Por lo general, 4D significa un espacio de cuatro dimensiones en el que existen objetos de cuatro dimensiones: un tesseract, un icocitrachor (no tiene análogos en el mundo tridimensional) y similares. Hace unos años, el término 4D se usaba para referirse a una tecnología especial para imprimir objetos que cambian sus características con el tiempo. Por lo tanto, en la impresión 4D, el "cuarto" no se llama medición, sino el parámetro con el que se asocia la posición (posiblemente la función) del objeto.
La tecnología de impresora 4D no es revolucionaria en comparación con la impresión 3D convencional: un objeto se crea capa por capa de la misma manera. Lo más interesante sucede más tarde, cuando el artículo terminado comienza a cambiar. Y aquí todo depende del material utilizado en la impresora. Los materiales especiales cambian bajo la influencia del agua, el calor, la luz, la tensión mecánica y también se pueden programar para ciertas acciones.
Veamos por qué se necesita la impresión 4D y cómo se construye un mundo sobre la base de cosas que cambian su forma y comportamiento.
Autos del futuro
El año pasado, BMW presentó cómo se verían los autos del futuro. El concepto no estuvo exento del uso de 4D. Según lo concebido por los ingenieros, la carrocería del automóvil consta de secciones triangulares móviles impresas en una impresora 4D. Dichas partes tendrán una funcionalidad integrada, que ahora se logra liberando diferentes partes y ensamblando un mecanismo a partir de ellas.
Gracias al uso de materiales especiales de características similares a la fibra de carbono, cada sección desde el momento de la producción tendrá funciones programadas. Por ejemplo, la mayor parte de la cobertura servirá para nichos de ruedas diseñados para una mejor aerodinámica. Durante el giro, las secciones triangulares se estiran y los neumáticos no rozan los arcos.
Una demostración visual de las capacidades del concept car, creado mediante la impresión en cuatro dimensiones:
Cambio de forma al contacto con el agua.
Un equipo de científicos de la Universidad de Harvard llamó la atención sobre las plantas que reaccionan y cambian su forma en respuesta a los estímulos ambientales. Se han desarrollado estructuras compuestas de hidrogel que cambian de forma cuando se sumergen en agua.
El objeto con forma de flor de orquídea se imprimió con tintas compuestas de hidrogel que contienen fibras de celulosa específicamente dirigidas. Para dar a las fibras de madera la dirección deseada, se mezclaron con hidrogel de acrilamida. Cuando se sumerge en agua, la sustancia resultante cambia sus dimensiones geométricas de manera predeterminada.
Las tintas compuestas le permiten obtener productos de varias formas. Además, es posible cambiar la composición del material para obtener ciertas propiedades, por ejemplo, conductividad eléctrica o biocompatibilidad.
Investigadores del Laboratorio de autoensamblaje del Instituto de Tecnología de Massachusetts han desarrollado una plantilla 2D que, cuando se sumerge en agua, se pliega en un cubo. Para imprimir el Laboratorio de autoensamblaje, se utiliza la impresora Stratasys Objet260 Connex1, que le permite trabajar con diversos materiales (incluidos los de goma y polipropileno).
El laboratorio ha creado muchos productos diversos que pueden tomar independientemente la forma deseada o autoensamblarse. Mostraron cordones de zapatos que se atan y muebles que se despliegan solos.
Defensa espacial
Utilizando la impresión 4D, los ingenieros de la NASA
crearon una tela metálica para proteger los satélites del daño y la radiación, así como para producir antenas flexibles. La tela es una especie de "cota de malla" creada a partir de piezas de plata y otros metales. El material se puede doblar, doblar, estirar y comprimir repetidamente. Cada lado de la tela tiene sus propias propiedades, refleja o absorbe la luz y el calor. A pesar de su flexibilidad, la tela es extremadamente difícil de rasgar. Está previsto que los satélites se empaqueten en el material de protección antes de ser lanzados al espacio, o con su ayuda protegerán los trajes espaciales y los módulos habitables.
Tecnología para militares
El Instituto Internacional de Nanotecnología de la Universidad Northwestern recibió una subvención de cinco años del Departamento de Defensa de los Estados Unidos para desarrollar una impresora 4D. La impresora de cuatro dimensiones
se utilizará para la investigación en química, ciencia de materiales y en campos relacionados con la defensa. Se supone que la impresión 4D permitirá la creación de nuevos sensores, estructuras y materiales químicos y biológicos para microchips.
Actualmente, el progreso se ve obstaculizado por la falta de equipos económicos capaces de imprimir con una resolución ultra alta (aproximadamente 1000 veces menor que el grosor de un cabello humano) hechos de materiales duros (metales y semiconductores) y materiales blandos (por ejemplo, orgánicos).
Una impresora de cuatro dimensiones se convertirá en la base de una nueva generación de herramientas para el desarrollo de arquitecturas, en la que los materiales que forman los componentes funcionales de la electrónica se pueden combinar con objetos biológicos.
Memoria de forma
El modelo de polímero impreso en una impresora 4D se restaura después de la deformación.En 2013, los investigadores de la Universidad de Colorado desarrollaron una técnica de impresión 4D al incorporar fibras de polímero con un "efecto de memoria de forma" en los materiales compuestos utilizados en la impresión 3D tradicional. Como ejemplos de la aplicación de la tecnología, se llamaron baterías solares capaces de plegarse y desplegarse para el transporte, recubrimientos automotrices que se adaptan al medio ambiente, así como un uniforme militar que cambia el tipo de camuflaje o protege más eficazmente contra el gas o los fragmentos.
Tres años más tarde, un equipo conjunto de científicos de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur, MIT y el Instituto de Tecnología de Georgia ha
desarrollado un nuevo método de impresión 4D basado en la exposición a materiales fotosensibles con luz. Una nueva técnica de impresión es capaz de crear elementos tan gruesos como un cabello humano.
Se vertió una solución de polímero fotosensible en la impresora y el objeto deseado se proyectó capa por capa, procesando el material con luz ultravioleta. Para verificar que el polímero puede recuperarse de las deformaciones, los investigadores imprimieron un manipulador suave, que está cerrado en su estado libre. Con él, los científicos pudieron capturar con éxito pequeños objetos (como tornillos).
Ya en esta etapa, se puede adaptar una tecnología similar para un uso real, por ejemplo, crear cápsulas que liberen sustancias con el aumento de la temperatura corporal.
Impresión en medicina
Los médicos de la provincia de Shaanxi, en el noroeste de China,
realizaron una operación traqueal exitosa y poco frecuente utilizando tecnología de impresión de cuatro dimensiones. Los médicos insertaron un
stent traqueal tubular
en el paciente para mantener abiertas las vías respiratorias. Para la producción de stent, se usó el biomaterial de policaprolactona, que se disuelve con el tiempo: la biodegradación en el cuerpo humano ocurre lentamente, aproximadamente 3 años. Los médicos han predeterminado el tiempo de disolución del stent impreso, y el paciente no necesitará someterse a otra operación para extraerlo.
Un caso similar
ocurrió en los Estados Unidos. Garrett Peterson nació con una malformación de los bronquios - broncomalacia, cuando el cartílago no es lo suficientemente duro. La ventilación bronquial se vio afectada y el niño pasó toda su vida en un hospital de la Universidad de Utah en ventilación artificial de los pulmones que sostienen la vida.
Mientras tanto, en la Universidad de Michigan, desarrollaron un autobús de impresión tridimensional, que eventualmente podría colapsar dentro del cuerpo sin ninguna consecuencia, pero al mismo tiempo podría mantener las vías respiratorias abiertas durante dos o tres años, lo suficiente para restaurar el cartílago bronquial.
Después de crear un modelo virtual, la impresora imprime capas de policaprolactona en forma de tráquea específica. Aunque el proceso de creación de stents individuales puede parecer difícil, solo lleva un día.
Es probable que los biomateriales 4D tarde o temprano vayan mucho más allá de las enfermedades respiratorias. Los problemas de la reconstrucción facial y la reparación del oído ya se están estudiando.
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En general, la mayoría de los científicos que trabajan en el campo de la impresión de cuatro dimensiones predicen un crecimiento explosivo de objetos y materiales de impresión de cuatro dimensiones en los próximos cinco años.