Investigadores de la Universidad de Friburgo y la Universidad de Stuttgart han desarrollado un nuevo proceso para producir muebles, Sistemas de materiales autoajustables con impresoras 3D estándar. Estos sistemas pueden sufrir cambios de forma complejos, contraerse y expandirse bajo la influencia de la humedad de una manera preprogramada. Los científicos modelaron su desarrollo basándose en los mecanismos de movimiento de la planta trepadora conocida como papa de aire (Dioscorea bulbifera).

Con su nuevo método, el equipo ha producido su primer prototipo:un aparato ortopédico para el antebrazo que se adapta al usuario y que puede desarrollarse aún más para aplicaciones médicas. Este proceso ha sido desarrollado en colaboración por Tiffany Cheng y el Prof.Dr. Achim Menges del Institute of Computational Design and Construction (ICD) y el Integrative Computational Design and Construction for Architecture Cluster of Excellence (IntCDC) en la Universidad de Stuttgart. junto con el Prof.Dr. Thomas Speck del Grupo de Biomecánica Vegetal y Living, Clúster de Excelencia de Sistemas de Materiales Adaptativos y Autónomos de Energía (livMatS) en la Universidad de Friburgo. Los investigadores presentan sus resultados en la revista Ciencia avanzada .

La impresión 4D define los cambios de forma

La impresión 3D se ha consolidado como un proceso de fabricación para una amplia gama de aplicaciones. Incluso se puede utilizar para producir materiales inteligentes y sistemas de materiales que permanecen en movimiento después de la impresión. cambiar de forma autónoma de estímulos externos como la luz, temperatura o humedad. Esta llamada impresión 4D, en el que los cambios de forma predeterminados pueden ser provocados por un estímulo, amplía enormemente las aplicaciones potenciales de los sistemas de materiales. Estos cambios de forma son posibles gracias a la composición química de los materiales, que constan de polímeros que responden a estímulos. Sin embargo, las impresoras y los materiales de base utilizados para producir dichos sistemas de materiales suelen ser altamente especializados, hecho a medida y caro, hasta ahora.

Ahora, utilizando impresoras 3D estándar, es posible producir sistemas de materiales que reaccionen a los cambios de humedad. Dada su estructura, estos sistemas de materiales pueden sufrir cambios de forma en todo el sistema o simplemente en las partes individuales. Los investigadores de las universidades de Friburgo y Stuttgart combinaron múltiples capas de hinchamiento y estabilización para realizar un mecanismo de movimiento complejo:una estructura en espiral que tira más apretada al desplegar 'bolsillos' como presores y que puede aflojarse de nuevo por sí sola cuando los 'bolsillos' se sueltan. y la estructura enrollada vuelve al estado abierto.

Mecanismos de movimiento natural transferidos a sistemas de materiales técnicos

Para este nuevo proceso, Los científicos utilizaron un mecanismo de la naturaleza:la papa aérea trepa a los árboles aplicando presión sobre el tronco de la planta huésped. Para hacer esto, la planta primero se enrolla libremente alrededor del tronco de un árbol. Luego brota 'estípulas', crecimientos basales de las hojas, que aumentan el espacio entre el tallo sinuoso y la planta huésped. Esto crea tensión en el tallo sinuoso de la papa aérea. Para imitar estos mecanismos, los investigadores construyeron un sistema de material modular estructurando sus capas para que se pueda doblar en diferentes direcciones y en diferentes grados, enrollando así y formando una estructura helicoidal. Los 'bolsillos' en la superficie hacen que la hélice se empuje hacia afuera y se ponga bajo tensión, causando que todo el sistema material se contraiga.

"Hasta aquí, nuestro proceso todavía se limita a los materiales base existentes que responden a la humedad, "dice Achim Menges." Esperamos, "Thomas Speck agrega:"que en el futuro, Los materiales económicos que también responden a otros estímulos estarán disponibles para la impresión 3D y se pueden utilizar con nuestro proceso ".

Investigadores de Living de la Universidad de Friburgo, El Clúster de Excelencia de Sistemas de Materiales Adaptativos y Autónomos de Energía (livMatS) está desarrollando sistemas de materiales similares a la vida que están inspirados en la naturaleza. Al igual que las estructuras vivas, se adaptan de forma autónoma a diferentes factores ambientales, generan energía limpia de su entorno y son inmunes a los daños o pueden curarse a sí mismos. Sin embargo, estos sistemas de materiales serán objetos puramente técnicos, para que puedan producirse mediante métodos sintéticos y desplegarse en condiciones extremas.