Piel electrónica: es capaz de “sentir”

Las pieles electrónicas desarrolladas y ensayadas con distintos materiales y métodos por la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) en Estiria (Austria) y la Universidad de la Columbia Británica (UBC), en Vancouver (Canadá), en dos trabajos independientes, tienen características muy similares a las de la piel humana y múltiples aplicaciones en robótica y medicina.

La piel es el órgano sensorial más grande y al mismo tiempo la capa protectora del ser humano. Este tejido presenta varias entradas (‘inputs’) sensoriales mediante las cuales “siente” diversos estímulos del entorno, trasmitiendo al cerebro información sobre la humedad, la temperatura y la presión, por ejemplo. Para la doctora Anna María Coclite, investigadora del Instituto de Física del Estado Sólido de la TU Graz, desarrollar un material con esas mismas propiedades multisensoriales, supondría un avance extraordinario en la tecnología de materiales artificiales inteligentes, “una especie de Santo Grial” (el objeto más buscado de todos los tiempos) según Coclite.

Tanto los robots de última generación como las prótesis médicas inteligentes equipadas con un material multisensorial “similar a la piel humana” podrían beneficiarse de un sistema de detección mejor integrado y más preciso, según esta investigadora.

MÁS SENSIBLE QUE LA PIEL HUMANA

La doctora Coclite y su equipo de investigadores de TU Graz han conseguido acariciar ese “Santo Grial” tecnológico, al producir mediante un proceso novedoso, un material híbrido multisensorial “tres en uno” destinado a la próxima generación de piel electrónica artificial. “Con 2.000 sensores individuales por milímetro cuadrado, este nuevo material híbrido es incluso más sensible que la punta de un dedo humano”, indica la TU Graz.

Cada uno de estos sensores consta de una combinación única de materiales: lleva un polímero inteligente en forma de hidrogel (producto viscoso similar a jalea o gelatina) en su interior y una cubierta de un compuesto denominado óxido de zinc piezoeléctrico. “El hidrogel puede absorber agua y, por lo tanto, se expande con los cambios de humedad y temperatura. Al hacerlo, ejerce presión sobre el óxido de zinc piezoeléctrico, un material que responde a la presión y a todos los demás esfuerzos mecánicos generando una señal eléctrica”, según explica Coclite. El resultado de esta combinación es un material sensor muy delgado que reacciona simultáneamente a la fuerza, a la humedad y a la temperatura, captando las más mínimas variaciones de dichas condiciones en una superficie muy reducida, y emitiendo las señales electrónicas correspondientes a las variaciones que detecta, según los investigadores. “Las primeras muestras de la nueva piel artificial multisensorial ‘tres en uno’ tienen un grosor de seis micrómetros (0,006 milímetros), pero podrían ser aún más delgadas”, adelanta Coclite, recordando que “en comparación, la epidermis humana natural tiene un grosor de entre 0,03 y 2 milímetros”.

Mientras que la piel humana natural percibe elementos de un tamaño de aproximadamente un milímetro cuadrado, la piel inteligente de TU Graz puede registrar objetos demasiado pequeños para ser percibidos por la piel humana, como algunos microorganismos, según la doctora Coclite.

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SENSORES DE HIDROGEL IÓNICO

Por su parte, otro equipo de investigadores la UBC canadiense está efectuando ensayos con un material denominado “piel iónica”, consistente en un hidrogel suave, flexible y compatible con los tejidos biológicos, que utiliza iones (partículas atómicas que llevan una carga eléctrica).

En la búsqueda de crear una piel inteligente que imite las capacidades de detección de la piel natural, las “pieles iónicas” hechas de hidrogeles han mostrado unas ventajas significativas, según esta universidad.

A diferencia de las pieles inteligentes hechas de plásticos y metales, los hidrogeles tienen la suavidad de la piel natural. Esto produce una sensación más natural en el brazo protésico o en la mano robótica donde se aplican, haciendo que sean cómodos de usar, según la UBC. Se sabe que los hidrogeles pueden generar voltajes, pero hasta ahora no se entendía claramente cómo se producen estos voltajes.

Los investigadores de la UBC desarrollaron un sensor de hidrogel especialmente diseñado para una piel iónica, mediante el cual están desvelando este fenómeno, por medio de una serie de experimentos.

El investigador en ingeniería biomédica Yuta Dobashi, bajo la supervisión de John Madden, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la UBC, rastreó con precisión cómo se movían distintos tipos de iones (con diferentes tamaños y cargas eléctricas) al aplicar presión mecánica al sensor de hidrogel.

“El sensor de hidrogel produce voltajes y corrientes en reacción a estímulos, como la presión o el tacto, en lo que llamamos efecto piezoiónico (el mismo fenómeno físico-químico aprovechado por los investigadores de la TU Graz), según Dobashi, el autor principal del estudio. Dobashi descubrió que los hidrogeles funcionan de una manera similar a la que utilizan el cuerpo humano para detectar la presión (a través de iones en movimiento en respuesta a la presión), lo que abre un nuevo campo de aplicaciones potenciales para las pieles iónicas, según este investigador. Con esta tecnología “podríamos crear sensores que interactúen directamente con las células y el sistema nervioso”, señala el profesor Madden.

“Cuando conectamos nuestro sensor de hidrogel a un nervio, produce una señal en el nervio. El nervio, a su vez, activa la contracción muscular”, puntualiza. “Podemos imaginar una prótesis de brazo cubierta con una piel iónica, capaz de detectar un objeto a través del tacto o la presión, y transmitir esa información al cerebro a través de los nervios. El cerebro activaría luego los motores de la prótesis necesarios para levantar o sostener el objeto detectado”, según Madden.