Estamos acostumbrados a que, cada cierto tiempo, aparece un nuevo concepto tecnológico que se pone de moda y del que todo el mundo empieza a hablar. Algunas veces se trata solamente de eso, una moda, pero en otros casos el concepto responde a una realidad que, efectivamente, da respuestas a una necesidad (o crea nuevas necesidades, pero en cualquier caso se traduce en un éxito en el mercado). Este tipo de fenómenos se producen de forma cada vez más frecuente, de la mano de nuevos avances tecnológicos.

Existen diversos ejemplos al respecto, y en algunos casos se trata de fenómenos recurrentes, que vuelven periódicamente a la actualidad, cada vez que un salto tecnológico permite aplicar teorías desarrolladas con años (o incluso décadas) de anterioridad. El caso más relevante en este aspecto es la inteligencia artificial, que actualmente está más de moda que nunca gracias a que los incrementos en la capacidad de procesamiento y cómputo del hardware actual están permitiendo aplicar de forma efectiva en todo tipo de sectores algoritmos matemáticos que tienen en algunos casos más de 50 años. Por citar otro caso paradigmático, la realidad virtual vuelve a la actualidad repetidamente desde los años 80 cada vez que la tecnología la dota de nuevas capacidades.

Pero el fenómeno objeto de este post es el de la impresión 3D (también conocida como fabricación aditiva, en su versión industrial) y de su evolución: la impresión 4D. Como veremos, se trata de otros casos ejemplares en los que el concepto existe años antes de que la tecnología habilite su implementación efectiva.

Aunque frecuentemente se cita la patente de Joseph E. Blanther en el año 1892 para un mecanismo de creación de mapas topográficos 3D utilizando un método de estratificación como el primer concepto similar a las actuales impresoras 3D, las primeras patentes de impresoras 3D propiamente dichas datan de los años 80, como numerosas fuentes citan (por ejemplo esta interesante retrospectiva sobre la historia de la impresión 3D). Pues bien, a partir de 2010 la tecnología (y la caducidad de la patente de una de las técnicas más utilizadas) posibilitó la realización de numerosos prototipos (en ámbitos tan dispares como las manufacturas, la medicina, o la alimentación), hasta la irrupción en los últimos años en el ámbito industrial e incluso doméstico, gracias a su enorme abaratamiento respecto a los primeros modelos.

En este blog ya se pronosticó su importancia y se trató de las aplicaciones potenciales de este fenómeno, que hoy ya es una realidad. De acuerdo con la última actualización de la Worldwide Semiannual 3D Printing Spending Guide, publicada por IDC (International Data Corporation), la impresión 3D tiene el potencial de expandir la industria manufacturera, cambiar la distribución localmente e implementar la producción bajo demanda, reduciendo inventarios innecesarios y costes de envío. De hecho, vaticina que el gasto combinado en impresión 3D (impresoras 3D, materiales, software y servicios relacionados) para Europa experimentará una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) en cinco años del 15,3%, con ingresos que llegarán a 7.400 millones de dólares en 2022.

Pues bien, ahora estamos ante otro fenómeno que supone una evolución respecto a la impresión 3D, y que implica una disrupción a partir de la cual se presume una revolución en diversos sectores productivos: se trata de la impresión 4D. Pero como en muchos otros casos, aunque se trata de algo de lo que aún no se está hablando de forma generalizada (aunque pronto lo estará), la idea no es nueva y la tecnología subyacente lleva ya varios años desarrollándose, previéndose su explosión en los próximos años.

¿Qué es la impresión 4D?

Todos conocemos las tres dimensiones de la materia (altura, anchura y profundidad), las dos primeras dimensiones representan el espacio y al unirse la tercera tenemos la representación del volumen. También es conocido que desde que Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad a principios del siglo XX, se considera una cuarta dimensión: el tiempo. En esta línea la impresión 4D no significa otra cosa que la creación de objetos tridimensionales por computador (impresión 3D) cuyas propiedades (forma, tamaño, etc.) varían en el tiempo o que, de la misma forma, pueden construirse a sí mismos. La mejor forma de entender esta definición general es a través de un ejemplo.

En este vídeo se puede ver cómo en 2013 ya se había acuñado el concepto de impresión 4D desde el MIT (Massachusetts Institute of Technology). Se trata de la posibilidad de disponer de materiales físicos “programables” que se construyen a sí mismos (lo que llaman “self-aseembly”) o el proceso mediante el cual partes desordenadas construyen una estructura a través únicamente de una interacción local (energía, agitación, humedad, magnetismo, etc.). A partir de ahí, la impresión 4D consistiría en una impresión 3D (con uno o varios materiales) que “evolucionase” por sí misma, sin necesidad de cables, o motores. Es decir, la programación o la interacción está embebida en los propios materiales. Entre las aplicaciones que se vislumbraban se encontraban, por ejemplo, poder construir estructuras tridimensionales a partir de otras bidimensionales, hacer posible que las tuberías modifiquen su forma y tamaño en función de cambios en el entorno o en la demanda, o facilitar la construcción en entornos extremos (por ejemplo, en el espacio).

La realidad es que estos objetos no cambian en función del tiempo. Si bien cambian en el tiempo, estos cambios se deben a estímulos externos, no al tiempo en sí mismo. Y, por otra parte, podríamos decir que cualquier objeto y cualquier material responde en mayor o menor medida a estímulos externos (presión, temperatura, etc.). Estrictamente no estaríamos hablando de una cuarta dimensión. La diferencia en este caso radica en que los materiales empleados sufren modificaciones “inteligentes”, es decir, conoceremos y habremos diseñado (o de alguna forma se podría decir que “programado”) previamente estos cambios en base a un objetivo concreto. Es por eso que les llaman materiales “programables” (también “activos” o “inteligentes”), aunque no existe una programación desde el punto de vista tradicional. Otra ventaja es que algunos de estos materiales permiten, como se ve en el vídeo, cambiar la forma del objeto simplemente con una interacción leve que supone muy poco esfuerzo. En este caso, la aplicación más frecuentemente mencionada es la optimización del transporte de objetos, que podrían almacenarse en forma de láminas bidimensionales más o menos gruesas, y una vez en su destino convertirse en la estructura tridimensional diseñada. De esta forma se podría transportar un número mucho mayor de objetos por el mismo coste.

¿De qué materiales estamos hablando?

La importancia principal en la investigación en este campo radica en los materiales utilizados. Como hemos mencionado, se trata de materiales que los investigadores denominan “inteligentes”, aunque evidentemente no tienen inteligencia por sí mismos. En el artículo científico “4D printing: History and recent progress" se explica que estos materiales consisten principalmente en polímeros, los cuales proporcionan diversidad en términos, tanto de comportamientos activos en relación al cambio de forma, como de posibilidades de diseño. Por esta razón, la investigación en el campo de la impresión 4D se centra en polímeros “activos” o “inteligentes”.

Una de las clases más populares de polímeros activos se conoce como polímeros con memoria de forma (shape memory polymers - SMPs), para los cuales la estimulación externa (por ejemplo, el cambio de temperatura) desencadena un cambio de forma “pre-programado”. Otra categoría relevante es la de hidrogeles sensibles a los estímulos, que pueden sufrir grandes cambios de volumen en respuesta a señales externas, como la temperatura, el pH o la fuerza iónica. Por citar otros, los elastómeros dieléctricos y los elastómeros de cristal líquido también son materiales activos que tienen la capacidad de crear formas al activarse.

Como ejemplo de investigación en estos tipos de materiales para su uso en la impresión 4D, en España actualmente un equipo de investigadores del ICMA (Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón) trabaja en la impresión de polímeros de cristal líquido que responden a estímulos externos.

¿Qué más aplicaciones tiene la impresión 4D?

Ya hemos hablado de algunas de las potenciales aplicaciones de la impresión 4D, como son la optimización del transporte, la auto-adaptación de infraestructuras, o la construcción en entornos extremos. En otro vídeo mucho más reciente (2017) se mencionan otras aplicaciones más concretas, como su aplicación en el calzado o ropa deportiva que se adapten a las condiciones ambientales, o en productos de cuidado infantil que respondan a cambios de temperatura, humedad, etc.

También es frecuente citar como ejemplo de potenciales usos el campo de la salud. Por ejemplo,  actualmente ya se han construido también lentes cuya focal se puede regular de manera controlada con la temperatura, con las consecuentes aplicaciones en el campo de la óptica adaptativa.

Como conclusión, podemos aventurarnos a afirmar que al hablar de la impresión 4D estamos ante un fenómeno tecnológico que se pondrá de moda y del que se hablará mucho en los próximos años. Por un lado, porque las tecnologías que la habilitarán están cada vez más maduras, y por otro, porque las indudables ventajas y posibilidades que proporcionará supondrán una disrupción indiscutible que implicará importantes transformaciones en distintos sectores productivos y comerciales.