Una nueva técnica para imprimir, doblar y desplegar estructuras de autoconstrucción algún día podría hacer que sea mucho más fácil para los cirujanos colocar endoprótesis arteriales o astronautas para instalar hábitats espaciales nuevos y livianos.
contenido relacionado
- Buckminster Fuller era bueno en ideas, terrible en el diseño de automóviles
- Nueva Zelanda envió un cohete impreso en 3D al espacio
Los diseños se basan en un concepto arquitectónico llamado "tensegridad", un término acuñado por Buckminster Fuller en la década de 1960 (quien también patentó las primeras formas de tensegridad en 1962). Las estructuras de tensegridad o "integridad tensional" se mantienen en forma a través de puntales rígidos sostenidos en su lugar con cables de alta tensión interconectados. El puente Kurilpa en Brisbane, Australia, y una nueva torre de antena de radio que se está construyendo sobre Santiago, el cerro del Parque Metropolitano de Chile son dos ejemplos típicos de estructuras de tensegridad.
Aunque son muy fuertes, son pesados, ya que están construidos con puntales y cables de metal. Los ingenieros de Georgia Tech Glaucio Paulino y Jerry Qi querían aplicar esas mismas ventajas tensionales a los objetos que podrían usarse para algo más que puentes y antenas, como hábitats espaciales o stents cardíacos.
Paulino y Qi idearon un método para crear versiones imprimibles en 3D, livianas y plegables de estos diseños, con tubos hechos de un material similar al plástico llamado polímero con memoria de forma conectado con tendones elásticos impresos.
Al calentar los tubos, el material del puntal se programa para "recordar" la configuración abierta. Luego se puede aplanar y plegar, y una vez que todo el diseño se vuelve a exponer al calor, todo el paquete se despliega lentamente en su configuración final abierta, sin motores involucrados.
Paulino y Qi también descubrieron que al programar diferentes partes de sus diseños para desplegarse a diferentes temperaturas, sus diseños podrían desempaquetarse por etapas para evitar que los cables se enreden.
Debido a que todo el diseño se puede comprimir en un paquete que está esencialmente completamente ensamblado, ocupa mucho menos espacio que los diseños de tensegridad convencionales.
"Si compara los diseños de tensegridad con cualquier otro tipo de estructura, son extremadamente ligeros y muy fuertes", dice Paulino. "La belleza de este sistema es que existe un grado adicional de libertad que permite que la tensegridad se deforme, cambie de forma, tenga un cambio dramático de forma y admita cualquier tipo de carga en cualquier dirección".
Los modelos de laboratorio de Paulino y Qi son del tamaño del juguete de mesa de un niño, de cuatro a cinco pulgadas de ancho en un costado, y no se parecen en nada a una pila de palos altamente organizados que se mantienen en su lugar con una cuerda de pesca tensa. Cuando está completamente desplegado, los puntales son duros y rígidos, mientras que los cables elásticos son más suaves y flexibles. Los diseños, cuando están completamente ensamblados, tienen algo de rendimiento; si los aprieta, la forma se deformará. Pero vuelven a ponerse en forma cuando se liberan.
El equipo usó baños de agua caliente para demostrar cómo funciona el proceso de desembalaje a alta temperatura, pero incluso una herramienta como una pistola de calor o un secador de pelo funcionarían. Simplemente tiene que ser consistente, lo que, en la etapa actual de desarrollo, puede ser problemático, dice Paulino. Controlar la vibración también ha sido un desafío en otros tipos de diseños de tensegridad.
Paulino y Qi decidieron usar diseños simples para facilitar las pruebas de laboratorio, pero Paulino dice que no hay límite para lo que se podría hacer en el frente del diseño.
Su idea es que las estructuras de tensegridad de polímeros se pueden ampliar y hacer mucho más complejas, como las estructuras espaciales, o hacia abajo, al tamaño de algo que pueda caber en el cuerpo humano. Imagine un stent que podría insertarse en una arteria, dice Paulino, que se auto despliega una vez en posición. O si las estructuras del espacio estuvieran hechas de polímeros con memoria de forma similares, también pesarían mucho menos que una estructura similar hecha de metal, lo que permitiría lanzamientos más baratos de marcos premontados que podrían usarse para laboratorios o viviendas en espacio.
Esos son solo conceptos en este momento, aunque agregó que ha tenido cierto interés por parte de colegas médicos y que la NASA ya ha estado explorando la tensegridad como un enfoque para futuras misiones espaciales.
Robert Skelton, quien ha investigado la tensegridad para aplicaciones oceánicas y espaciales durante décadas en la Universidad Texas A&M, dice que el trabajo de Paulino y Qi tiene un beneficio de eficiencia sobre otros tipos de diseños de tensegridad.
"Una buena ventaja del trabajo de Paulino y Qi es la pequeña cantidad de energía necesaria para endurecer los [puntales]", escribió Skelton por correo electrónico. Skelton agregó que un principio similar está en acción cuando se saca una cinta métrica de metal: está pretensado para estar ligeramente curvado cuando se saca, pero plano mientras se enrolla. Los elementos estructurales pretensados han sido un enfoque importante para la construcción espacial, como en el Telescopio Espacial Hubble, cuyos paneles solares se desplegaron con esas tiras de metal pretensado que son rígidas una vez completamente abiertas.
"El impacto [de las estructuras de tensegridad con memoria de forma] será igual de amplio, con una gran variedad de aplicaciones, en la tierra y en el espacio", agregó Skelton.
Entonces, lo siguiente que Paulino dice que él y Qi abordarán es llevar su concepto a escala, de arriba a abajo. Y debido a que todo lo que se requiere es una impresora 3-D y el material adecuado, podría hacerse desde cualquier lugar una vez que se perfeccione la técnica.
"Nos llevó un tiempo alcanzar este nivel, pero sentimos que tenemos un buen punto de partida para los próximos pasos", dice Paulino. “Estamos muy entusiasmados con eso. Ciertamente, no sabemos todo lo que aún queda por hacer, pero confiamos en que tenemos la capacidad de avanzar en la idea ”.
