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Ctrl+P: Aplicaciones de las impresiones 3D en la Oceanografía

Translated by Sandra Schleier, Original Post BY PRABARNA GANGULY

 Artículo: Mohammed, J.S. (2016). Applications of 3D printing technologies in oceanography. Methods in Oceanography 17, 97–117. Doi: 10.1016/j.mio.2016.08.001

Desde imprimir joyería a motores de avión, camisetas a zapatos, pianos a extremidades prostéticas, la impresión 3D ha revolucionado el mundo de diseño y manufactura. Con avances ligeros hechos en el campo desde su comienzo por Charles Hull en 1984, hasta las ciencias marinas ahora toman parte de las diversas herramientas de la impresión 3D para muchísimas investigaciones. Pero antes de irnos a aguas profundas, vamos a revisar, ¿qué exactamente es la impresión 3D?

La impresión 3D (también conocida como la manufactura aditiva) es el proceso de hacer un objeto tridimensional depositando capas sucesivas del material o materiales deseados utilizando información de diseño almacenado en un archivo digital (Fig. 1). Suena fácil, ¿verdad? Pues sí y no. El construir el archivo digital o el diseño asistido por la computadora (llamado el Computer-aided design o archivo CAD en inglés) es la parte más fuerte y requiere conocimiento y competencia en diseño computacional y resolución de problemas. Por otro lado, los beneficios de la impresión 3D incluyen bajar el costo de producción y un sinnúmero de capacidades de facturación. Para algunas de sus aplicaciones más fascinantes, vamos a aventurar de regreso a los océanos….

 

Fig 1. Diagrama esquemático de cómo la impresión 3D funciona. Recurso: T. Rowe Price

¿Podría alguien por favor imprimir estos arrecifes de coral?

 La continua pérdida de los arrecifes de corales y su biodiversidad en las últimas décadas ha ilustrado la fragilidad de los ecosistemas submarinos. Numerosos investigadores están atentando mitigar las pérdidas mediante la exitosa impresión de estructuras arrecifales, que luego son sumergidas en áreas donde la cobertura coralina es escasa. ¿Entonces, así se hace la restauración? Primero, una técnica de imagen llamada tomografía computacional es utilizada para escanear especímenes de corales actuales, extraídos del océano, utilizando rayos-x para generar un modelo de la superficie en 3D a computadora. Luego, un modelo pequeño en yeso es impreso en 3D del coral (Figura 2). Utilizando varias técnicas innovadoras, los investigadores pueden entonces interactuar con el modelo para compararlo a los corales reales. Una vez las características son decididas, réplicas del coral con tamaño actual son impresas en 3D usando un proceso llamado fusión de polvo de cama con piedra de arena y/o cerámica, que por lo general se usan para hacer estos corales. El proceso envuelve poniendo una primera capa de piedra de arena en polvo y fusionando las próximas capas utilizando haces de electrones.

Fig 2. (Izquierda) Un ejemplo de un diseño a computadora utilizado para crear una réplica del coral en impresión 3D hecha de piedra de arena (derecha). Recurso: SOI 2012

Aunque ciertamente no es una sustitución real para los arrecifes de corales (ya que son similar en estructura, pero funcionalmente inanimado) esta aplicación puede ser un agente de cambio para los ecosistemas dependientes en la estructura misma del coral. El introducir arrecifes impresos en 3D podría recrear veredas protegidas y espacio para los depredadores marinos y sus presas. Las réplicas de corales también podrían actuar como substrato para que las larvas de corales se asientan y crezcan. El proceso de generar estos arrecifes de coral no es una meta fácil; muchas de estas réplicas de arrecifes pesan hasta 2.5 toneladas y pueden tomar hasta dos semanas para imprimirse. Dado que esta tecnología aún tiene sus etapas de desarrollo en pañales, todavía existen muchas preguntas sin contestar: ¿Pueden los arrecifes impresos en 3D mitigar el blanqueamiento de coral causado por tormentas? ¿Cuán sustentable serán estas estructuras? ¿Qué tipos de corales atraerán estas estructuras modelos? Solo el tiempo nos dirá.

Imitando a la naturaleza

Aparte de ser utilizado como posible salvador ecológico, la impresión 3D es también ventajosa para entender como estructuras tridimensionales naturales funcionan. Biomiméticas (o biomimetica o biónicos) es la ciencia que estudia el uso de principio y conceptos de la naturaleza para crear productos eficientes con el propósito de mejorar la calidad de la vida humana. Uno de los ejemplos más famosos de la biomimética es la invención del Velcro. En los años 1940s, el ingeniero Suizo George de Mastral fue inspirado por la propiedad adhesiva de la fruta arbana comun (Xanthium strumarium), recreando la misma técnica de agarre en lo que conocemos hoy como el velcro. Estudios recientes han explorado varias propiedades biomiméticas de organismos marinos para lograr diseñar micro vehículos submarinos (MUVs) altamente eficientes. Estos micro-vehículos podrían realizar varias funciones que otros vehículos submarinos más grandes no pudieran hacer. Estos incluyen poder percibir microorganismos marinos, la exploración de los barcos hundidos y ayuda en la formación de redes de sensores submarinos. Para esto, se ha estudiado un tipo de pez con un interés en particular. El pez cofre tiene un cuerpo rígido en forma de caja o cofre llamado el carapacho y muchas aletas osciladoras, que les permiten manejar con gran facilidad y estabilidad.

Fig 3. El esqueleto externo de un pez cofre (carapacho) contiene muchas escamas fusionadas y escalas rígidas.

El poder utilizar estas propiedades significa que los MUVs tendrían hidrodinámicas más estables y mayor flexibilidad en su movimiento. La pregunta es: ¿Cómo los humanos podemos hacer uso de esta propiedad de locomoción? Increíblemente, modelos 3D del pez cofre comercialmente disponibles (hechos de resina de epoxi: Piensa adhesivos, capa de protección y refuerzos en fibras de vidrios) ya están siendo utilizados para generar diseños de peces robóticos ágiles mediante otra técnica de impresión 3D, Estereolitografía. El proceso está basado alrededor del principio de usar un láser de luz ultravioleta para secar la resina líquida en plástico duro. Aplicaciones ecológicas potenciales, lo cual podrían proveer beneficios significativos para la salud ambiental, incluye el crear micro robots autónomos que podrían limpiar los derrames de petróleo y percibir los niveles de acidez en el agua.

Aparte de la tecnología, la impresión 3D también puede ser utilizada para crear módulos educacionales para investigadores oceanográficos, en especial para estudiar figuras y estructuras de las criaturas marinas. Por ejemplo, el investigar la impresión 3D de las colas cuadradas de los caballitos de mar, los investigadores han aprendido que la cola cuadrada es más probable de ser dañadas (deforme y fracturada) dado un estresor físico y tener mayores propiedades de agarre que las colas cilíndricas. Esto puede inspirar avances en la biomedicina, robótica y la defensa de la industria. En adición, modelos 3D de diferentes formas de caracoles han sido utilizadas para conducir varios experimentos de cargas mecánicas y físicas. Los análisis revelaron información sobre la evolución y el crecimiento de caracoles de mayor complejidad en la naturaleza.

Una historia de advertencia

 El uso de las aplicaciones en vida real de las tecnologías de impresión 3D para descubrir y utilizar la cantidad extraordinaria de información de los océanos se está volviendo popular, desde posibles restauraciones de ambientes marinos locales usando piedra de arena y cerámicas a imitar la complejidad de la naturaleza para mejorar la maquinaria. Sin embargo, muchos de los materiales utilizados en productos 3D oceanográficos son de plástico como el polietileno, polipropileno y poliestireno. Estudios sobre los impactos ecológicos de los materiales sintéticos han mostrado que disminuyen las capacidades reproductivas de las ostras y aumenta la toxicidad para los embriones de los peces cebras. Por tanto, antes de presionar Ctrl+P, los impactos dañinos de los materiales utilizados en las impresiones 3D necesitan ser estudiados con cuidado y continuamente a través del tiempo.

 Referencias:

  1. https://individual.troweprice.com/staticFiles/Retail/Shared/PDFs/3D_Printing_Infographic_FINAL.pdf
  2. SOI, 2012. Worlds First 3D Printed Reef. http://www.sustainableoceans.com.au/images/stories/Media_releases/SOI_Worlds_FIRST_3D_printed_reef_MEDIA_RELEASE_2012.pdf.
  3. Farina, S.C., and Summers, A.P. (2015). Biomechanics: Boxed up and ready to go. Nature 517, 274–275.

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