Un nuevo método llamado «Impresión Reactiva 4D» crea objetos que pueden tomar formas alternativas, en respuesta a cambios de temperatura, corriente eléctrica o estrés.
El método podría hacer realidad a los robots blandos y a los implantes biomédicos que se reconfiguran a pedido.
Los investigadores informaron por primera vez de su capacidad para hacer estructuras morfológicas en un molde en 2018. Pero el uso de la misma química para la impresión en 3D limita las estructuras a las formas que se ubican en el mismo plano. Eso significaba que no se podían programar protuberancias u otras curvaturas complejas como forma alternativa.
Superar esa limitación para disociar el proceso de impresión de la forma es un paso significativo hacia materiales más útiles, dice Rafael Verduzco, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y de ciencia de los materiales y nano-ingeniería en la Universidad de Rice.
«Estos materiales, una vez fabricados, cambiarán de forma autónomamente», dice Verduzco. «Pero, necesitábamos un método para controlar y definir este cambio de forma. Nuestra idea era usar múltiples reacciones en secuencia para imprimir el material y luego dictar cómo cambiaría de forma. En lugar de intentar hacer todo esto en un solo paso, nuestro enfoque da más flexibilidad en el control de las formas iniciales y finales y también nos permite imprimir estructuras complejas».
El reto del laboratorio era crear una «tinta» de polímero de cristal líquido que incorporara conjuntos de enlaces químicos mutuamente exclusivos entre las moléculas. Uno establece la forma original impresa, y el otro puede ajustarse manipulando físicamente el material impreso y secado. Al curar la forma alternativa bajo la luz ultravioleta, se cierran esos enlaces.
Una vez que las dos formas programadas se establecen, el material puede entonces transformarse de un extremo a otro cuando, por ejemplo, se calienta o se enfría.
Los investigadores tuvieron que encontrar una mezcla de polímeros que pudiera ser impresa en un baño de catalizador y que aún mantuviera su forma programada original.
«Había muchos parámetros que teníamos que optimizar, desde los disolventes y catalizadores empleados, hasta el grado de dilatación y la fórmula de la tinta, para permitir que la tinta se solidificara lo suficientemente rápido para imprimir sin inhibir la actuación de la forma final deseada», dice Barnes.
Una limitación que queda en el proceso de impresión reactiva 4D es la capacidad de imprimir estructuras sin soporte, como las columnas. Para ello se necesitaría una solución que se gelifique lo suficiente como para sostenerse durante la impresión, dice. Obtener esa capacidad permitirá a los investigadores imprimir combinaciones de formas mucho más complejas.
«Los futuros trabajos optimizarán aún más la fórmula de impresión y usarán técnicas de impresión asistida por andamiaje, para crear actuadores que hagan la transición entre dos formas complejas diferentes», dice Barnes. «Esto abre la puerta a la impresión de robótica suave que podría nadar como una medusa, saltar como un grillo, o transportar líquidos como el corazón.»
La Welch Foundation for Chemical Research y la División de Ciencias Químicas de la Oficina de Investigación del Ejército apoyaron la investigación.
Fte. Futurity
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