Investigadores de la Universidad de Míchigan en colaboración con el Air Force Research Laboratory (AFRL) han desarrollado materiales impresos en 3D capaces de bloquear vibraciones gracias a una arquitectura interna extremadamente compleja. Inspirados en estructuras naturales y en los principios de la física teórica, estos materiales —denominados “tubos kagome”— logran propiedades mecánicas que no dependen de su composición química, sino de su geometría. El avance abre la puerta a aplicaciones en ingeniería civil, aeroespacial y automoción, donde la gestión de vibraciones es un factor crítico. Sin embargo, los científicos aún deben resolver el equilibrio entre peso y resistencia, así como desarrollar nuevos métodos de ensayo para caracterizar estos metamateriales sin precedentes.

Geometría frente a química: un nuevo enfoque en la ciencia de materiales

Durante siglos, la mejora de los materiales se ha basado en alterar su composición química: añadir carbono al hierro para obtener acero, combinar polímeros o introducir aleaciones ligeras. Pero los metamateriales mecánicos rompen esa tendencia. En este nuevo paradigma, la clave no está en los átomos, sino en la forma tridimensional que adoptan.

Los investigadores de la Universidad de Míchigan, dirigidos por Xiaoming Mao y James McInerney, han conseguido imprimir estructuras con patrones repetitivos que manipulan las ondas mecánicas a su paso. Estos patrones derivan del diseño “kagome”, una forma geométrica tradicional japonesa empleada en el trenzado de cestas, caracterizada por triángulos entrelazados que distribuyen las fuerzas de manera excepcional.

La geometría kagome no solo proporciona estabilidad, sino que también controla la propagación de las vibraciones. Según el estudio, publicado en Physical Review Applied (https://journals.aps.org/prapplied), estos tubos tridimensionales pueden absorber o reflejar ondas mecánicas dependiendo de su orientación y grosor. La estructura funciona de forma pasiva: no requiere energía externa para atenuar el movimiento, lo que la convierte en una alternativa eficiente a los sistemas de amortiguación tradicionales.

Desde el punto de vista técnico, los modelos creados fueron fabricados mediante impresión 3D de nailon, utilizando resoluciones de capa inferiores a 100 micrómetros, lo que permitió reproducir las microestructuras necesarias para lograr el efecto vibracional deseado. Las simulaciones numéricas mostraron que la atenuación puede alcanzar niveles de hasta -40 dB en frecuencias entre 500 y 1500 Hz, lo que equivale a una reducción del 99 % en la transmisión de vibraciones dentro de ese rango.

Inspiración en la naturaleza y en la topología física

El equipo de Míchigan subraya que la idea no surgió únicamente de la ingeniería, sino también de la observación de estructuras naturales. El hueso humano, los caparazones de ciertos moluscos y las conchas microscópicas de los plancton muestran geometrías que maximizan la rigidez con una cantidad mínima de material. Estas configuraciones proporcionan una resistencia específica (relación entre rigidez y peso) que supera la de muchos metales industriales.

En paralelo, los científicos se apoyaron en conceptos de la física topológica, un campo que estudia cómo ciertas propiedades emergen en los bordes o límites de un sistema físico. En los materiales tradicionales, las vibraciones se propagan por todo el cuerpo; en los metamateriales topológicos, en cambio, pueden confinarse o redirigirse gracias a la geometría interna.

Este principio se remonta a las teorías del físico escocés James Clerk Maxwell, quien ya en el siglo XIX planteó modelos de redes elásticas que describían cómo la disposición de los nodos influía en la estabilidad estructural. Los nuevos tubos kagome retoman esa idea y la extienden al terreno tridimensional, donde las propiedades de borde —conocidas como fases topológicas mecánicas— se convierten en herramientas de control vibracional.

Como explica McInerney en el artículo de ScienceDaily, “no estamos cambiando la química del material, sino su arquitectura”. Esa afirmación resume un cambio profundo en el enfoque científico: la forma se convierte en la función.

Fabricación aditiva y precisión geométrica extrema

La posibilidad de fabricar estos materiales surge del avance reciente en impresión 3D de alta resolución, especialmente en tecnologías de sinterizado selectivo por láser (SLS) y fotopolimerización por luz ultravioleta. Estos métodos permiten construir estructuras con tolerancias inferiores a 50 micrómetros, imposibles de lograr mediante procesos de mecanizado tradicionales.

En el caso de los tubos kagome, cada sección presenta una doble capa interconectada de entramados triangulares. La capa interior actúa como absorbedor, mientras que la exterior distribuye las tensiones mecánicas. Juntas forman una celosía que filtra las vibraciones longitudinales y transversales, un comportamiento que hasta ahora solo existía como predicción teórica.

Los investigadores utilizaron software de simulación basado en métodos de elementos finitos (FEM) para optimizar la densidad y el ángulo de los triángulos. Estas simulaciones revelaron que pequeños ajustes en la inclinación —del orden de 5 grados— podían modificar de manera significativa la banda de frecuencia atenuada. Este tipo de control paramétrico convierte a los metamateriales en una herramienta de ingeniería versátil, donde se pueden diseñar estructuras específicas para bloquear determinadas frecuencias, como el ruido de un motor o las vibraciones estructurales de un avión.

La colaboración con la Air Force Research Laboratory (AFRL) y la financiación parcial de DARPA reflejan la orientación práctica del proyecto. Sectores como la aeronáutica, la defensa o la automoción buscan desde hace años soluciones pasivas para el aislamiento acústico y estructural. Los metamateriales 3D ofrecen una vía eficiente, ligera y escalable para lograrlo.

Entre la teoría y la aplicación práctica

Aunque los resultados son prometedores, los científicos reconocen que todavía quedan desafíos por resolver. Uno de los principales es el compromiso entre rigidez y masa. Cuanto mejor bloquea vibraciones una estructura, menor capacidad tiene para soportar cargas. Este dilema limita su aplicación directa en componentes portantes, aunque abre la posibilidad de combinarlos con materiales tradicionales como el aluminio o el titanio para crear estructuras híbridas.

Otra cuestión clave es el desarrollo de protocolos de ensayo estandarizados. Dado que los metamateriales no se comportan como los sólidos convencionales, las normas existentes sobre resistencia o fatiga no resultan aplicables. McInerney señala que será necesario establecer nuevos marcos de caracterización que midan parámetros como la respuesta espectral, la disipación pasiva o la estabilidad geométrica a largo plazo.

Este punto es especialmente relevante para la industria de la construcción y la movilidad, donde la fiabilidad del material es tan importante como su rendimiento. Según el análisis publicado por Nature Materials, la madurez de los metamateriales estructurales aún se encuentra en una fase temprana, pero su potencial económico es enorme: se estima que el mercado global de materiales arquitectónicos avanzados superará los 18.000 millones de dólares en 2030, con un crecimiento anual del 12 %.

Un vistazo al futuro de la ingeniería estructural

La posibilidad de imprimir materiales que controlen las vibraciones redefine el concepto mismo de diseño estructural. En lugar de añadir amortiguadores, aisladores o revestimientos, los ingenieros podrían integrar la función de absorción directamente en la materia prima. Este enfoque permitiría construir aviones más silenciosos, rascacielos más estables o coches eléctricos con menor ruido de rodadura.

Además, al depender de la geometría y no de la composición, estos metamateriales pueden fabricarse a partir de plásticos reciclados o metales comunes, reduciendo costes y huella ambiental. El propio equipo de la Universidad de Míchigan ha indicado que su próxima fase incluirá versiones en aluminio y titanio impresos por fusión láser, lo que mejoraría la relación resistencia-peso y permitiría su integración en componentes aeroespaciales.

El desarrollo también podría influir en campos emergentes como la robótica blanda, donde la capacidad de absorber vibraciones es crucial para mantener la precisión de movimiento. Al ajustar las propiedades locales de rigidez, sería posible diseñar robots que combinen estabilidad estructural y flexibilidad dinámica sin necesidad de sistemas de amortiguación externos.

Reflexiones finales

El trabajo conjunto de la Universidad de Míchigan y el AFRL marca un hito en la convergencia entre diseño geométrico, impresión 3D y física topológica. Los tubos kagome son solo una muestra de cómo la manipulación de la forma puede originar comportamientos mecánicos inéditos. Aunque el camino hacia su aplicación masiva aún requiere avances en resistencia y estandarización, los resultados sugieren que la arquitectura interna del material podría convertirse en la herramienta más poderosa de la ingeniería del siglo XXI.

Si en el pasado la química definía los límites de la materia, hoy la geometría parece dispuesta a ampliarlos.