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Piel eléctrica que rivaliza con la realidad
La sensibilidad táctil de la piel humana es difícil de recrear, especialmente en superficies grandes y flexibles. Pero dos grupos de investigación de California han fabricado dispositivos sensores de presión que mejoran significativamente el estado de la técnica.
Piel sensible: Un nuevo sensor táctil puede detectar el toque suave de un insecto que se posa.
Uno, elaborado por investigadores de la Universidad de Stanford, se basa en productos electrónicos orgánicos y es 1.000 veces más sensible que la piel humana. El segundo, realizado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, utiliza matrices integradas de transistores de nanocables y requiere muy poca energía. Ambos dispositivos son flexibles y se pueden imprimir en grandes áreas; se describen esta semana en artículos separados en la revista Materiales de la naturaleza .
Las superficies altamente sensibles podrían ayudar a los robots a recoger objetos delicados sin romperlos, darles a las prótesis un sentido del tacto y dar a los cirujanos un control más preciso sobre las herramientas utilizadas para la cirugía mínimamente invasiva. Nuestro objetivo es imitar la piel humana, dice Zhenan Bao , profesor de ingeniería química en Stanford. La piel humana responde rápidamente a la presión y puede detectar objetos tan pequeños como un grano de arena y ligeros como un insecto.
El núcleo del dispositivo de Bao consiste en un polímero transparente que contiene silicio llamado PDMS. La capacidad de este material para almacenar carga está directamente relacionada con su grosor. Hace unos años, los investigadores dirigidos por Takao Someya en la Universidad de Tokio aprovechó esta propiedad, utilizando PDMS como capa aislante en transistores orgánicos flexibles que actuaban como sensores de presión. Pero estos sensores eran limitados: cuando se comprimen, las moléculas de PDMS cambian de conformación y les lleva tiempo volver a su estado original.
Bao abordó este problema modelando el material polimérico con matrices de micropilares que se levantan de la superficie táctil. Este diseño permite que el material se flexione y vuelva rápidamente a su forma original, lo que significa que es posible tomar medidas de presión en rápida sucesión. La microestructuración también mejora la sensibilidad del dispositivo. La presión más suave que puede detectar la piel humana es de aproximadamente un kilopascal; Los dispositivos de Bao pueden detectar presiones 1000 veces más suaves.
Este enfoque se puede utilizar para fabricar materiales flexibles con técnicas de impresión económicas, pero el dispositivo resultante requiere altos voltajes para funcionar. Ali Javey , profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California, Berkeley, ha construido sensores táctiles de baja potencia basados en matrices de transistores de nanocables inorgánicos. Los transistores están dispuestos debajo y conectados a una capa de caucho conductor disponible comercialmente que contiene nanopartículas de carbono. Cuando se comprime la goma, su resistencia eléctrica cambia y esto puede ser detectado por los transistores. Los nanocables se utilizan como componentes electrónicos activos para ejecutar el sensor táctil en la parte superior, explica.
Los transistores de nanocables ofrecen un funcionamiento de bajo voltaje y velocidades de conmutación rápidas en una superficie flexible. Mientras que los dispositivos de Bao requieren unos 20 voltios para funcionar, los de Javey necesitan menos de cinco voltios.
Javey ha creado matrices de sensores de unos 50 centímetros cuadrados. Bao ha construido matrices circulares de poco más de 10 centímetros de diámetro. Ambos investigadores dicen que el tamaño de sus dispositivos está limitado solo por las herramientas del laboratorio; en el caso de Javey, el tamaño de la impresora de contacto y, en el caso de Bao, el tamaño del molde utilizado para dar forma al PDMS.
La piel artificial podría ofrecer importantes ventajas para la manipulación robótica, dice Matei Ciocarlie , científico investigador de Willow Garage, una empresa de robótica personal con sede en Menlo Park, California. Cuando un robot manipula un objeto, ese objeto a menudo puede estar oculto a las cámaras y otros sensores, por lo que la detección táctil puede proporcionar información útil. La detección táctil también puede ayudar a los robots a evitar obstáculos y localizar objetos en entornos difíciles. La piel artificial debe poder cubrir superficies grandes e irregulares en el robot, tener una sensibilidad y un rango dinámico adecuados, todos desafíos muy importantes que estas nuevas tecnologías prometen abordar, dice Ciocarlie.
Los nuevos dispositivos de piel electrónica son un avance considerable en el estado de la técnica en términos de consumo de energía y sensibilidad, dice John Boland , profesor de química en el Trinity College de la Universidad de Dublín. Sin embargo, el verdadero avance es pasar de una geometría plana a un dispositivo flexible que podría usarse para hacer algo con la forma de un dedo humano, dice.
Las herramientas quirúrgicas provistas de sensores táctiles muy sensibles podrían brindar a los médicos un mejor control sobre la cantidad de fuerza que usan durante las cirugías mínimamente invasivas. Y la piel electrónica flexible de gran superficie podría adaptarse a las curvas de los futuros dispositivos protésicos. Las prótesis de hoy en día son toscas: pueden agarrar pero no brindan retroalimentación táctil, señala Boland.