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Mover Materia en el Espacio: Impresión 3D en Medicina, Construcción y Alimentación

Entre los desafíos principales de las políticas públicas de cualquier país, uno siempre encuentra tres problemas grandes: vivienda, salud y alimentación. Estos problemas siempre parecen tan grandes que casi te hacen desesperar de solo pensar en su magnitud: centenas de millones de personas en el planeta viven en condiciones realmente horribles –en las favelas, en las villas de emergencia, en los slums de la India–; centenas de millones están malnutridos; centenas de millones viven sin acceso a servicios de salud. ¿Podrán las tecnologías de impresión 3D algún día mover la aguja en busca de soluciones a estos problemas?

Los usos de las impresoras 3D en la medicina, construcción y producción de comida suelen ser los más sorprendentes de todas las aplicaciones de las tecnologías aditivas. Sin embargo, imprimir un edificio, una prótesis o una hamburguesa en principio no es muy distinto de imprimir un objeto de diseño, una silla o una mesa –en todos estos casos el proceso de impresión 3D es en el fondo colocar material en una configuración determinada por el programa digital–, lo que es distinto de una situación a otra es el material que usamos.

Por cierto, el tamaño de la impresora y los detalles de la tecnología son totalmente distintos entre imprimir un edificio y un hueso prostético, pero para entender el impacto profundo que las tecnologías aditivas van a tener en el largo plazo, es importante tener presente la observación de Bertrand Russell acerca de que “el trabajo consiste mover materia en el espacio”. Impresión 3D es una constelación de tecnologías que, con el tiempo, podrán colocar materia en el espacio de cualquier manera que deseemos y, en este sentido, no es sorprendente que las impresoras 3D vayan a ser una tecnología universal con aplicabilidad a cualquier proceso de producción, ya sea hamburguesas o edificios, al igual que las computadoras hoy en día son una tecnología universal de manejo de información para los Excel del contador, los MP3 del DJ o el Photoshop del diseñador gráfico.

Impresión 3D en Construcción

La industria de la construcción es una de las más peligrosas de todas. Según Behrokh Khoshnevis, profesor en la Universidad de Southern California, en EE. UU. cada año mueren alrededor de 10 mil trabajadores por accidentes y alrededor de 400 mil se lastiman en el transcurso de su trabajo. Además, el proceso de construcción por lo general suele ser muy lento, caro, y en muchos casos dominado por corrupción y burocracia municipal.

Ya existen varias empresas y equipos académicos que están en las etapas avanzadas de llevar las tecnologías aditivas a la industria de la construcción. Una de las empresas líderes se llama D-Shape, y desarrolló una impresora 3D con la capacidad de imprimir cualquier estructura arquitectónica que encaje en un cubo de 6 metros por lado. Con un área de impresión de este tamaño, D-Shape puede imprimir bancas, fuentes, kioscos, piletas, pequeños puentes, estatuas, columnas, arcos, etc.

El arquitecto empieza el proceso de construcción modelando el edificio u otro objeto digitalmente en un programa CAD. Después guarda el diseño como un archivo STL y lo abre en un programa de D-Shape que controla el cabezal de la impresora. Bajo el control del programa, el cabezal construye el objeto inyectando una solución adhesiva sobre las capas de arena en el patrón que representa la estructura deseada. Una vez que el adhesivo solidifica la arena, el cabezal se levanta para imprimir la siguiente capa. Como ya vimos anteriormente, la razón principal por la que la revolución 3D se dio ahora no es la idea de la impresora en sí, sino los tremendos avances en materiales y software que se dieron en la última década. Este caso no es una excepción. La solución adhesiva que solidifica la arena produce un material final tan fuerte que tiene las mismas características que el bloque de mármol sólido y tiene una resistencia tan superior a los mejores cementos que no hace falta reforzar la estructura con barras de hierro, lo que normalmente se hace hoy en día. Además, al usar procesos aditivos, las máquinas de D-Shape usan los recursos mucho más económicamente y con menos desecho que los procesos de construcción tradicionales, y de este modo también ofrecen importantes ventajas ambientales.

Al igual que en el caso de todas las tecnologías de impresión 3D, la complejidad del objeto a imprimir no tiene costo extra y uno de los desafíos prácticos de la arquitectura en la edad de las tecnologías aditivas es darse cuenta de que las capacidades de una máquina como esta son mucho más amplias que simplemente imprimir kioscos y piletas. Como toda impresora 3D, la máquina de D-Shape tiene la capacidad de imprimir estructuras con la geometría de cualquier complejidad. Por ejemplo, los arqueólogos pueden imprimir partes perdidas para reconstruir edificios antiguos; los diseñadores de paisajes pueden imprimir rocas, piedras y pequeñas montañas para la decoración de parques y jardines; los arquitectos pueden imprimir un modelo 1/4 de tamaño de un edificio como prototipo o pueden imprimir cualquier estructura de piedra como puertas, ventanas o ladrillos de tamaño especializado. Dado que la complejidad no tiene costo extra, cada puerta puede ser adornada con un pequeño bajorrelieve personalizado y cada columna puede tener una gárgola con cara distinta, el único límite es la imaginación.

Las ventajas de esta tecnología se vuelven aún más importantes cuando se combinan con el proceso de escaneo 3D. La ciudad de Nueva York recientemente eligió a D-Shape como el ganador del concurso de ideas acerca de cómo restaurar la zona costera de la ciudad. Muchos de los muelles y embarcaderos necesitan restauración, pero los procesos de construcción tradicionales son extremadamente caros ya que las columnas de soporte y otros elementos de las estructuras están sumergidos en el agua y el acceso es muy difícil. Además, las estructuras fueron construidas en distintas épocas, por lo que, cuando se erosionan, reemplazarlas exige trabajo con partes que hoy no están estandarizadas.

Con la tecnología de hormigón digital de D-Shape, los soportes que necesitan restauración se escanean con un escáner 3D especial, aun estando bajo el agua, y después se imprime una estructura de hormigón con la forma precisamente ajustada para cada soporte. En el cubo de 6×6 metros de la máquina de D-Shape encajan hasta 50 estructuras en una sola impresión y cada estructura tiene su propia forma.

Solo en embarcadero #40 en Manhattan, hay 3.500 soportes, de los cuales el 30% están clasificados “en estado de erosión grave” y, del resto, casi todos necesitan alguna restauración. La ciudad de Nueva York tiene más de 800 kilómetros de zona costera y se estima que va a ahorrar USD 2,9 mil millones usando la tecnología de D-Shape en vez de procesos de construcción tradicionales.

Viviendas en la Tierra y bases en la Luna

El Instituto de Arquitectura Avanzada en Cataluña ha creado una máquina similar a la de D-Shape. Se dedican al desarrollo de arquitectura sustentable y, según dicen, quieren “empujar las fronteras de la manufactura digital y explorar las posibilidades de fabricación con materiales locales”. El robot-impresora del instituto mezcla los materiales del suelo con una solución adhesiva que está aprobada como respetuosa del medio ambiente con la certificación LEED (certificación de edificios verdes en EE. UU.). El robot está controlado por la computadora y funciona usando energía solar.

La ciudad de Nueva York no es la única entidad que está apostando a estas nuevas tecnologías. La NASA le vio tanto potencial a uno de los equipos que está desarrollando impresoras-constructoras e invirtió USD 100 mil para empezar a testear el concepto de imprimir estructuras en la Luna, incluyendo calzadas, paredes, plataformas de aterrizaje y otras. La idea es usar como insumos polvo lunar y cemento hecho de rocas locales ricas en calcio.

Desarrollos experimentales como los dos ejemplos que vimos, demuestran que estamos a unas décadas de solucionar para siempre el problema de viviendas. Nuestro planeta tiene en total 14,8 Gha (14,8 mil millones de hectáreas) de superficie de tierra, de las cuales para habitación humana usamos tan sólo 0,03 Gha. En términos de proveer vivienda digna para todos, el factor limitante nunca fue la disponibilidad de terrenos. Algún día no tan lejano, las impresoras 3D y otras tecnologías robóticas alimentadas por los rayos del sol construirán todas las viviendas que necesitamos, y lo harán sin centenas de miles de muertes o accidentes de trabajadores y de una manera mucho más amigable para la naturaleza.

Obviamente acá surge la pregunta de qué pasará con los millones de puestos de trabajo que hoy genera la construcción. El último capítulo de este libro está dedicado a este tema.

Impresión 3D en Medicina

Como ya vimos varias veces, las áreas donde las impresoras 3D agregan más valor son aquellas que exigen un alto grado de personalización. Y no hay ámbito que más valore la personalización que la medicina. Si no te cabe bien la talla de tu remera debido al proceso de manufactura masiva es obviamente una decepción. Pero cuando no te cabe bien tu prótesis odontológica es totalmente otra cosa. La precisión en la manufactura de las prótesis y trasplantes médicos es imprescindible para la comodidad y para salud, y es por eso que muchos analistas de la industria de impresión 3D predicen que los usos de esta tecnología en la medicina van a ser de los más importantes.

En términos prácticos, las impresoras 3D ya han revolucionado dos campos de las prótesis: en el mundo ya existen más de 3 millones de audífonos impresos en 3D; y el uso de impresión 3D para crear coronas dentales ya es algo muy cotidiano para muchos odontólogos. Son dos ejemplos que demuestran claramente las ventajas: Antes, para producir la prótesis el médico tomaba una impresión con cera y después, a base de este molde, se producía la corona o audífono. Era un proceso caro, lento y poco preciso. Hoy, el odontólogo escanea el diente roto, de ser necesario lo corrige digitalmente, y lo manda a imprimir. El proceso en su totalidad lleva un par de horas en vez de llevar semanas, como era costumbre antes. Además, la prótesis naturalmente es mucho más cómoda porque tiene una forma muy precisa, la forma exacta de tu diente o tu oído.

El uso de impresión 3D en prótesis está avanzando rápido. En el año 2012 por primera vez hicieron un trasplante de una mandíbula impresa en titanio. Hoy, trasplantes de este tipo ya no son una novedad y existen muchos casos exitosos de trasplantes de caderas, mandíbulas y otras partes del cuerpo. Más importante aún es que desde que aparecieron las impresoras 3D de bajo costo, las personas fuera del campo médico empezaron a experimentar e inventar sus propias soluciones.

Por ejemplo, Richard Van As, un carpintero de Sudáfrica, perdió sus dedos en un accidente y encontró que los modelos de prótesis que existían eran puramente cosméticos. Por eso decidió diseñar un nuevo tipo de prótesis que le permitiría seguir trabajando. Después de desarrollar el concepto de su invento, Richard vio que el costo de pedir a una empresa especialista que le hiciera una prótesis hecha a medida era de más de 10 mil USD. Hace pocos años probablemente no tendría otra opción, pero hoy en día con una impresora 3D como MakerBot puede imprimir su nueva prótesis a un costo total en materiales de USD 2,50. Y ya que el diseño digital es fácil para ajustar a medida, el costo total de crear una prótesis para otra persona con esta necesidad es solamente USD 150. El invento casero de Richard, ahora llamado Robohand, ya ayudó a muchas personas a recuperar algo de uso de sus dedos perdidos.

Quimputadoras y pastillas personalizadas

El proceso de personalización no tiene que ser limitado solamente a crear las formas precisas, también puede ser usado para imprimir pastillas personalizadas directamente en las farmacias. Uno de los desafíos de la medicina geriátrica es que el paciente a veces tiene que tomar hasta diez pastillas por día y es fácil de olvidar o tomar la dosis equivocada. Con la llegada de la farmacología digital, tu médico va a poder indicar online exactamente qué combinación de medicamentos y en qué dosis debería tomar el paciente, y la farmacia de al lado va a imprimir una sola pastilla que contenga todos los tratamientos indicados para esta persona.

El profesor Lee Cronin, de la Universidad de Glasgow, quiere llevar la manufactura digital de las pastillas mucho más adelante usando el concepto que llama “Quimputadora” (Chemputer). Con este dispositivo, cualquier persona podrá imprimir sus medicamentos en casa.

La idea es crear una serie de diseños digitales de las cámaras de reacción que pueden ser descargadas e impresas en casa usando una impresora 3D. Con estos dispositivos y aplicativos de software desarrollados por el equipo de Cronin para cada medicamento, el usuario va a poder sintetizar los medicamentos a base de un conjunto de reactivos básicos de bajo costo que Cronin llama “tinta química”.

Ahora el equipo de Cronin está desarrollando su primer aplicativo que permitirá la producción casera de Ibuprofeno. Cuando este u otro proyecto parecido tenga éxito va a mejorar la distribución de los medicamentos básicos en muchas áreas pobres del mundo, especialmente en las áreas poco accesibles por los sistemas de distribución tradicionales.

Impresión de órganos: Moviendo células en el espacio

Sólo en los EE. UU. hay 90 mil personas en la lista de espera de un trasplante de riñón. En el mundo hay millones que necesitan pulmones, riñones y corazones para poder vivir. Es una situación extremadamente triste y cruel ya que hay muchas más personas que necesitan un trasplante que donantes, y dada la escasez de órganos, personas con ciertas características están automáticamente excluidas de la lista. Por ejemplo, en EE. UU., la gente mayor de 70 años no es elegible para recibir un trasplante de corazón. Aun para los que pueden estar en la lista, es una vida difícil de imaginar para la gran mayoría de nosotros, vivir de un día para otro no sabiendo si tu trasplante va a llegar antes de que se te acabe el tiempo. Este problema va a volverse cada vez más grave porque a medida que la población envejece, las listas de espera van a ser cada vez más largas.

Los avances en la manufactura de los órganos son la aplicación de impresión 3D que más sorprende. Algunas personas hasta se asustan, diciendo que la impresión de órganos vivos es algo que va “en contra de la naturaleza”. Pero la impresión 3D de órganos es mucho más natural que los trasplantes que tenemos hoy en día, porque los órganos impresos en 3D van a estar hechos con las células del paciente mismo y, por tanto, no va a haber rechazo inmune, que es el problema más importante con los trasplantes modernos. Un receptor de un trasplante muchas veces tiene que pasar el resto de su vida con terapia de inmunodepresores para prevenir el rechazo. Pensándolo desde esta perspectiva, uno ve que en términos biológicos es mucho más natural tener un nuevo corazón impreso con tus propias células que tener un trasplante de un cuerpo ajeno.

Conceptualmente, la impresión 3D de los órganos funciona de manera parecida a muchas impresoras 3D comunes a base de tecnología de extrusión de material. Normalmente, hay dos cabezales, uno que coloca material de soporte, como un hidrogel, mientras que el otro coloca el cultivo de células tomado del paciente. Como con todas las tecnologías aditivas, es un proceso que imprime capa por capa bajo el control de la computadora. Al principio, el material de soporte sostiene las células en la forma deseada, pero una vez que las células se interconectan, las estructuras de soporte se disuelven y el tejido después crece en un bioreactor hasta alcanzar la madurez.

Por ahora estamos lejos de poder imprimir corazones y riñones que funcionen en pacientes, pero con órganos más simples ya ha habido varios hitos importantes. El Dr. Anthony Atala ya logró imprimir una vejiga y en la conferencia TED de 2011 presentó a uno de sus pacientes, Luke Massala, que hace ya varios años está viviendo con una vejiga hecha de sus propias células.

Además, los órganos y tejidos impresos en 3D tienen otros usos importantes más allá de los trasplantes. Los tejidos impresos con células del paciente pueden ser usados para testear la eficacia de los tratamientos antes de probarlos con la persona. La habilidad de experimentar con tejidos y órganos impresos también disminuye la necesidad de testear tratamientos nuevos en animales, y algún día puede llegar a darles a los investigadores médicos otras alternativas.

En la cirugía se usan órganos impresos para enseñar a los alumnos en las escuelas de medicina cómo lidiar con diversas situaciones específicas. Esto es un gran paso para delante ya que actualmente los alumnos practican con cadáveres y normalmente no tienen la habilidad de practicar cirugía con las condiciones que estudian a menos que haya un cadáver con estas características. Otra aplicación importante es que los cirujanos pueden ensayar la operación antes de empezarla con el paciente, usando los órganos impresos que representan la exacta situación con la que van a tener que trabajar en realidad. Esto va a disminuir dramáticamente la cantidad de errores y aumentar la tasa de éxito.

Pero, en el mediano plazo, tal vez la consecuencia más dramática que surgirá debido a los avances en la impresión 3D de los tejidos y órganos será la producción de la carne artificial. En 2012, el fundador de PayPal e inversor de tecnología Peter Thiel invirtió en una startup llamada Modern Meadow, que está desarrollando la tecnología que permitirá el uso de impresión 3D para la producción de hamburguesas de carne artificial.

La importancia de este invento es enorme ya que hoy en día la producción de carne es increíblemente ineficiente. Para producir una sola hamburguesa son necesarias alrededor de 7 metros cuadrados de la tierra. En términos de la energía, para producir 1 caloría de comida vegetal hacen falta solamente 3 calorías, mientras que para producir 1 caloría de carne se necesitan 35 calorías de energía. Según el reciente informe del Institute of Mechanical Engineers, para producir 1 kilogramo de carne son necesarias en total entre 5 mil y 20 mil litros de agua (tomando en cuenta el agua que se usa en la producción de la comida para los animales). Un tercio de toda la superficie disponible del planeta actualmente se usa para la ganadería y la producción de carne es la causa de alrededor del 18% por ciento de las emisiones de gas relacionadas con el calentamiento global. Se estima que en el año 2050 va a haber 70% más demanda por carne y simplemente no hay lugar en la tierra para acomodar esta nueva demanda, debido a la ineficiencia de los métodos tradicionales.

Es por eso que Peter Thiel y otros, están apostando a la tecnología de impresión 3D para la producción de carne. Dijo Thiel, “si miras la intensidad de todos los recursos necesarios para producir una hamburguesa es un verdadero desastre ambiental”.

La empresa Modern Meadow está consciente de que la carne impresa es algo muy nuevo para mucha gente y que va a llevar tiempo para la adopción masiva de esta nueva fuente de alimentación. Explica el representante de la empresa: “La adopción de este tipo de producto por el consumidor puede presentar ciertos desafíos. Apuntamos primero a los consumidores vegetarianos y los que prefieren no comer carne por las razones éticas”.

Impresión 3D en Alimentación

Después de hablar de los procesos de imprimir edificios, carne artificial y órganos para trasplantes, quizás no sea tan sorprendente en comparación el gran entusiasmo que hay sobre el usar las impresoras 3D para la preparación de comida. Los cocineros digitales amateurs han modificado impresoras Open Source como RepRap para crear máquinas que imprimen galletitas, chocolates y mucho más. Pastelería es una de las primeras aplicaciones en impresión de comida porque estos productos suelen estar hechos de un solo material, y por lo tanto es fácil modificar una impresora 3D existente para adaptarla a este propósito.

En términos generales, el trabajo de cocinar puede ser dividido en tres fases:

(1) Mezclar insumos

(2) Colocar insumos

(3) Aplicar un tratamiento (ej. de calor)

La NASA recientemente otorgó financiamiento a una empresa llamada SMRC justamente para crear un sistema que puede manejar estos tres aspectos de creación de comida de forma muy general. La impresora, también a base del proyecto RepRap, tiene la capacidad de mezclar insumos primitivos en una gran variedad de comidas. La computadora digitalmente controla no solamente el proceso de impresión, sino también el proceso de mezclar y la aplicación de calor. Dado que es un desarrollo a base de un proyecto abierto, seguramente pronto vamos a tener un equipo independiente de entusiastas que van a crear algo parecido para el uso público.

Hay mucho debate acerca de si todos vamos a tener una impresora 3D en casa. La respuesta es simple: algunas sí, otras no. La tecnología de cocina digital es tan sencilla y tan divertida que seguramente dentro de tres a cinco años todos vamos a tener una impresora 3D para comida al igual que hoy tenemos microondas (y algunos tal vez se acordarán que hace un tiempo no tan lejano un microondas parecía ciencia ficción). Por otro lado, es difícil ver un escenario donde tiene sentido comprar una impresora de edificios o de órganos para el uso personal.