es.wedoany.com Noticia: Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (Harvard's John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) han desarrollado un método de impresión 3D para fabricar fibras más finas que un cabello humano. Estas fibras pueden doblarse, torcerse, expandirse o contraerse con los cambios de temperatura, funcionando como músculos artificiales programables. Los resultados se publicaron en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos (Proceedings of the National Academy of Sciences), y la investigación proviene del laboratorio de Jennifer Lewis, profesora Hansjörg Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología (Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering), siendo el primer autor el investigador postdoctoral Mustafa Abdelrahman.

Esta tecnología se basa en la plataforma de impresión 3D multimaterial rotatoria desarrollada en el laboratorio de Lewis. La plataforma extruye simultáneamente dos materiales a través de una boquilla giratoria: un elastómero de cristal líquido, un material activo que se contrae en la dirección molecular preferida al calentarse; y un elastómero blando inerte, que mantiene su forma independientemente de la temperatura. Al controlar con precisión la posición de cada material en la sección transversal de la fibra y girar la boquilla durante la impresión, los investigadores pueden escribir directamente una disposición helicoidal de moléculas en la fibra mientras se forma, predefiniendo completamente el comportamiento de cambio de forma durante el proceso de fabricación, sin necesidad de posprocesamiento ni ensamblaje manual.

"Vi esta plataforma de impresión 3D rotatoria tan elegante y pensé: si añadimos un material activo y lo patronamos en las fibras, ¿podríamos usarlo para impulsar cambios de forma?", dijo Abdelrahman.

El potencial de esta tecnología se demostró cuando el equipo utilizó fibras programadas individualmente como bloques de construcción para arquitecturas más complejas. Las fibras en forma de onda sinusoidal u ondulada son visualmente idénticas, pero muestran comportamientos opuestos según la posición del material activo: cuando el elastómero está en el exterior de la onda, la fibra se estira y expande; cuando está en el interior, la fibra se tensa y contrae.

Basándose en estas unidades, los investigadores ensamblaron redes planas que se abren y cierran con el calor, funcionando como filtros activos: al calentarse, permiten el paso de partículas; al enfriarse, las atrapan. Esta red también puede usarse como pinza de recoger y soltar, levantando múltiples barras simultáneamente y liberándolas según sea necesario. Las redes con zonas alternas de expansión y contracción se convierten en estructuras abovedadas al calentarse, coincidiendo estrechamente con las simulaciones predichas por ordenador. La validación y el modelado se realizaron en colaboración con el profesor L. Mahadevan, experto en mecánica de estructuras naturales, y la disposición molecular se caracterizó mediante dispersión de rayos X en el Laboratorio Nacional Brookhaven (Brookhaven National Laboratory), en colaboración con el laboratorio de la profesora Joanna Aizenberg.

El equipo ha impreso fibras con diámetros tan pequeños como 100 micrómetros y cree que se puede reducir aún más. "En términos de escalabilidad, en el futuro se podrían fabricar boquillas más complejas, integrando otros materiales, como canales de metal líquido para la activación, o integrando otras funcionalidades", dijo Jackson Wilt, estudiante de posgrado y coautor.

Las aplicaciones que el equipo prevé incluyen pinzas blandas reconfigurables, filtros ajustables y válvulas, así como fibras inyectables que, al fijarse en el cuerpo, forman estructuras porosas que promueven la coagulación, para uso en biomedicina. Como dijo Lewis: "Este marco de diseño e impresión de fibras puede acelerar la transición de materiales similares a músculos artificiales del laboratorio a tecnologías reales".

El equipo de Harvard también señaló los límites del sistema actual. La miniaturización es una restricción directa: la resolución de la boquilla está limitada por la impresora de resina DLP utilizada para fabricar los cabezales de coextrusión personalizados, lo que restringe el tamaño de las características a aproximadamente 50 micrómetros. Reducir el diámetro de la boquilla de 1 mm a 0,5 mm logró disminuir el diámetro de la fibra de 600 micrómetros a 300 micrómetros, pero a costa de requerir velocidades de impresión más bajas a escalas más pequeñas, lo que reduce la alineación molecular inducida por cizallamiento del elastómero de cristal líquido. Dado que la alineación molecular es la fuente de la activación, existe una compensación directa entre miniaturización y rendimiento.

La dependencia de la temperatura es otra restricción práctica. Toda la activación depende de calentar la muestra por encima de la temperatura de transición nemática-isotrópica del elastómero de cristal líquido, que en la formulación actual de tinta es muy superior a las condiciones ambientales. Las demostraciones se realizaron sumergiendo las redes en un baño de aceite de silicona calentado, una configuración que dista mucho de los entornos sin ataduras, integrados en el cuerpo o de condiciones ambientales requeridos para aplicaciones en robótica blanda y biomedicina.

Los autores contribuyentes de este estudio incluyen a Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Paink y Natalie M. Larson. La financiación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (National Science Foundation) a través del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales de Harvard y por la Oficina de Investigación del Ejército a través del programa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria. El trabajo experimental se realizó en el Centro de Investigación en Nanoescala de Harvard y en la fuente de luz de sincrotrón del Laboratorio Nacional Brookhaven, apoyados por la NSF y el Departamento de Energía, respectivamente. La Oficina de Transferencia de Tecnología de Harvard ha iniciado el proceso de solicitud de protección de propiedad intelectual para esta innovación fundamental y está explorando vías para llevarla al mercado.

Este último logro del laboratorio de Lewis forma parte de la trayectoria de investigación de Harvard en materiales blandos programables. Un estudio anterior del grupo, liderado por Jackson Wilt y la ex postdoctoranda Natalie Larson, utilizó la misma plataforma de impresión 3D multimaterial rotatoria para fabricar estructuras robóticas blandas con rutas de activación integradas, apuntando a aplicaciones en robótica quirúrgica y tecnologías de asistencia humana. Lewis y Emily Davidson, profesora de la Universidad de Princeton, perfeccionaron la ciencia de la orientación de cristales líquidos en procesos de impresión 3D basados en extrusión, transformando el proceso de un arte experimental a una disciplina más precisa y medible, sentando las bases para la fabricación confiable a gran escala de materiales basados en elastómeros de cristal líquido. Los elastómeros de cristal líquido están atrayendo ahora la atención en los campos de la robótica blanda, la amortiguación de energía y la ingeniería biomédica. La capacidad de preprogramar el cambio de forma de las fibras durante la impresión elimina un obstáculo clave para convertir los resultados de laboratorio en dispositivos utilizables.

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