurales en los materiales celulares convencionales, como las espumas, varían aleatoriamente, las celdas de los materiales programables también son variables, pero pueden definirse con precisión, es decir, programarse. Esta programación puede realizarse, por ejemplo, de forma que la presión en una posición concreta provoque cambios específicos en otras regiones del colchón, es decir, que aumente el tamaño de la superficie de contacto y proporcione un apoyo óptimo a determinadas zonas del cuerpo.

Los materiales también pueden reaccionar a la temperatura o la humedad

El cambio de forma que debe presentar el material y los estímulos a los que reacciona -esfuerzo mecánico, calor, humedad o incluso un campo eléctrico o magnético- pueden determinarse mediante la elección del material y su microestructura. "Los materiales programables permiten adaptar los productos a la aplicación específica o a la persona, de modo que son más multifuncionales que antes. Así, no es necesario cambiarlos tan a menudo. Resulta especialmente interesante en el contexto del ahorro de material y la sostenibilidad", afirma Franziska Wenz, portavoz adjunta sobre el tema en el Instituto Fraunhofer de Mecánica de Materiales IWM, otro de los institutos centrales de Fraunhofer CPM. Esto también puede crear valor añadido, ya que los productos se adaptan a las necesidades individuales de los usuarios".

El camino hacia la aplicación

Una sola pieza de material puede ocupar el lugar de sistemas enteros de sensores, reguladores y actuadores. El objetivo de Fraunhofer CPM es reducir la complejidad de los sistemas integrando sus funcionalidades en el material y reduciendo la diversidad de materiales. Siempre tenemos en mente los productos industriales cuando desarrollamos los materiales programables. Por ello, tenemos en cuenta, entre otras cosas, los procesos de producción en serie y la fatiga de los materiales", afirma Wenz. Los primeros proyectos piloto con socios industriales ya están en marcha. El equipo de investigación espera que, al principio, los materiales programables sustituyan a componentes de sistemas ya existentes o se utilicen en aplicaciones especiales como colchones médicos, sillas cómodas, suelas de zapatos con amortiguación variable y ropa protectora. "Poco a poco, aumentará la proporción de materiales programables utilizados", afirma Andrä. En última instancia, podrán utilizarse en todas partes: desde medicina y artículos deportivos hasta robótica blanda e incluso investigación espacial.

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