El origami, conocido tradicionalmente como el arte milenario del plegado de papel, ha trascendido su ámbito cultural para convertirse en una disciplina innovadora dentro de la ingeniería de materiales y estructuras. Su capacidad para transformar superficies planas en formas complejas mediante pliegues predefinidos ofrece propiedades mecánicas únicas como la multiestabilidad, el comportamiento auxético (pozo de Poisson negativo), y una adaptabilidad estructural excepcional. Estas cualidades han impulsado la investigación en metamateriales inspirados en origami capaces de ofrecer soluciones ligeras, desplegables y adaptables en sectores tan diversos como la arquitectura, la robótica, la aeroespacial y especialmente, la ingeniería biomédica. Sin embargo, la mayoría de los avances en este campo han girado en torno a materiales inherentemente flexibles y dúctiles, dejando de lado la exploración de metales y cerámicas, materiales usados comúnmente en aplicaciones que requieren alta resistencia pero que son intrínsecamente frágiles y propensos a fracturas catastróficas. Este reto se vuelve aún más relevante cuando se piensa en estructuras a gran escala que necesitan conjugar rigidez con capacidad de deformación y absorción de energía.
Recientemente, ha emergido una solución prometedora para abordar estas limitaciones mediante la creación de estructuras de origami cerámico a macroscale recubiertas con un polímero hiperelástico biocompatible. Esta combinación resulta en un metamaterial híbrido con la rigidez del cerámico y la flexibilidad y capacidad de absorción del recubrimiento polimérico, logrando un modo de falla más controlado y menos abrupto, ampliando las posibilidades para aplicaciones médicas y de ingeniería avanzada. La fabricación de estas estructuras complejas se realiza a través de impresión 3D por estereolitografía (SLA), proceso que permite la obtención de geometrías precisas y repetibles difíciles de conseguir mediante técnicas convencionales de mecanizado o fundición, especialmente en materiales cerámicos con puntos de fusión elevados y fragilidad inherente. La materia prima es una resina precerámica rellenada con un alto porcentaje de partículas de sílice (~70%), que luego de la impresión sufre un proceso térmico de descomposición y sinterización para lograr una estructura cerámica sólida y densificada. Una característica clave en esta innovación es el diseño estructural basado en el patrón Miura-ori, un pliegue de origami caracterizado por su habilidad para transformarse entre estados plegados y desplegados de manera controlada, y que además proporciona propiedades mecánicas anisotrópicas interesantes.
La estructura resultante, construida a partir de la repetición y acoplamiento de células unitarias, tiene una densidad relativa cercana al 50%, entregando un balance entre ligereza y resistencia. Cada unidad está definida por parámetros geométricos como longitudes de panel, ángulo sectorial y ángulo de plegado, lo cual influye en gran medida en el comportamiento mecánico global, abriendo la puerta para futuras optimizaciones específicas según la aplicación deseada. Al ser el material cerámico intrínsecamente frágil, tiende a presentar fallas catastróficas bajo cargas, tanto en pruebas estáticas como cíclicas. La incorporación de un recubrimiento de polidimetilsiloxano (PDMS), un elastómero biocompatible hiperelástico, aplicado mediante inmersión y procesado bajo vacío para asegurar una cobertura uniforme, ha permitido modificar este comportamiento. La capa de PDMS, de entre 75 y 100 micras de espesor, no invade el interior cerámico, por lo que su efecto se considera externo pero crucial para la mitigación del daño.
Las pruebas mecánicas muestran una mejora notable en rutas de carga cuando el origami está recubierto. El recubrimiento ayuda a detener la propagación de grietas al repartir y reducir las concentraciones de tensión, permitiendo que la estructura falle de manera gradual y localizada en lugar de un colapso abrupto. Este fenómeno es particularmente evidente en las direcciones donde la estructura es menos rígida, como la orientación X, donde el incremento en absorción de energía puede superar el 100% comparado con el espécimen sin recubrimiento. Los análisis por elementos finitos complementan y validan experimentalmente estas observaciones, mostrando cómo el recubrimiento redistribuye el esfuerzo entre los paneles y reduce picos críticos en vértices y uniones que comúnmente serían zonas de inicio de fractura. El modelo emplea un código explícito que incluye la física del material cerámico utilizando un modelo de plasticidad dañada, mientras que el PDMS se representa mediante un modelo hiperelástico basado en la teoría de Arruda-Boyce, adaptado para considerar la capacidad limitante del elastómero.
Un aspecto adicional relevante radica en la anisotropía del comportamiento mecánico proveniente del diseño geométrico interno del origami. La estructura global responde de manera diferente según la dirección de la carga aplicada, lo que abre la posibilidad de direccionar esfuerzos y diseñar sistemas inteligentes para funciones específicas, como protección ante impactos, prótesis flexibles o dispositivos biomédicos mínimamente invasivos que requieren transformaciones volumétricas controladas. Una prueba fundamental para la sostenibilidad de estas estructuras es el comportamiento bajo cargas cíclicas, donde el recubrimiento hiperelástico permite que la estructura soporte múltiples ciclos de compresión sin perder integridad, mostrando una leve pérdida progresiva en la capacidad máxima, atribuible a la formación y cierre de grietas internas sin traducciones catastróficas al fallo total. El potencial para aplicaciones biomédicas es especialmente prometedor, dado que la cerámica ofrece biocompatibilidad y resistencia química, a la vez que el recubrimiento de PDMS es ampliamente aceptado en dispositivos médicos por su compatibilidad con tejidos vivos. Esto abre caminos para el desarrollo de prótesis articuladas, estructuras implantables con capacidad de adaptación y amortiguación, y dispositivos expandibles para cirugía mínimamente invasiva.
A futuro, la optimización de los parámetros geométricos del unitario Miura-ori mediante técnicas de inteligencia artificial como algoritmos genéticos o bayesianos podría permitir la personalización de las propiedades mecánicas a niveles específicos, maximizando la absorción de energía o la resistencia a impactos según la aplicación. Además, explorar la integración de otros tipos de recubrimientos o materiales compuestos podría ampliar el rango funcional de estas estructuras híbridas. En conclusión, las estructuras de origami cerámico a macroscale con recubrimiento hiperelástico representan una frontera revolucionaria en el diseño de materiales resistentes pero flexibles, capaces de superar limitaciones inherentes a la fragilidad del cerámico mediante la sinergia con polímeros elastoméricos. Estas innovaciones no solo extienden la vida útil y capacidad de carga de piezas complejas y ligeras, sino que también abren numerosas oportunidades en ingeniería biomédica y sectores industriales que demandan soluciones inteligentes y adaptativas a problemas de resistencia, peso y funcionalidad dinámica.
