Cambio de forma con solo pulsar un botón

Arriba: La rigidez y el cambio de forma pueden ajustarse localmente mediante el patrón de una lámina. Abajo: La apilación de láminas de diferentes alturas permite la creación de un material programable. © Fraunhofer ICT / Arriba: La rigidez y el cambio de forma pueden ajustarse localmente mediante el patrón de una lámina. Abajo: La apilación de láminas de diferentes alturas permite la creación de un material programable. © Fraunhofer ICT

Enlaces: Célula unitaria hecha de elementos estructurales, en el centro: estructura del material a partir de muchas células, a la derecha: demostrador impreso en 3D. © Fraunhofer IWM / Izquierda: Célula unitaria hecha de elementos estructurales, Centro: estructura del material a partir de muchas células, Derecha: demostrador impreso en 3D. © Fraunhofer IWM

Los materiales programables son verdaderos transformadores de forma. Con solo pulsar un botón, cambian controlada y reversible sus propiedades y se adaptan de forma autónoma a nuevas condiciones. Los campos de aplicación incluyen, por ejemplo, una postura cómoda al sentarse o colchones que previenen las úlceras por presión. La base se deforma de modo que la superficie de apoyo es grande y la presión sobre las partes del cuerpo se reduce. Investigadores del Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM desarrollan estos materiales programables y los llevan junto con socios industriales a la madurez comercial. El objetivo es, entre otros, reducir el uso de recursos.

Numerosas personas en todo el mundo sufren de úlceras por presión, ya sea por enfermedad, accidente o edad. Dado que a menudo no pueden moverse o girarse por sí mismas, puede producirse una lesión muy dolorosa. Con materiales cuya forma y propiedades mecánicas pueden cambiarse programáticamente en cualquier lugar, se pretende evitar las úlceras por presión en el futuro. Por ejemplo, la dureza y rigidez de los colchones fabricados con materiales programables podrían ajustarse en cualquier área con solo pulsar un botón. Además, la base se deforma de forma autónoma para distribuir una alta presión en un área mayor. La cama se vuelve automáticamente más blanda y elástica donde se ejerce presión. Además, el personal de cuidado puede ajustar de manera específica y ergonómica la posición del paciente según sus necesidades.

Material plus microestructura

Investigadores del Fraunhofer CPM, que está conformado por seis institutos principales y tiene como objetivo diseñar y producir materiales programables, desarrollan materiales para aplicaciones que requieren un cambio dirigido en la rigidez o forma. Pero, ¿cómo se programan los materiales en realidad? »En general, tenemos dos palancas: el material base — en el caso de los colchones, plásticos termoplásticos, y para otras aplicaciones, aleaciones metálicas, incluso aleaciones con memoria de forma — y, en particular, la microestructura«, explica el Dr. Heiko Andrã, portavoz del tema en el Instituto Fraunhofer para Matemáticas en Tecnología y Economía ITWM, uno de los institutos principales del Fraunhofer CPM. »La microestructura de los llamados metamateriales está formada por células individuales que, a su vez, consisten en elementos estructurales como pequeñas vigas y láminas delgadas.« Mientras que el tamaño de las células individuales y sus elementos estructurales varía de forma aleatoria en materiales celulares tradicionales como las espumas, en los materiales programables también es variable, pero exactamente definido — es decir, programado.

Esta programación se realiza, por ejemplo, de modo que la presión en una posición determinada conduzca a cambios de forma deseados en otras áreas del colchón, con el fin de aumentar la superficie de apoyo y sostener de manera óptima las zonas del cuerpo.

Los materiales también pueden reaccionar a calor o humedad

El tipo de cambio de forma que debe tener el material y los estímulos a los que reacciona — carga mecánica, calor, humedad o incluso un campo eléctrico o magnético — también se puede determinar mediante la elección del material y su microestructura. »Los materiales programables permiten adaptar objetos a cada aplicación o persona, y usarlos de forma más multifuncional que antes. Por lo tanto, no necesitan ser reemplazados con tanta frecuencia. Esto es especialmente interesante desde la perspectiva del consumo de recursos«, dice Franziska Wenz, subportavoz del tema en el Instituto Fraunhofer para Mecánica de Materiales IWM, también uno de los institutos principales del Fraunhofer CPM. Además, se puede crear un valor añadido adaptando los objetos a las necesidades individuales de los usuarios.

El camino hacia la aplicación

Un solo material puede reemplazar sistemas completos de sensores, controladores y actuadores. El objetivo del Fraunhofer CPM es reducir la complejidad de los sistemas mediante la integración de funciones en el propio material y disminuir el uso de recursos. »Al desarrollar los materiales programables, siempre tenemos en cuenta el producto industrial, considerando, entre otras cosas, la producción en serie y la fatiga del material«, dice Wenz. También ya están en marcha algunos proyectos piloto concretos con socios industriales. El equipo de investigación espera que, inicialmente, los materiales programables reemplacen componentes individuales en sistemas ya existentes o se utilicen en aplicaciones específicas — por ejemplo, en colchones médicos, asientos, suelas de zapatos y ropa de protección. »Gradualmente, la proporción de materiales programables podría aumentar«, estima Andrã. Al fin y al cabo, pueden usarse en todas partes — tanto en artículos médicos y deportivos, como en la soft robotics y en la investigación espacial.