impresión 4D
La impresión en 4 dimensiones ( impresión 4D ; también conocida como bioimpresión 4D , origami activo o sistemas de transformación de formas ) utiliza las mismas técnicas de impresión 3D a través de la deposición de material programada por computadora en capas sucesivas para crear un objeto tridimensional . Sin embargo, en la impresión 4D, la forma 3D resultante puede transformarse en diferentes formas en respuesta al estímulo ambiental, siendo la cuarta dimensión el cambio de forma dependiente del tiempo después de la impresión. [1] Es por tanto un tipo de materia programable, en el que después del proceso de fabricación, el producto impreso reacciona con los parámetros del entorno (humedad, temperatura, voltaje, etc.) y cambia su forma en consecuencia. [2]
La estereolitografía es una técnica de impresión 3D que utiliza la fotopolimerización para unir el sustrato que se ha colocado capa sobre capa, creando una red polimérica. A diferencia del modelado por deposición fundida, en el que el material extruido se endurece inmediatamente para formar capas, la impresión 4D se basa fundamentalmente en la estereolitografía, en la que, en la mayoría de los casos, se utiliza luz ultravioleta para curar los materiales en capas una vez finalizado el proceso de impresión. [3] La anisotropía es vital en la ingeniería de la dirección y la magnitud de las transformaciones bajo una condición dada, mediante la disposición de los micromateriales de manera que haya una direccionalidad incrustada en la impresión final. [4] [5]
La mayoría de los sistemas de impresión 4D utilizan una red de fibras que varían en tamaño y propiedades del material. Los componentes impresos en 4D se pueden diseñar tanto en la escala macro como en la escala micro. El diseño a microescala se logra a través de complejas simulaciones moleculares/de fibra que se aproximan a las propiedades del material agregado de todos los materiales utilizados en la muestra. El tamaño, la forma, el módulo y el patrón de conexión de estos bloques de construcción de materiales tienen una relación directa con la forma de deformación bajo la activación del estímulo. [2] [6]
Skylar Tibbits es el director del Self-Assembly Lab del MIT y trabajó con Stratasys Materials Group para producir un polímero compuesto compuesto por elementos altamente hidrofílicos y elementos no activos y altamente rígidos. Las propiedades únicas de estos dos elementos dispares permitieron que ciertas partes de la cadena impresa se hincharan hasta en un 150 % en el agua, mientras que los elementos rígidos establecieron restricciones de estructura y ángulo para la cadena transformada. Produjeron una cadena que deletrearía "MIT" cuando se sumergiera en agua, y otra cadena que se transformaría en un cubo con estructura de alambre cuando se sometiera a las mismas condiciones. [1]
Thiele et al. exploró las posibilidades de un material a base de celulosa que podría responder a la humedad. Desarrollaron una película bicapa utilizando ésteres de esteraroilo de celulosa con diferentes grados de sustitución en cada lado. Un éster tenía un grado de sustitución de 0,3 (altamente hidrofílico ) y el otro tenía un grado de sustitución de 3 (altamente hidrofóbico ). Cuando la muestra se enfrió de 50 °C a 22 °C y la humedad relativa aumentó de 5,9 % a 35 %, el lado hidrófobo se contrajo y el lado hidrófilo se hinchó, provocando que la muestra se enrollara con fuerza. Este proceso es reversible, ya que al revertir los cambios de temperatura y humedad la muestra se desenrolla nuevamente. [4]
Comprender la hinchazón anisotrópica y mapear la alineación de las fibrillas impresas permitió a A. Sydney Gladman et al . para imitar el comportamiento natural de las plantas. Ramas, tallos, brácteas y flores responden a estímulos ambientales como la humedad, la luz y el tacto variando la turgencia interna de sus paredes celulares y la composición de sus tejidos. [7] Tomando un precedente de esto, el equipo desarrolló una arquitectura de hidrogel compuesta con un comportamiento de hinchazón anisotrópica local que imita la estructura de una pared celular típica. Las fibrillas de celulosa se combinan durante el proceso de impresión en microfibrillas con una alta relación de aspecto (~100) y un módulo elástico en la escala de 100 GPa. Estas microfibrillas están incrustadas en una suavematriz de acrilamida para la estructura.
