Martha Holmes/The LIFE Picture Collection vía Getty Image
Si alguna vez roció miel sobre una tostada, habrá notado cómo el líquido ámbar se pliega y se enrolla sobre sí mismo cuando golpea la tostada. Lo mismo puede suceder con la impresión 3D y 4D si la boquilla de impresión está demasiado alejada del sustrato de impresión. Los científicos de Harvard han tomado una página de los métodos innovadores del artista expresionista abstracto Jackson Pollock, también conocido como el «maestro de las salpicaduras», para explotar la física subyacente en lugar de tratar de controlarla para acelerar significativamente el proceso, según un nuevo artículo publicado en revista Materia blanda. Con la ayuda del aprendizaje automático, los autores pudieron decorar una galleta con jarabe de chocolate para demostrar la viabilidad de su nuevo enfoque.
Como se informó anteriormente, Pollock empleó desde el principio una técnica de «filamento volador» o «catenaria voladora» antes de perfeccionar sus métodos de goteo. La pintura forma diversos filamentos viscosos que se lanzan contra un lienzo vertical. La técnica del goteo consistía en colocar un lienzo sobre el suelo y luego verter pintura encima. A veces lo servía directamente de una lata; a veces usaba un palo, un cuchillo o un cepillo; y a veces usaba una jeringa. El artista normalmente se movía «rítmicamente» alrededor del lienzo mientras trabajaba. Su estilo ha fascinado a los físicos durante mucho tiempo, como lo demuestra la controversia en torno a la cuestión de si las pinturas de Pollock muestran evidencia de patrones fractales.
En 2011, el matemático de Harvard Lakshminarayanan Mahadevan colaboró con el historiador del arte Claude Cernuschi en un artículo para Physics Today que examinaba el uso que hacía Pollock de una «inestabilidad enrollada» en sus pinturas. El estudio describe matemáticamente cómo un fluido viscoso se pliega sobre sí mismo como una cuerda enrollada, como si se vertiera jarabe de arce frío sobre panqueques.
Los patrones que se forman dependen de qué tan espeso es el fluido (su viscosidad) y qué tan rápido se mueve. Los fluidos espesos forman líneas rectas cuando se esparcen rápidamente sobre un lienzo, pero formarán bucles, garabatos y ochos si se vierten lentamente. Posteriormente, Mahadevan midió el grosor de las líneas y el radio de las bobinas en una pintura de Pollock que mostraba este efecto, y el equipo utilizó esos datos para estimar el caudal de la pintura a medida que la mano del artista se movía por el lienzo. Un estudio de 2019 contradijo esa conclusión y encontró, en cambio, que la gran mayoría de los rastros de Pollock se produjeron porque el artista evitó activamente las inestabilidades en espiral, aunque los autores reconocieron que probablemente no era suya la última palabra al respecto.
Ahora, Mahadevan ha centrado su atención en aplicar lo que aprendió sobre las inestabilidades de las bobinas de Pollock a la escritura con tinta directa, un medio versátil de impresión 3D y 4D. El inconveniente es que la escritura directa con tinta es un proceso muy lento ya que cualquier flujo no uniforme que caiga desde una altura se enrollará o doblará, lo que provocará defectos en los objetos impresos. Eso significa que la boquilla de impresión debe colocarse a sólo milímetros de la superficie de impresión para imitar exactamente el patrón de impresión objetivo. Otra limitación es que las topologías más complejas son difíciles de imprimir y también es difícil controlar los giros bruscos sin distorsionar el filamento extruido.
Entonces, en lugar de centrarse en controlar la boquilla, Mahadevan y sus coautores decidieron investigar cómo explotar estas inestabilidades en espiral en lugar de suprimirlas, tal como lo hizo Pollock en sus pinturas. La clave es una clase de algoritmos de aprendizaje automático conocidos como métodos de aprendizaje por refuerzo, en los que el sistema «aprende» a través de interacciones repetidas con el entorno, corrigiendo sus errores con cada iteración.
«Si nos fijamos en las impresoras 3D tradicionales, les proporcionas un camino desde el punto A al punto B y la boquilla deposita tinta a lo largo de ese camino específico», dijo el coautor Guarav Chaudhary, ex postdoctorado en el laboratorio de Mahadevan, ahora en el MIT. “Pero el enfoque de Pollock de arrojar pintura desde una altura significaba que incluso si su mano se movía en una trayectoria específica, la pintura no seguía esa trayectoria debido a la aceleración obtenida por la gravedad. Un pequeño movimiento podría provocar una gran salpicadura de pintura. Con esta técnica, puedes imprimir longitudes mayores de las que puedes mover porque obtienes esta aceleración libre de la gravedad”.
Mahadevan et al. Probaron sus conclusiones a partir de simulaciones numéricas con una serie de experimentos de laboratorio. Utilizaron un fluido viscoso simple dispersado a través de una boquilla a un caudal fijo, depositando el fluido a lo largo de un camino predefinido desde encima de una hoja de papel lisa pegada a una plataforma plana estacionaria.
Sus experimentos de prueba de principio utilizaron fluidos simples con una sola capa de material impresa sobre una superficie plana, incluido un rocío de jarabe de chocolate sobre una oblea texturizada, para deletrear «Cambridge». El equipo descubrió que la impresión desde una altura con su método «maneja naturalmente superficies rugosas, a diferencia de la escritura tradicional con tinta directa, donde una superficie irregular dará como resultado irregularidades en el material depositado», escribieron.
El trabajo futuro abordará el desafío de trabajar con fluidos más complejos como polímeros líquidos, pastas o incluso alimentos, así como apilar múltiples capas para crear objetos 3D. «Aprovechar los procesos físicos para obtener resultados funcionales es a la vez un sello distintivo del comportamiento inteligente y un elemento central del diseño de ingeniería», afirmó Mahadevan. «Este pequeño ejemplo sugiere, una vez más, que comprender la evolución del primero podría ayudarnos a ser mejores en el segundo». .”
DOI: Materia blanda, 2023. 10.1039/D3SM00177F (Acerca de los DOI).
Jackson Pollock mediante ingeniería inversa.