Imaginemos un mueble que se ensambla al sacarlo de la caja o una estructura espacial que viaja plegada y se despliega una vez en órbita. Aunque parezca ciencia ficción, esa es la idea que impulsa la impresión 4D. En 2013, el profesor Skylar Tibbits, director del Self-Assembly Lab del Massachusetts Institute of Technology (MIT), popularizó el término al presentar el concepto de estructuras impresas con polímeros capaces de transformarse al entrar en contacto con el agua después de su fabricación. La cuarta dimensión no es una nueva dirección en el espacio, sino el tiempo: ya no se trata solo de decidir qué forma tendrá un objeto, sino también qué será capaz de hacer.
Ahora bien, la idea de un material capaz de responder a su entorno es muy anterior a la impresión 4D. Esta tecnología se apoya en los llamados materiales inteligentes o smart materials: materiales que responden ante estímulos externos como el calor, la luz, los campos eléctricos o magnéticos y la humedad, cambiando alguna de sus propiedades, como la forma, la rigidez, el color o el volumen. Algunos de estos fenómenos se conocen desde hace casi dos siglos. En 1842, James Joule describió cómo una pieza de metal podía cambiar ligeramente de longitud bajo la acción de un campo magnético, un efecto denominado magnetostricción. En 1880, el físico Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron que ciertos cristales producían electricidad al ser presionados: la piezoelectricidad. La impresión 4D es nueva; los materiales que le dan vida, no tanto. En España, los profesores Pilar Lafont Morgado y Andrés Díaz Lantada ya exploraban desde el año 2005 el empleo de polímeros con memoria de forma para desarrollar dispositivos médicos capaces de evolucionar con el paciente modificando su geometría mediante activación térmica.
Gracias a la impresión 3D, la investigación en materiales inteligentes ha entrado en los últimos años en una nueva etapa de crecimiento acelerado. La fabricación aditiva permite combinar estos materiales con geometrías diseñadas computacionalmente para decidir cómo, dónde y cuándo responderá una estructura. Una pieza puede plegarse, curvarse, hincharse, modificar su rigidez o incluso cambiar de color siguiendo una respuesta programada. Pero, en este caso, el programa no se ejecuta dentro de un chip: queda embebido entre la composición del material, la orientación de las capas y la arquitectura de la pieza. Así pasamos de imprimir objetos a fabricar estructuras inteligentes.
Estructuras inteligentes que ya están transformando sectores
Uno de los campos donde mejor se entiende esta transformación es la medicina. Pensemos en un stent, una pequeña malla tubular utilizada para mantener abierto un vaso sanguíneo. Las aleaciones y polímeros con memoria de forma, llevan años permitiendo fabricar dispositivos vasculares de forma no aditiva que se introducen comprimidos en el cuerpo y se expanden al ser liberados y entrar en contacto con la temperatura del cuerpo o a través de campos magnéticos. La impresión 4D quiere llevar esta capacidad un paso más allá: investigadores han impreso prototipos de stents vasculares, traqueales e intestinales personalizados, que conservan la capacidad de autoexpandirse, pero además puede adaptarse a la anatomía del paciente.
En este mismo campo, la impresión 4D también está revolucionando la ingeniería tisular y los sistemas de liberación de fármacos para terapias de precisión, desde creando andamiajes para reparar defectos osteocondrales que se activan con la humedad de la sangre hasta cápsulas capaces de contener medicamentos, transportarlos controladamente por el cuerpo y accionar su apertura para liberar el fármaco localmente.
Como ya hemos mencionado al principio, la posibilidad de fabricar una estructura compacta que se despliegue cuando sea necesario resulta igualmente atractiva en el espacio, donde cada gramo y cada centímetro disponible durante el lanzamiento cuentan… y cuestan… Ya se han ensayado bisagras impresas con polímeros y aleaciones con memoria de forma capaces de abrir y reorientar los paneles solares de pequeños satélites al recibir calor. También se han desarrollado alas y superficies aeronáuticas que modifican su geometría para adaptarse a distintas condiciones de vuelo. El objetivo no es solo sustituir motores y articulaciones, sino integrar parte del movimiento en la propia estructura, reduciendo el número de piezas y la complejidad del sistema.
La impresión 4D también ha llegado a la industria textil, desde vestidos impresos en 3D capaces de comprimirse y adaptarse con el calor del cuerpo humano, hasta exoesqueletos textiles blandos que se adaptan al cuerpo y ofrecen asistencia personalizada durante el movimiento. De forma similar, en la robótica blanda, esa misma idea permite construir máquinas que se parecen menos a un conjunto de engranajes y más a un organismo flexible. Pinzas impresas con varios materiales pueden curvarse, variar su rigidez y agarrar objetos delicados; pequeños robots inspirados en orugas avanzan mediante cambios coordinados de forma; y sensores deformables pueden detectar el contacto mientras actúan. Aquí, material, sensor y mecanismo dejan de ser necesariamente componentes separados: una misma arquitectura puede percibir una señal del entorno y convertirla en movimiento.
La escala puede ir desde lo micro hasta lo macro. Existen prototipos de fachadas cuyos módulos se abren o se cierran en respuesta a la temperatura o la humedad, regulando la entrada de luz sin depender de motores convencionales. También se han impreso microrrobots capaces de plegarse de múltiples formas y desplazarse gracias a campos magnéticos para ser usados como mecanismos de transporte. De esta conexión entre lo micro y lo macro surgen los llamados materiales arquitectónicos o metamateriales, estructuras cuyas propiedades dependen tanto de su geometría interna diseñada como de su composición. Al diseñar una red, una celda o una trama, utilizar materiales inteligentes y fabricarlos aditivamente, podemos decidir qué zonas se deforman, cuáles permanecen rígidas y en qué orden ocurre las transformaciones.
Todos estos ejemplos pertenecen a sectores muy diferentes, pero comparten una idea: la función ya no depende únicamente del material elegido, sino de cómo se diseña para programar su comportamiento. Sin embargo, para que estas demostraciones salgan del laboratorio todavía deben superar desafíos importantes, entre los que se incluyen: predecir y controlar con precisión cada transformación, garantizar que pueda repetirse durante numerosos ciclos, ampliar la fabricación sin perder calidad y establecer procesos y estándares que aseguren resultados fiables.
La próxima frontera: cuando los materiales se encuentran realmente con la vida
Cuando hablamos de materiales inteligentes que cobran vida, debemos recalcar, paradójicamente, la ausencia de vida en estos. Hasta ahora, «cobrar vida» era solo una metáfora: podían responder a su entorno, pero seguían siendo materia inerte. Aun así, la ciencia avanza, y lo que parecía ciencia ficción, cada vez lo es menos… En los últimos años ha surgido la robótica biohíbrida o biohybrid robotics, que está difuminando esa frontera al combinar estructuras artificiales con células o tejidos vivos, cuyas contracciones o actuaciones funcionan como pequeños motores. Ya se han construido robots inspirados en mantarrayas que nadan impulsados por células musculares activadas mediante la luz; otros diseños incorporan neuronas o componentes bioelectrónicos para coordinar el movimiento.
Los materiales vivientes o engineered living materials, llevan esta convergencia un paso más allá. Pueden estar formados únicamente por células o combinar organismos vivos con una estructura no viva que les sirve de soporte. Entre los ejemplos pioneros se encuentran estructuras de hormigón que incorporan bacterias capaces de contribuir a la reparación de sus propias grietas y estructuras bioimpresas con cianobacterias que aprovechan la luz solar para generar bioelectricidad. En ambos casos, la estructura fabricada aporta el soporte y los organismos vivos incorporan una nueva función. No todos estos sistemas pertenecen estrictamente a la impresión 4D, pero comparten su ambición de crear objetos capaces de responder y evolucionar después de ser fabricados.
Comenzamos imprimiendo formas. Después aprendimos a imprimir transformaciones. La próxima frontera será crear estructuras con materiales inteligentes que no solo parezcan cobrar vida, sino que incorporen componentes verdaderamente vivos. Y la impresión 4D, junto con la bioimpresión, será el motor de esto.
