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Cómo funciona la impresión 4D

Cómo funciona la impresión 4D
Satisfacer
  1. Agregar dimensión
  2. Material programable: la geometría es el destino
  3. Origami plegable
  4. Implemente el futuro de 4-D

Agregar dimensión

El vestido Chromat Adrenaline, elaborado con paneles impresos en 3D, incluye el módulo Curie de Intel. ¿Qué lo hace 4-D? Cuando el vestido siente la adrenalina del usuario, se expande.

Ethan Miller / Getty Images

Básicamente, la impresión 4-D es una combinación de impresión 3D y otro campo de alta tecnología, autoensamblaje.

El autoensamblaje es exactamente lo que parece: el ordenamiento espontáneo de las partes en un todo más grande y funcional. El campo es popular en los círculos de la nanotecnología por dos muy buenas razones. En primer lugar, el autoensamblaje ya tiene lugar a nanoescala y proporciona la fuerza impulsora detrás de procesos que van desde el plegamiento de proteínas hasta la formación de cristales. [source: Boncheva and Whitesides]. En segundo lugar, no tenemos martillos, destornilladores y destornilladores para construir una máquina del tamaño de una molécula. Tiene que cuidarse solo.

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Pero si pudiéramos expandir el autoensamblaje a proporciones humanas, nos permitiría hacer los productos actuales más baratos y sencillos, o crear nuevas tecnologías que de otro modo serían imposibles. [source: Boncheva and Whitesides]. Es un trabajo laborioso y, a menudo, frustrante. Incluso en circunstancias ideales, es necesario romper una secuencia de montaje, desarrollar piezas programables y encontrar una fuente de energía para poner en marcha su artilugio. Incorporar la corrección de errores tampoco es una mala idea. [source: Tibbits]. Sin embargo, principalmente necesita las herramientas y los materiales adecuados para el trabajo.

Sumérjase en la impresión 3D. Aunque continúan surgiendo nuevos enfoques, tradicionalmente la impresión 3-D implicaba depositar repetidamente capas de polímero cuidadosamente definidas en una cama de impresión. A medida que cada nueva capa se endurece y se mezcla con las capas de abajo, emerge una forma tridimensional. Los primeros modelos solo podían imprimir con un material a la vez, pero las impresoras 3D más nuevas permiten una gama más amplia de medios de impresión e imprimen con más de un material a la vez. Este es un gran avance para la impresión 4-D, ya que los diferentes materiales permiten a los desarrolladores construir en áreas que se endurecen, flexionan o agrandan, o “quieren” doblarse de ciertas maneras. Pueden tener áreas que absorben agua como una esponja o generan corriente eléctrica cuando se exponen a la luz. El cielo es el límite, siempre que haya construido la geometría correcta.

Esto es lo que llama el Laboratorio de Autoensamblaje del MIT material programable – un enfoque de la ciencia, la ingeniería y los materiales que se centra en la materia que se puede codificar para remodelar o cambiar su función. La impresión 4-D es una aplicación de material programable [source: MIT].

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Material programable: la geometría es el destino

Junto con su equipo, Skylar Tibbits, director del Laboratorio de Autoensamblaje del MIT, lideró la innovación.

Junto con su equipo, Skylar Tibbits, director del Laboratorio de Autoensamblaje del MIT, lideró la innovación.

Larry Busacca / Getty Images para la Conferencia Internacional de Lujo del New York Times

Los investigadores del MIT no son los únicos que trabajan en la impresión 4-D, pero el Laboratorio de Autoensamblaje de la escuela es el que dio los primeros pasos, gracias en gran parte a las entrevistas de TED con su director, el arquitecto Skylar Tibbits.

Los investigadores del laboratorio entraron por primera vez en el mundo del autoensamblaje mediante la creación de robots autoconstruidos simples y a gran escala. Cuando encontraron trabajo y gastos inalcanzables, recurrieron a la producción de formas y materiales con lógica incorporada.

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En 2010, crearon Logic Matter, un conjunto de formas anidadas que pueden resolver problemas computacionales usando solo su geometría.

Reducida a su aspecto más básico, una computadora opera usando puertos electrónicos que combinan 1 y 0 y devuelven una respuesta verdadera o falsa. Estas puertas usan álgebra booleana, que hace preguntas como “¿Son ambas entradas 1?” o “¿Es la entrada 1?” El laboratorio de Tibbits hizo las mismas preguntas, pero utilizando poliedros complejos en lugar de los estados eléctricos de encendido / apagado habituales que representan 1 y 0. La entrada implicó hacer clic en las formas para encajarlas en su lugar. Esto creó una nueva configuración que permitiría que la siguiente forma, la salida, se adjuntara solo en una orientación hacia arriba (verdadera) o hacia abajo (falsa), proporcionando la respuesta.

Logic Matter no alcanzó el nivel de autoensamblaje (las piezas requerían manos humanas para ser ensambladas) pero fue un primer paso importante en esa dirección, mostrando que el material podía contener instrucciones. [source: Tibbits]. En los años siguientes, los investigadores del Laboratorio de Autoensamblaje recurrieron cada vez más a objetos más adecuados a su nombre: formas geométricas que se combinaban cuando se enrollaban o agitaban en un recipiente, cadenas que tomaban formas específicas cuando se agitaban, etc.

Esto marcó el siguiente gran paso: combinar una tendencia geométrica integrada con una entrada de energía (o algún otro factor ambiental) para que funcione.

Pero, ¿cuál es esta tendencia geométrica? Bueno, si alguna vez ha intentado hacer algo con cartón (o madera o metal), sabe que se doblará más fácilmente si lo marca primero. La puntuación es, por tanto, una especie de programación, una forma de aumentar las posibilidades de que el material se comporte de la forma deseada. Ahora, en lugar de cartón, imagine una combinación de materiales, algunos de los cuales pueden absorber agua y expandirse mientras que otros permanecen rígidos. Tíralo al agua y observa cómo cambia de forma. Sea lo suficientemente inteligente con sus pliegues y puntajes y antes de que se dé cuenta, tendrá algo realmente especial.

Pero primero, necesita un control muy preciso sobre los materiales que utiliza y el modelo en el que sus máquinas los depositan. Y este enfoque funcionará mejor en escalas más pequeñas, donde las entradas de energía y las diferencias materiales pueden tener un mayor efecto. La impresión 3D multimaterial ayudó a proporcionar el control que los investigadores necesitaban, pero también necesitaban los materiales adecuados.

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Origami plegable

Un equipo de Harvard creó una orquídea que tomó forma cuando se colocó en el agua.

Un equipo de Harvard creó una orquídea que tomó forma cuando se colocó en el agua.

Cortesía del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

Cuando Tibbits habló sobre su idea a la gente de Stratasys, una empresa de impresión 3D con sede en Minnesota, mostraron un material que podría crecer un 150% si se sumerge en agua. El agua ofrece una forma prometedora de manipular objetos 4-D, ya que la naturaleza proporciona muchos modelos funcionales de objetos que cambian de forma en respuesta a la humedad. Las llamamos plantas.

Exposición de plantas tropismos, tendencias a desarrollarse de determinadas formas en función de factores ambientales, como la luz solar (fototropismo), el agua (hidrotropismo), la gravedad (gravitropismo), los productos químicos (quimiotropismo) e incluso contacto físico (trigmotropismo)). Por ejemplo, las plantas tienden a inclinarse hacia la luz solar porque la luz solar destruye las hormonas llamadas auxinas que estimulan el crecimiento. Por lo tanto, el lado de una planta opuesto al sol crece más rápido que el lado que mira hacia él, lo que hace que la planta se incline hacia la luz. Con un poco de imaginación, es fácil ver cómo podríamos, de la misma manera, doblar la física que conecta materiales, entornos y energía para cumplir con nuestras expectativas.

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Teniendo en cuenta las plantas inspiradoras que proporcionaron a los investigadores en impresión 4-D, puede que no sea sorprendente que un equipo de Harvard haya sido noticia en 2016 al crear una “orquídea” impresa en impresión 4-D. -D que tomó la forma de su homónimo cuando se colocó en el agua. La flor se imprimió con un compuesto de hidrogel, que se transportó, capa por capa, como la cobertura de una manga pastelera, hasta la cama de impresión. [source: McAlpine].

Dos aspectos del proceso de impresión explican el comportamiento de la flor. El primero es el uso de hidrogel, que puede absorber grandes cantidades de agua. La segunda es que el compuesto también contenía fibrillas de celulosa, fibras pequeñas y fuertes, esenciales para la estructura de la planta. Dado que la celulosa siempre fluía en una dirección conocida, el equipo pudo modelarla cuidadosamente para controlar qué partes de la flor podrían hincharse y cuáles permanecerían rígidas si se exponían al agua. [source: McAlpine].

Sin duda, con el tiempo, veremos muchos otros experimentos utilizando una variedad de otros materiales, como conductores para circuitos eléctricos flexibles y dinámicos. Pero también es probable que veamos que el término impresión 4-D, como la mayoría de las palabras de moda, cobra vida propia y se expande para cubrir una gama más amplia de temas. Por ejemplo, una empresa, Nervous System, describe su nueva técnica de impresión de ropa en 3D, que crea ropa a partir de pétalos de nailon inteligentemente dispuestos unidos por costuras, como una “impresión 4-D”. [source: Rosencranz].

Echemos un vistazo a otros futuros 4-D.

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Implemente el futuro de 4-D

¿No sería genial si algún día esta tecnología de plegado automático del MIT pudiera aplicarse a tus muebles IKEA?  O, mejor aún, ¿equipos sanitarios personalizados?

¿No sería genial si algún día esta tecnología de plegado automático del MIT pudiera aplicarse a tus muebles IKEA? O, mejor aún, ¿equipos sanitarios personalizados?

Laboratorio de autoensamblaje, MIT + Stratasys Ltd + Autodesk Inc

El mundo de las nanomáquinas está por delante de la curva de autoensamblaje, en parte porque puede inspirarse en la naturaleza para ejemplos de diseños eficientes y complejos que se autoensamblan, rara vez cometen errores y se reparan si es necesario. Transferir estos principios a una escala humana ha resultado difícil, pero si funciona, las posibilidades son asombrosas, un hecho que no debe perderse el ejército estadounidense, que ya ha dividido 855.000 dólares entre la Universidad de Harvard, la Universidad L de Pittsburgh y la Universidad de Illinois. para financiar la investigación de aplicaciones militares, como puentes y refugios construidos por ellos mismos [source: Campbell-Dollaghan].

Ya hemos mencionado cómo la moda y la decoración del hogar pueden proporcionar una forma divertida y asequible de introducir nuevas tecnologías y, dado que una talla no sirve para todos, es una industria madura para tales aplicaciones. Pronto, podemos ver que los patrones, o dobladillos, cambian según el orden.

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El punto es que gran parte del atractivo de la impresión 3D y 4-D es su flexibilidad. Mediante el modelado por computadora en 3D, una empresa puede personalizar un vestido o zapato para que se adapte a cualquier cuerpo, fuera de la puerta, sin cortes ni costuras, e imprimirlos todos a la vez. [source: Rosencranz]. Usando materiales y geometrías 4-D, la prenda puede autoajustarse en respuesta a las fuerzas de estiramiento y tensión. Las zapatillas para correr pueden endurecerse para proporcionar soporte lateral y estabilidad mientras se siente el estrés de un partido de tenis, por ejemplo.

BMW ya ha mostrado un concept car que incorporaría el diseño 4-D en lo que ellos llaman “geometría viva”. Imagine componentes internos o externos que pueden cambiar de forma para adaptarse a los cambios en las condiciones de conducción. Fuera del automóvil, los paneles 4-D pueden ajustar la temperatura, el flujo de aire, la dirección o la entrada del sensor para maximizar la eficiencia aerodinámica. Los neumáticos y los frenos también pueden cambiar según las condiciones de la carretera. [source: Vijayenthiran].

En el futuro, cuando la biomimética y la impresión 4-D se unan, podremos ver dispositivos médicos adaptados a nuestro cuerpo e incluso mejoras corporales que responden al medio ambiente. [source: Grunewald]. Esto es lo que llamamos medicina personalizada.

Obviamente, la impresión 4-D tendrá que superar muchas limitaciones antes de alcanzar su máximo potencial. En primer lugar, el proceso continúa por el momento, sin embargo, muy, muy lento. Y su confianza en la geometría lo limita un poco en términos de lo que puede hacer, pero probablemente sea un obstáculo temporal. Las tensiones que actúan sobre cualquier material forzado a doblarse o los puntos de rotura posiblemente introducidos por tal geometría son potencialmente más graves. Además, en algunos casos, los materiales 4-D tienen dificultades para no cambiar: permanecen en su nueva forma en lugar de volver a la anterior o no logran pasar de un estado a otro como se esperaba. [source: Wassmer].

Si la impresión 4-D es una moda pasajera, una curiosidad o la próxima gran novedad, solo el tiempo, y con razón, lo dirá.

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El laboratorio de autoensamblaje del MIT utiliza tecnología que imprime materiales plegables

El Laboratorio de Autoensamblaje del MIT utiliza tecnología que imprime materiales auto-plegables “inteligentes” que pueden transformar la forma.

Cortesía de Self-Assembly Lab, MIT + Stratasys Ltd + Autodesk Inc

Imagine que las máquinas y estructuras que usamos todos los días, desde estantes de aglomerado hasta edificios de apartamentos, pueden encajar. No más llaves hexagonales de Ikea, no más grúas, solo materiales impresos en 3-D que “saben” cómo doblar, doblar y endurecer, como plantas que crecen en un video de lapso de tiempo.

En otras palabras, ¿y si pudiéramos imprimir objetos de cuatro dimensiones?

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OK, por supuesto, técnicamente todo Es en cuatro dimensiones – en realidad 10 o más, según los físicos – pero pensamos principalmente en el mundo construido en términos de largo, ancho y alto. La cuarta dimensión, el tiempo, que vemos como el enemigo, a los efectos que hacemos todo lo posible por resistir (los expertos siguen divididos si la quinta dimensión es “The Twilight Zone” o la banda que cantó “The Age of Aquarius”).

Así que construimos paredes y tuberías lo más resistentes posible, y continuamos reparándolas a medida que envejecemos, porque construir requiere tiempo, dinero y esfuerzo y no queremos hacerlo una y otra vez. Pero, ¿y si el tiempo no fuera el enemigo? Suponga que una estructura se puede desplegar, como un origami. Imagínese si sus paredes pudieran flexionarse o endurecerse en respuesta a cargas variables, o si una tubería enterrada pudiera cambiar de forma para adaptarse a diferentes flujos de agua o para bombear agua a través de la peristalsis, como su sistema digestivo. Gracias a la prensa 4-D, no queda nada congelado a menos que quieras.

Si los investigadores y los fabricantes pueden hacer que funcione, la impresión 4-D puede cambiar toda nuestra idea de fabricación. Las empresas podrían imprimir refugios, máquinas y herramientas y luego empacarlos y enviarlos donde sea necesario: áreas de desastre, tal vez, o listas para entornos hostiles como el espacio o el fondo del océano. Allí, las condiciones ambientales dañinas para los humanos pueden hacer que la forma y las propiedades del objeto cambien, no solo una vez, sino repetidamente.

En el corazón de todo esto se encuentran la física, la química y la geometría básicas detrás de los procesos naturales más mundanos. Considere cómo su cabello cambia de forma cuando llega una tormenta, una simple cuestión de agua en el aire hace que las proteínas de queratina formen un porcentaje inusualmente alto de enlaces de hidrógeno, lo que hace que se doblen hacia atrás en lugar de estirarse. [source: Stromberg]. O piensa en cómo una silla inflable plana adquiere una forma predecible cuando recibe aire, porque sus secciones tienen propiedades diferentes.

Los dispositivos de cuatro dimensiones no requieren que los humanos los construyan, ni robots que requieran microchips, minions y armaduras para funcionar. Su única “programación” concierne a la geometría, física y química integradas en sus estructuras.

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