El origami, el arte milenario japonés de doblar papel, ha trascendido su origen artístico para convertirse en una fuente de inspiración para el diseño de estructuras avanzadas en ingeniería y materiales. En la actualidad, este enfoque se fusiona con tecnologías de fabricación avanzada como la impresión tridimensional para crear metamateriales con propiedades mecánicas excepcionales. En particular, las estructuras de origami cerámico, cuando se combinan con recubrimientos hiperelásticos, ofrecen una solución innovadora para superar la fragilidad típica de los materiales cerámicos, especialmente en aplicaciones a escala macroscopica. La cerámica posee características atractivas, como resistencia a la corrosión, biocompatibilidad y alta rigidez, que la hacen ideal para diversas aplicaciones en sectores tan exigentes como el aeroespacial, la protección balística y el ámbito biomédico. Sin embargo, su naturaleza inherentemente quebradiza limita su uso en estructuras sometidas a cargas mecánicas dinámicas o repetidas, ya que suelen presentar fallas catastróficas.
Aquí es donde la ingeniería basada en origami ofrece una vía prometedora: al diseñar estructuras plegables geométricamente, es posible inducir flexibilidad y mejorar la resiliencia del conjunto frente a esfuerzos externos. Una configuración particular dentro del origami rígido que destaca por sus propiedades mecánicas es el patrón Miura-ori. Este patrón permite un despliegue eficiente en múltiples pasos y presenta un comportamiento mecánico anisotrópico con la coexistencia de propiedades poco comunes como un coeficiente de Poisson negativo, conocido como comportamiento auxético. Gracias a estas características geométricas, las estructuras se pueden diseñar con rigidez ajustable, multistabilidad y capacidad para absorber energía de forma selectiva. La combinación de esta arquitectura con cerámica en escala macroscale abre la puerta a metamateriales ligeros, adaptables y funcionales.
La fabricación de estructuras cerámicas con geometrías complejas de origami presenta enormes retos debido a la rigidez y fragilidad del material. Las técnicas convencionales como el mecanizado o la fundición son poco prácticas para formas tan intrincadas. Afortunadamente, las tecnologías de impresión 3D basadas en estereolitografía (SLA) han revolucionado la producción permitiendo la creación de piezas con alta resolución y fidelidad geométrica a partir de resinas pre-cerámicas. En este proceso, una suspensión de partículas cerámicas dispersas en una matriz polimérica fotosensible es solidificada capa por capa mediante luz ultravioleta. El resultado es una “pieza verde” que, tras un proceso de calentamiento controlado para eliminar el polímero y una posterior sinterización a alta temperatura, se transforma en un sólido cerámico completamente densificado.
En el caso de los origamis cerámicos a macroscale, la impresión 3D permite la fabricación de estructuras con un grosor mínimo de panel cuidadosamente controlado para evitar fracturas y deformaciones durante la manipulación y tratamiento térmico. La particularidad de estas estructuras impresas reside en que, aunque la cerámica es frágil, la arquitectura plegada les confiere cierto grado de flexibilidad y capacidad de deformación antes de la falla. Para potenciar aún más la tenacidad y evitar los modos de falla brusca característicos de la cerámica, se ha implementado un recubrimiento con polímeros hiperelásticos biocompatibles, en particular el polidimetilsiloxano (PDMS). Este elastómero de silicona se aplica mediante inmersión en solución bajo vacío para asegurar un recubrimiento uniforme incluso en las esquinas y crestas más complejas del pliegue origamico. Con un grosor controlado entre 75 y 100 micras, la capa de PDMS no altera de manera significativa las dimensiones totales ni la geometría interna, pero actúa como un amortiguador que distribuye tensiones y limita la propagación de grietas.
El PDMS es conocido por su excelente elasticidad, transparencia y, crucialmente, por ser compatible con aplicaciones médicas debido a su inocuidad biológica. Su uso como recubrimiento en estructuras cerámicas origamicas permite generar un composite donde la rigidez y dureza del núcleo cerámico se combinan con la flexibilidad y resistencia al agrietamiento del polímero. Esta sinergia reproduce, en cierta medida, el mecanismo de toughening observado en materiales naturales como la nácar o madreperla, que combinan capas de materiales frágiles con láminas orgánicas elásticas para alcanzar un alto desempeño mecánico. En laboratorio, se han realizado pruebas de compresión estáticas y cíclicas sobre muestras de origami cerámico coated con PDMS y sin recubrimiento, evaluando su comportamiento en las tres direcciones ortogonales. Los resultados son reveladores: la estructura recubierta soporta cargas significativamente mayores antes de fallar, presenta una absorción de energía considerablemente superior y exhibe un modo de falla más gradual y controlado.
Mientras la muestra sin recubrimiento se fractura abruptamente a bajas deformaciones, la versión recubierta muestra un fallo compartimentado donde diversas regiones del origami fallan de manera secuenciada, permitiendo mantener integridad estructural parcial. Los análisis microestructurales con microscopía electrónica de barrido (SEM) confirman que el recubrimiento de PDMS arresta la propagación de grietas que, en ausencia del mismo, avanzan rápidamente causando una ruptura total. Este efecto protector se debe a que el polímero absorbe y redistribuye tensiones localizadas, evitando que la concentración de esfuerzos en vértices y pliegues críticos alcance el umbral de fractura de la cerámica. Para entender a fondo los mecanismos físicos detrás de estas observaciones experimentales, se emplearon simulaciones numéricas mediante el método de elementos finitos (FEM). En estas simulaciones, el comportamiento del cerámico se modeló con un modelo sofisticado de daño y plasticidad conocido como Concrete Damage Plasticity Model (CDPM), adaptado para la cerámica, mientras que el recubrimiento se simuló mediante el modelo hiperelástico Arruda-Boyce, que describe con precisión la respuesta mecánica del PDMS bajo deformaciones grandes.
La integración de ambos modelos, junto con algoritmos de eliminación de elementos para representar la ruptura y propagación de grietas, permitió reproducir con gran fidelidad las curvas de carga-deformación observadas en pruebas físicas. Los resultados de FEM mostraron una notable reducción de las concentraciones de tensión máxima en puntos críticos debido al recubrimiento, así como un decremento más significativo en daños por tensión que por compresión, lo que explica la orientación dependiente de la mejoría mecánica observada. Otro hallazgo importante fue que la estructura origami exhibe anisotropía mecánica debido a su geometría intrínseca, siendo más rígida y resistente en ciertas direcciones que en otras. La combinación estructural con el recubrimiento hiperelástico potenció especialmente la tenacidad en la dirección menos rígida, resaltando el rol clave del diseño geométrico en la optimización funcional. El estudio también exploró la respuesta bajo cargas cíclicas, comunes en muchas aplicaciones reales donde el material sufre repetidas solicitaciones.
La estructura cerámica sin recubrimiento mostró fallas prematuras, mientras que con la capa hiperelástica, las muestras resistieron múltiples ciclos con pérdida gradual de carga máxima, indicando una mejor resistencia a la fatiga. Estos resultados son particularmente relevantes para usos biomédicos, como prótesis o implantes, donde la confiabilidad a largo plazo es esencial. La convergencia entre experimentos físicos y simulaciones numéricas abre el camino para optimizaciones futuras del diseño origami, mediante la variación de parámetros geométricos como los ángulos, dimensiones de paneles y número de pliegues, así como el ajuste del espesor y características del recubrimiento para adaptar la performance a necesidades específicas. Este enfoque interdisciplinar, que une arte, ciencia de materiales, ingeniería estructural, y simulación computacional, representa una frontera fascinante dentro de la fabricación avanzada de materiales. La capacidad de convertir cerámicas, tradicionalmente frágiles y limitadas en uso estructural, en componentes resilientes y multi-funcionales mediante arquitectura origamica y recubrimientos inteligentes, abre un espectro amplio de aplicaciones potenciales.
En arquitectura, estas estructuras podrían dar lugar a cubiertas ligeras desplegables y resistentes. En robótica, permitirían elementos rígidos con movimientos controlados y altas cargas soportadas. En medicina, la biocompatibilidad del sistema las hace candidatas ideales para prótesis duraderas, stents adaptativos o dispositivos implantables que requieran rigidez puntual combinada con flexibilidad local. Para los investigadores y desarrolladores, quedan interesantes retos para mejorar interfaces entre cerámica y polímero, estudiar la fatiga en contextos dinámicos más intensos, así como explorar recubrimientos funcionales adicionales que, por ejemplo, podrían aportar propiedades antimicrobianas o sensibilidad a estímulos. En conclusión, la combinación de estructuras origami cerámicas a macroscale con cobertura hiperelástica representa un paradigma innovador que rompe las limitaciones tradicionales de los materiales frágiles.
A través de diseños geométricos inteligentes, técnicas vanguardistas de manufactura aditiva y recubrimientos funcionales, es posible obtener metales duros y cerámicos con comportamientos mecánicos mejorados y fallas controlables. Este enfoque abre una nueva gama de posibilidades en el desarrollo de productos y sistemas para sectores que exigen a la vez resistencia, adaptación y durabilidad.
