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(Foco Nanowerk) Nuestra piel nos brinda una conciencia sensorial profundamente diversa que no tiene paralelo en las máquinas. El tacto humano transmite patrones intrincados de presión, flujo de calor y texturas del subsuelo. Detecta simultáneamente la humedad, los contornos y las más pequeñas perturbaciones en el aire. Esta combinación permite una comprensión ambiental asombrosa a través de la red de sensores bidireccionales flexibles del cuerpo. Las pieles electrónicas (e-skins) que imitan sensaciones somáticas han fascinado a los ingenieros durante mucho tiempo. Sin embargo, grandes barreras impiden que las pieles electrónicas alcancen el rango de detección de la piel natural.
La mayoría de las pieles electrónicas existentes tienen una alta sensibilidad a la presión para aplicaciones en robótica blanda y monitores médicos. Algunas versiones de microfluidos también estiman aproximadamente las texturas y los movimientos de las extremidades. Sin embargo, un desafío constante es permitir que las pieles electrónicas interactúen completamente con el espacio 3D. Sin detección de fuerza fuera del plano, integración térmica y mapeo del flujo de aire, las pieles electrónicas permanecen aisladas de los diversos contextos multidireccionales que hacen que el tacto sea un sentido tan informativo para los organismos.
Algunos intentos anteriores de percepción electrónica táctil en 3D utilizaron estructuras sensoriales sólidas y verticales inspiradas en las microvibrisas de gatos y roedores. Pero estos llamados “bigotes electrónicos” funcionan de manera muy diferente a las membranas flexibles de piel electrónica para replicar los mecanismos de nuestra piel. Tampoco corresponden a la sensibilidad a la humedad de la piel ni a la capacidad de mapear localmente presiones a través de superficies curvas. A pesar del gran interés que despiertan las nuevas tecnologías en las pieles electrónicas, los investigadores se enfrentan a obstáculos persistentes a la hora de ampliar la conciencia medioambiental de estos dispositivos para aproximarse a la somatosensación natural.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por el profesor Jian-Wei Liu informa sobre un «receptor multimodal biomimético extensible» (SBMR) con capacidades sin precedentes para la percepción táctil artificial (Materiales avanzados“Receptores multimodales biomiméticos para un sistema somatosensorial humano artificial integral”).
Su diseño imita elegantemente las capacidades de control de las plumas de los colibríes para permitir que una unidad receptora de piel electrónica cambie entre los modos 2D y 3D cuando sea necesario. La novedosa combinación del equipo de técnicas de ingeniería de películas de kirigami y nanotubos de carbono conductores multifuncionales permite la detección de fuerzas tanto planas como verticales, medición del flujo de aire, medición de la humedad y monitoreo de la temperatura en un sensor rentable.
![Diseño mecánico del receptor multimodal biomimético estirable.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64712_1.jpg)
El dispositivo SBMR contiene componentes especiales de micropirámides y nanomateriales construidos sobre superficies de película delgada. Mediante simples movimientos de estiramiento o flexión, los investigadores pueden convertir el dispositivo SBMR flexible entre una piel electrónica plana y una configuración de bigote electrónico saliente. En el modo E-Skin, el SBMR detecta las señales esperadas de presión y tensión tras el contacto plano gracias a su capa conductora piezoresistiva microestructurada. Sin embargo, doblar la película base también hace que la punta del bigote del sensor salte verticalmente y cambie dinámicamente a la arquitectura 3D necesaria para mediciones de estímulos fuera del plano sin precedentes.
Cuando está extendido, el SBMR utiliza su relación de aspecto similar a un bigote para lograr una sensibilidad notable, detectando pequeñas fuerzas verticales de sólo 25 micronewtons, menos que el peso de un solo grano de arena. La orientación vertical también permite que el dispositivo detecte presiones dinámicas del viento y flujo de aire a través de su superficie.
Además, los materiales conductores termoeléctricos especialmente desarrollados por el equipo permiten mediciones precisas de calor y humedad desde la configuración mejorada en 3D. Combinadas, estas detecciones ambientales, de flujo y de fuerza multidireccional brindan un monitoreo ambiental y táctil integral que no era posible con técnicas anteriores de e-skin.
Otra poderosa característica nueva del SBMR es la distinción correcta entre fuerzas de contacto y señales puras de temperatura, un desafío difícil para los dispositivos de piel tanto naturales como artificiales. Los investigadores aprovecharon las propiedades únicas de la electricidad térmica de sus compuestos sensores para generar picos de voltaje de identificación solo cuando el SBMR toca físicamente objetos calientes. Este mecanismo inteligente y de inspiración biológica garantiza una clara diferenciación entre temperatura y presión, algo que falta en todas las pieles electrónicas anteriores.
Sorprendentemente, el equipo de Liu también demuestra que varias de sus unidades SBMR pueden integrarse de manera flexible en las articulaciones de una mano robótica para replicar la versatilidad y sensibilidad de las yemas de los dedos humanos. A medida que los dedos artificiales se doblan, los sensores cambian automáticamente entre los modos adaptativos 2D y 3D para proporcionar al agarre del robot retroalimentación táctil precisa y en tiempo real para manipular objetos. Los investigadores también destacan aplicaciones potenciales en asistencia biomédica, aumento humano, detección de amenazas y automatización de la vigilancia.
En general, esta investigación representa un gran avance en la imitación tanto del cumplimiento como de la adaptabilidad ambiental de la piel natural para la electrónica. El prototipo del dispositivo SBMR ofrece capacidades multifuncionales y capacidad de respuesta líderes en el mundo, ampliando significativamente los límites de la percepción táctil artificial. En el futuro, el innovador sistema reconfigurable e-skin podría permitir percepciones para prótesis, robots, vehículos, monitoreo inteligente de infraestructuras y muchas tecnologías nuevas basadas en la comprensión del medio ambiente.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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