Cómo formarán parte de la revolución industrial 4.0 los materiales inteligentes

Sobre la revolución industrial 4.0 se está hablando durante los últimos años, pero algunas de sus tecnologías, como la impresión 3D, existe hace ya varias décadas, pero en estos últimos años se está realizando el mayor despliegue.

La impresión 3D es la forma de fabricar con la que se puede producir cualquier elemento en apenas unos minutos sin más preparación que el diseño digital del esbozo o escaneo. Esta tecnología se estima que moverá alrededor de 26.700 millones de dólares estadounidenses durante el año 2019.

Esta tecnología se está introduciendo en diferentes sectores como en la salud (fabricación de prótesis personalizadas o de réplicas de órganos para preparar intervenciones quirúrgicas), el automovilismo (elaboración de accesorios o componentes a escala individual), el espacio (recambio en órbita en función de las necesidades de la nave) o aeronáutica (recambio piezas de aviones en vuelo).

Estamos en los inicios de esta tendencia como tecnología, pero cada vez existe un crecimiento mayor y aplicación, por tanto, estamos en la superficie del potencial que su crecimiento, como el resto de tecnologías que componen la revolución industrial 4.0.

A la revolución industrial 4.0. llegan los materiales inteligentes

Mientras que la fabricación aditiva se está consolidando a pasos agigantados, en el sector se está hablando de una nueva revolución tecnológica, de la que será la "revolución tras la revolución".

Después de la impresión 3D viene la revolución 4D, un concepto que parte de la misma base, pero lo que cambia son los materiales (plástico, metal, etc.) por otros que podemos denominar materiales inteligentes.

Los materiales inteligentes son aquellos cuyas propiedades podemos adaptar (forma, flexibilidad, dureza, etc.), en función del contexto en que se encuentren, por ejemplo, si son sometidos a una cierta temperatura, si están sometidos a una cierta presión o si estos componentes son sumergidos en el agua.

Con estos nuevos materiales se podrá fabrican cualquier objeto en apenas unos minutos y estos, además de programarse para que se comporten de diferentes maneras según las necesidades del producto (aquí se puede comentar la revolución del 4D), suponen un gran cambio en la forma como entendemos la producción en masa o el comportamiento de los productos más habituales.

¿Qué se puede entender como impresión 4D con materiales inteligentes?

Dentro de la fabricación 4D se emplean técnicas de fabricación aditivas, es decir, impresión al momento del productos mediante capas o filamentos, con la diferencia de que utilizan materiales capaces de transformarse, adaptase a circunstancias, autoensamblarse o autorrepararse.

Por tanto, la idea detrás de la impresión 4D es tomar como referencia la impresión 3D multimaterial, en la se pueden depositar varios materiales y se le agrega una nueva capacidad, la transformación, que de manera instantánea pueden transformarse las partes, de una forma a la otra de forma autónoma.

Como comenta el investigador del MIT Skylar Tibbits: "Es como la robótica, pero sin cables ni circuitos, pudiendo imprimir una pieza cualquiera y que se transforme en algo totalmente distinto".

Los materiales inteligentes en está nueva tecnología deberán, por tanto, cambiar y adaptarse ante la aplicación de energías pasivas, tales como la térmica, neumática, cinética, magnética e incluso gravitatoria.

Estos materiales serán capaces de realizar procesos de computación y otras funciones hasta ahora desconocidas por que no se han explorado, siempre en función de cómo se transformen sus propiedades ante una situación en concreto.

Para esto, las estructuras de los materiales deberán ser capaces de autoensamblarse y de organizar los elementos aislados a modelos geométricos útiles con los que establecer el diseño de forma correcta en cada momento.

Impacto de los materiales inteligentes en los diferentes sectores

Una vez analizadas la nueva generación de fabricación aditiva, nos podemos preguntar cuál va a ser el impacto en los diferentes sectores de actividad. Se pueden analizar los siguientes casos:

    Moda / retail: con los materiales inteligentes se conseguirá cambiar la forma, es decir, una empresa de ropa deportiva podrá diseñar una zapatilla deportiva con una suela que se adapte al suelo pavimentado mojado o al seco para mejorar su agarre.

    Medicina: las empresas de medicina podrán diseñar 'stents autoensamblables' para reducir los tiempos de cirugía y mejorar la evolución del paciente. Podemos tomar el ejemplo de 3 niños norteamericanos con anomalías de respiración a los que se les introdujeron unas férulas para abrirles la tráquea, con dispositivos fueron adaptandose a los menores durante su crecimiento y, finalmente, se disolverán cuando cumplan su misión.

    Construcción: nos podemos imaginar muros que ajustan de forma automática su espesor durante las diferentes estaciones del año para adaptar su aislamiento o en determinadas franjas horarias. Se podrá aplicar en estructuras más complejas e inteligentes para edificios que cambien de propiedades físicas según el uso o las capacidades de adaptarse a condiciones extremas como sería la temperatura o si se sufre actividad sísmica.

    Infraestructuras urbanas: se podrá dar la capacidad de adaptación que permitirá diseñar smartcities más eficientes. Se podría integrar, para dar algún ejemplo, sistemas de tuberías que cambiarán de forma automática su diámetro en respuesta al flujo y a la demanda de agua o carreteras que cambien sus propiedades para favorecer la absorción de agua cuando llueva o incrementar la fricción de los coches para aquellos coches que vayan demasiado rápido para así conseguir frenarlo.

    Defensa: gracias a este tecnología, los batallones pueden tener a su disposición vehículos que serán capaces de camuflarse con el entorno donde estén o chalecos antibalas mucho menos pesado ya que sus fibras solo se agrupan en la posición en el momento de recibir un impacto.

Los materiales inteligentes en las primeras fases de su existencia, pero con una gran década para desarrollarse

Esta nueva tecnología esta en el 'ciclo hype', un estadio en que sus investigaciones sitúan las diferentes tendencias en base a su madurez, expectativas de crecimiento y consolidación de la oferta existente.

Por tanto, está tecnología aparecía durante el año pasado en la curva de adopción, lo que significa que está en pleno comienzo de su explosión, con una proyección de al menos una década para implantación en gran escala.

Pese a la inmadurez, ya existen algunas pruebas de concepto y proyectos pilotos que demuestran la eficacia y el potencial. Se han dado algunos ejemplos:

    Universidad Rutgers, New Jersey: han desarrollado a un gel inteligente capaz de desarrollar estructuras vivas en órganos y tejidos humanos, el cual cambia de forma ante variaciones de temperatura.

    Universidad de Harvard: están trabajando en de tinta higroscópica, que absorbe agua, la cual se podría aplicar en impresión en 4D. La tinta podría moverse libremente dentro del elemento líquido, imitando el movimiento de las hojas y los pétalos a medida que reaccionan a los estímulos.

Artículo relacionado:
– Industry 4.0 o cómo las nuevas tecnologías están poniendo patas arriba el sector industrial.
– Micro-Fabricated Stretchable Sensor Networks for Intelligent Materials.
– The power of smart materials.
– Smart material.

Imagen de cabecera: theconversation.com (Ultrasound could transform 3D printing for a future of smart materials).

Fuente: Raúl Jaime Maestre (@ruljaimemaestre) – elblogsalmon.com