Objetos con vida propia, ¿son posibles?

En el actual contexto de la industria 4.0 resulta de vital importancia el desarrollo de métodos de diseño, eficaces y eficientes, de materiales inteligentes que permitan mejorar el proceso de diseño en industrias tecnológicas de un elevado valor añadido. En esta línea el proyecto Dicopma, llevado a cabo por investigadores de la Universidad Politécnica de Cartagena, plantea el desarrollo de herramientas computacionales que permitan, de forma automatizada, la simulación, la optimización y el control de materiales activos. Estas herramientas actuarían como soporte para el ingeniero durante la etapa de diseño de nuevos dispositivos basados en materiales inteligentes.

El trabajo cuenta con la financiación de la Fundación Séneca-Agencia Regional de Ciencia y Tecnología especialmente interesada en investigaciones que se reviertan a la sociedad a través de una mejora competitiva del tejido industrial de la Región de Murcia. En última instancia, el impacto en la sociedad de los materiales activos sería doble, pues permitiría ofrecer nuevas oportunidades de producto a la Industria de la Región de Murcia, mediante la incorporación de conocimiento básico y tecnologías relacionadas con materiales de altísimo valor añadido, y también permitiría generar bienestar social y mejorar la calidad de vida, gracias a la aplicación a largo plazo de dichos materiales en sectores como transporte, biomecánica, comunicaciones, robótica o arquitectura sostenible.

El proyecto Dicopma surge en el contexto de la industria 4.0 a raíz de la necesidad de nuevas técnicas computacionales para el diseño y el control de una nueva generación de materiales activos. Estos materiales inteligentes, poseen atributos más allá de propiedades típicas estructurales como la resistencia y la rigidez, respondiendo a estímulos externos de manera similar a como lo hacen los sistemas biológicos. Un ejemplo de ello son los conocidos como polímeros electroactivos, los cuales pueden cambiar su tamaño cuando se les aplica un campo eléctrico, de la misma manera que los músculos de un ser vivo pueden contraerse como respuesta a variaciones de tensión inducidas por impulsos nerviosos.

Una característica fundamental de este tipo de materiales es que son capaces de responder de forma reversible y controlada, lo que les convierte en candidatos excelentes para su aplicación en el desarrollo de sensores, actuadores o músculos artificiales para robótica y prótesis humanas. Para poder explotar al máximo las posibilidades que brindan esta nueva generación de materiales multifuncionales es necesario el desarrollo de nuevas técnicas de diseño que van más allá de los métodos convencionales de diseño estructural.

«Estamos convencidos de que los avances obtenidos fruto de las investigaciones desarrolladas en el proyecto Dicopma supondrán una mejora significativa de las herramientas con las que cuentan diversos sectores estratégicos para mejorar su productividad y competitividad en campos que actualmente están en pleno desarrollo en la industria 4.0», como dice Jesús Martínez Frutos, investigador del grupo Mecánica Computacional y Computación Científica de la UPCT y codirector del proyecto.

Los materiales activos o inteligentes son materiales multifuncionales que poseen atributos más allá de propiedades típicas estructurales, como la resistencia y la rigidez. Estos materiales son capaces de responder de modo reversible y controlable ante diferentes estímulos físicos o químicos externos, modificando alguna de sus propiedades. Por ejemplo, en materiales electro-activos, la aplicación de un campo eléctrico genera una deformación, mientras que en materiales magneto-activos, es la aplicación de un campo magnético externo la responsable de la deformación. Otras familias de materiales activos incluyen materiales termoeléctricos, fotocrómicos, etc., donde estímulos externos de carácter térmico o fotónico inducen cambios en su distribución de campo eléctrico o en el color.

Según Martínez Frutos, «las aplicaciones de estos materiales están en constante crecimiento y en un futuro cercano pueden jugar un papel importante en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. En la actualidad, encontramos ejemplos de su aplicación en el desarrollo de sensores y actuadores que pueden ser utilizados en aplicaciones que van desde la monitorización de infraestructuras en ingeniería civil hasta el diseño de textiles inteligentes como camisetas capaces de controlar las constantes vitales de un paciente o registrar el ritmo cardíaco o respiración durante una actividad deportiva».

Uno de los materiales activos que está teniendo una mayor repercusión son los polímeros electroactivos. Estos polímeros, a imagen y semejanza de los músculos humanos, pueden cambiar su tamaño o forma en presencia de un impulso eléctrico. Por este motivo, este tipo de polímeros también es conocido en ocasiones como músculos artificiales. Estos músculos artificiales tienen un abanico muy amplio de aplicaciones en el campo de la robótica flexible. Algunas de estas aplicaciones, entre las que se encuentra el desarrollo de exoesqueletos portables, robots humanoides o prótesis artificiales, han estado muy limitadas en el pasado por el peso y tamaño de los sistemas de accionamiento utilizados en la robótica convencional.

Otro aspecto destacable de estos materiales es que son la base de una nueva técnica de fabricación conocida como impresión 4D. La impresión 4D es una evolución más de lo que se conoce actualmente como impresión 3D a la que se añade como cuarta dimensión la transformación del material en el tiempo una vez finaliza el proceso de impresión. Esta nueva técnica permite que objetos creados con impresión 3D puedan autoensamblarse y transformarse a partir de un estímulo externo como calor, humedad, presión, etc. De esta forma, sería posible fabricar desde un ala de un avión que se transforma según las condiciones aerodinámicas para disminuir la resistencia del aire, hasta un 'stent' coronario que se autoensamble activado por la temperatura. Esta nueva técnica de impresión supone un nuevo paradigma que altera completamente la forma en la que producimos materiales.

Las propiedades de los materiales activos trabajan en sinergia junto con la capacidad estructural del material. «Debido a este acoplamiento entre distintas físicas (ej. electro-elasticidad, magneto-elasticidad), resulta complicado para el ingeniero anticipar el comportamiento de estos materiales en base a una experiencia adquirida o a intuición 'ingenieril'. Por este motivo el proyecto Dicopma tiene por objeto el desarrollo de laboratorio virtual con herramientas de diseño asistido por ordenador que permitan de forma automatizada la simulación, la optimización y el control de esta generación de materiales. Estas herramientas actuarían como soporte para el ingeniero durante la etapa de diseño de nuevos dispositivos basados en materiales inteligentes», como explica el investigador de la Universidad Politécnica de Cartagena.

Y añade: «Cuando decimos que estos materiales están gobernados por los sistemas acoplados de Ecuaciones en Derivadas Parciales (EDPs) de electro-elasticidad y magneto-elasticidad no lineal, simplemente hacemos referencia a las ecuaciones matemáticas que gobiernan el comportamiento de dichos materiales. La resolución de dichas ecuaciones junto con los algoritmos de optimización utilizados para el diseño y el control óptimo de estos materiales, constituye un reto de gran calado en los campos de la Mecánica Computacional y la Matemática Aplicada. Debido a lo inexplorado de estos campos, la obtención de resultados positivos tanto de naturaleza teórica como numérica puede servir de pilar fundamental que permita su posterior aplicación para el diseño futuro de materiales que involucren nuevas físicas».

La duración del proyecto es de tres años. Como es habitual en este tipo de proyectos, se han planificado una serie de tareas que serán realizadas por los miembros del proyecto de investigación mediante la constitución de pequeños grupos especializados. Dejando al lado detalles técnicos, las dos principales líneas de investigación están dedicadas por una parte al diseño de los materiales y por otra al control de los mismos. En la primera línea se desarrollan algoritmos para la optimización de la topología y la forma de estructuras basadas en polímeros piezoeléctricos, elastómeros dieléctricos y magnetoreológicos. La segunda línea está dedicada al control óptimo del comportamiento de estos materiales con el objetivo de explotar las funcionalidades de los mismos para el desarrollo de estructuras inteligentes. Las tareas desarrolladas requerirán investigaciones tanto a nivel teórico como numérico que finalmente darán lugar una serie de algoritmos que serán implementados en una plataforma computacional destinada a la simulación y optimización de materiales activos.

El proyecto Dicopma está conformado por un equipo internacional y multidisciplinar que involucra a un total de diez doctores en los campos de: matemática aplicada, mecánica de medios continuos computacional y optimización estructural. El proyecto está liderado por el grupo de Mecánica Computacional y Computación Científica de la UPCT y cuenta con la colaboración de investigadores nacionales pertenecientes al grupo de Optimización y Métodos Variacionales de la Universidad de Castilla la Mancha, así como investigadores internacionales de reconocido prestigio pertenecientes al Centro de Matemática Aplicada de L'Ecole Polytechnique de París y al centro Zienkiewitz de ingeniería computacional de la universidad de Swansea en UK.