Cómo la NOAA utiliza las impresoras 3D SLA y SLS para investigar el coral

Cada día llegan más pruebas del cambio climático a través de los canales de noticias: fotos de paisajes polares derretidos, frondosas zonas tropicales reducidas a páramos carbonizados y arrecifes de coral blanqueados y moribundos. Para combatir los efectos del cambio climático, investigadores de todo el mundo están empleando técnicas novedosas e innovadoras. Un equipo de investigadores de la Oficina Nacional de Administración Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA, por sus siglas en inglés) usa la impresión 3D como herramienta que ayuda a crear piezas repetibles y personalizadas para la investigación y la monitorización de los arrecifes de coral.  

Valiéndose de las impresoras de estereolitografía (SLA) Form 2 y Form 3 (dos unidades de cada una), así como de la impresora de sinterizado selectivo por láser (SLS) Fuse 1, Nate Formel y sus compañeros del Laboratorio Oceanográfico y Meteorológico del Atlántico (AOML) de la NOAA imprimen carcasas de muestreadores de alta resistencia, sujeciones con guía para sensores y equipamientos experimentales y componentes personalizados para sus acuarios internos. Son estructuras construidas para estudiar la salud de los corales y los métodos para mejorar la resistencia de los corales frente al aumento de la temperatura del agua y las condiciones extremas de un clima cambiante.

Los corales son organismos coloniales, generalmente formados por miles o cientos de miles de pólipos, cada uno con un complejo consorcio de microorganismos que contribuyen a su salud y nutrición. Los corales constructores de arrecifes secretan carbonato de calcio, un material parecido a una roca dura que comprende estructuras que denominamos marco o hábitat de arrecife. Este hábitat y todo el ecosistema de arrecifes que sustenta es extremadamente valioso, ya que alberga la mayor concentración de biodiversidad del entorno marino; a menudo se denominan las "selvas tropicales del mar".  Desde una perspectiva antropocéntrica, aportan miles de millones de dólares a la economía estadounidense, apoyando la pesca y el turismo y protegiendo las costas de la energía de las olas y las tormentas.

Los corales son vitales para la salud del ecosistema global y la economía mundial, pero su propia salud está deteriorándose rápidamente. Un estudio publicado en One Earth descubrió que desde 1950, más de la mitad de la población mundial de coral ha desaparecido. Los factores antropogénicos o causados por el hombre, como la contaminación del agua, la destrucción de su hábitat y el calentamiento global por el uso de combustibles fósiles, la agricultura industrial y la deforestación, son la principal causa del descenso masivo de la población de coral. 

Para combatir la pérdida de arrecifes de coral, los científicos e investigadores de la NOAA y sus instituciones asociadas están utilizando métodos innovadores para estudiar los corales en la naturaleza, reproducir ciertas condiciones en entornos controlados de laboratorios y después cultivar nuevas especies de coral que puedan resistir mejor las condiciones extremas de los entornos actuales. El Programa del Coral del AOML donde trabaja Formel, en colaboración con el Instituto Cooperativo de Estudios Marinos y Atmosféricos (CIMAS) de la Universidad de Miami, ha recurrido a la impresión 3D para facilitar su investigación de campo y de laboratorio. El uso de impresoras de Formlabs ha ayudado a estandarizar y mejorar la precisión y la comparabilidad de sus experimentos, y ha facilitado el desarrollo de nuevas tecnologías.

Para identificar las características de los corales que prosperarán en un nuevo entorno marino más extremo, Formel y sus compañeros buscan corales que prosperen actualmente en las condiciones que se esperan en un océano más acidificado, como las que se dan cerca de los respiraderos volcánicos. El equipo creó un muestreador automatizado de profundidad (SAS, por sus siglas en inglés) para recolectar muestras de agua en los arrecifes de coral que ayuden a comprender la intensidad y la variabilidad de las condiciones en las que viven estos corales. Hicieron que el diseño de estos muestreadores fuera de código abierto para que otros grupos de todo el mundo pudieran usar esta herramienta. Usar la impresión 3D ayudó a mantener bajo el coste del muestreador y permite construir y desplegar muchos muestreadores sin que requieran una financiación excesiva. La automatización permite realizar un muestreo sincronizado que dé a los investigadores una idea de lo que está sucediendo exactamente en el agua en diferentes momentos o en múltiples lugares.

"Automatizar el muestreo era una idea atractiva para mejorar nuestra ciencia y hacer que fuera más fácil llevarla a cabo", dice Formel. "Se puede tener un tiempo de muestreo sincronizado que muestre exactamente lo que está sucediendo en la química del agua en diferentes lugares".

El jefe del Programa del Coral del AOML, el Dr. Ian Enochs, comenzó esta operación para construir un muestreador de agua de código abierto que fuera económico utilizando carcasas estancas a base de acrílico transparente y acero inoxidable, pero el coste de los materiales acabó ascendiendo hasta casi los 1000 $. Los laboratorios de investigación tienen presupuestos limitados y, al ser tan alto el coste de los materiales, no era realista esperar que la primera versión del muestreador se popularizase. Además, sin automatización, había que recoger todas las muestras a mano, lo que aumentaba el tiempo dedicado al trabajo de campo y los costes. Que la recolección fuera manual también dificultaba enormemente recopilar muestras con gran frecuencia, de forma sincronizada o por la noche. Enochs y Formel recurrieron a la impresión 3D para reducir ese coste y ampliar los tipos de conjuntos de datos que podían recopilar. "La impresión 3D nos permitió mantener la complejidad de la investigación que queríamos realizar y hacerlo por un coste inferior", dijo Formel.

El Programa del Coral del AOML comenzó con la tecnología de impresión 3D más difundida en ese momento, una unidad de modelado por deposición fundida (FDM) de escritorio, pero no tardó en toparse con un obstáculo. Las impresiones FDM no son estancas: la forma en que una boquilla de impresión FDM deposita el material crea pequeños espacios entre las capas y permitiría que el agua se filtrase, dañando los delicados componentes electrónicos internos y los motores de muestreo. Al descubrir la tecnología SLA, el equipo empezó a trabajar con una Form 2 y más tarde con una Form 3 para crear muestreadores estancos a partir de tubos de PVC y piezas impresas en 3D con los que reemplazar las costosas carcasas de acrílico con las que habían empezado.

Dentro del Laboratorio Experimental de Arrecifes (ERL) del campus marino de la Universidad de Miami, Formel y los científicos del Programa del Coral del AOML tienen múltiples sistemas de acuarios idénticos destinados a simular diferentes condiciones en entornos de arrecifes. Cada uno de estos acuarios mantiene el control de un conjunto de variables ambientales, que incluyen la acidez del agua, la temperatura, la luz y el caudal, entre otras.

Los sensores y el resto del equipamiento científico que trabajan dentro de un acuario de agua salada requieren carcasas estancas y soportes robustos y fiables para evitar daños por las salpicaduras de agua y la corrosión provocada por la sal en el aire. 

Poder imprimir en 3D carcasas y conjuntos de piezas estancos les permitió introducir también la automatización en la crianza que tenía lugar dentro de los acuarios experimentales. Al crear una carcasa impresa en 3D para comederos a prueba de salpicaduras, automatizaron la alimentación de los corales durante la noche, eliminando horas de trabajo manual y mejorando y estandarizando el tiempo de los momentos de alimentación de los corales. 

Otra creación impresa en 3D fue la carcasa estanca de un agitador. Querían poder controlar el mezclado del agua en una cámara cerrada dentro de sus tanques. Los agitadores son herramientas comunes, pero que sean estancos resulta caro. En vez de comprarlos, el equipo usó un motor de ventilador de ordenador que conectaron a un cable contenido dentro de una carcasa impresa por Formlabs, aseguraron la tapa con una junta tórica y una placa de acrílico, sellaron el cable con resina epoxi y de este modo crearon su propio agitador con un coste de 30 $ en materiales. El agitador sumergible se incorporó en un innovador sistema de cámara de incubación de código abierto para una evaluación rápida de la salud del coral, manteniendo los costes bajos y la tecnología accesible, al mismo tiempo que estandarizaban y optimizaban la investigación.

Aunque son ideales para crear carcasas estancas, las piezas impresas mediante SLA seguían sin ser tan resistentes como deseaba el Programa del Coral del AOML. Además, requerían un tiempo considerable de poscurado para ser adecuadas para utilizarlas con organismos marinos. En cambio, el nylon sinterizado era un material conocido que se usa para hacer muchos componentes listos para usar, ya que el nylon elimina la preocupación de provocar un impacto en los organismos estudiados y crea al mismo tiempo componentes increíblemente resistentes.

Su primera impresión de nylon fue una carcasa sencilla para los acuarios experimentales, pensada para proteger de la corrosión los interruptores metálicos. Para poner a prueba la resistencia de las impresiones, Formel utilizó un mazo y un cincel con la pieza impresa en la Fuse 1 y lo impresionante fue que no pudo romper la pieza con facilidad.

Formel nos dijo: "La cuestión es que seamos lo más eficaces y eficientes que podamos. Estamos intentando simplificar la ciencia y usar [herramientas más sólidas] facilita llevar a cabo experimentos controlados y repetibles".

Formel tubo que justificar el coste del equipamiento ante los superiores de su división. La Fuse 1 ocupaba una superficie lo bastante reducida, tenía un área de impresión suficientemente grande y su precio era accesible, de modo que cumplía todos los requisitos. 

El ahorro continuado mediante la optimización del lecho de impresión y el índice de renovación también contribuye al carácter asequible de la impresión con la Fuse 1. Formel compacta las cámaras de impresión para que estén lo más llenas posible y alinear la densidad de compactación con el índice de renovación óptimo de un 30 % para el Nylon 12 Powder. Esto significa que solo el 30 % de la cámara de impresión está formado por polvo nuevo sin usar, mientras que el 70 % está compuesto por polvo reciclado de impresiones anteriores. 

"No hemos tenido que adquirir más material desde que compramos la máquina. El índice de renovación es una gran ayuda e intentamos alcanzar la densidad de compactación óptima. Es algo que se traduce directamente en un bajo coste por pieza", dice Formel.

Tanto la toma de muestras de campo como el acuario in situ ofrecen una gran cantidad de datos que ayudan a los investigadores a entender cómo el coral podría sobrevivir en condiciones hostiles. El Programa del Coral del AOML está usando la financiación del Programa de Conservación de Arrecifes de Coral de la NOAA para identificar corales más resilientes y los mecanismos de su resiliencia, con el fin de regenerar los arrecifes que son una parte tan importante del ecosistema marina y la economía global. Sin embargo, un único laboratorio no puede conseguirlo solo, por lo que Formel y su equipo están haciendo que sus herramientas (incluidos sus diseños 3D y sus piezas impresas) sean totalmente de código abierto para difundir el conocimiento de sus métodos y resultados. 

"Un término que usamos es el de la 'democratización de la ciencia'. Queremos que sea más fácil para todos usar las mismas herramientas, y estas impresoras nos han ayudado mucho a avanzar hacia esa meta. El potencial de crear cosas nuevas en las que nadie haya pensado antes ha crecido con la impresión 3D, gracias a lo accesible que es la tecnología. Antes de este trabajo, nunca había inventado una pieza, mientras que ahora lo hago continuamente", dice Formel. 

Para fomentar ese mismo espíritu creativo en las generaciones más jóvenes, el AOML de la NOAA y la Universidad de Miami llevan a estudiantes que cursan desde el instituto hasta el posgrado al laboratorio, para sesiones y recorridos formativos. Estos futuros científicos, ingenieros e innovadores pueden conocer de este modo la tecnología de impresión 3D, además de presenciar de primera mano cómo funciona el futuro de la ciencia que hay detrás de la protección y la restauración climática.
 

A medida que empeore el cambio climático, esta generación más joven tendrá que idear nuevas estrategias y técnicas para combatir sus efectos. Del mismo modo que Formel se ha acostumbrado a inventar nuevas herramientas con sus impresoras de Formlabs, los ingenieros del futuro tendrán que crear cosas que no se le hayan ocurrido antes a nadie. Exponer a los estudiantes a impresoras 3D accesibles, asequibles y fáciles de usar es esencial para ayudarlos a conseguirlo, por lo que la NOAA y el AOML se han propuesto contribuir a ello con eventos como estas sesiones formativas.