Científicos desarrollan sensores táctiles ligeros que podrían allanar el camino para 'pieles' de robots y dispositivos médicos



El estudiante de doctorado Wu Xihu, el investigador Dr. Chen Shuai, el estudiante de doctorado Surendran Abhijith y el profesor asistente Leong Wei Lin con muestras de sus sensores de presión ultrasensibles, impresos en una variedad de materiales como tela, papel y película plástica. Crédito: Universidad Tecnológica de Nanyang

Científicos de NTU Singapur desarrollan sensores táctiles ultrasensibles ligeros que podrían allanar el camino para "pieles" de robots y dispositivos médicos

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapore) han inventado un sensor de presión que se puede 'imprimir' en material flexible como papel o película de plástico, y es tan sensible que puede detectar con precisión un solo pétalo de flor o grano de arroz.

Un prototipo funcional del sensor se ha integrado en una mano robótica que es capaz de agarrar objetos delicados, como un huevo, y el equipo cree que su trabajo allana el camino para la "piel" sensible al tacto para robots y dispositivos médicos ligeros de monitoreo de la salud.

Dirigido por el profesor asistente Leong Wei Lin de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, el equipo, compuesto por el investigador Dr. Chen Shuai y los estudiantes de doctorado Surendran Abhijith y Wu Xihu, está desarrollando nuevas aplicaciones para su avance basado en una subvención del Programa Nacional de Robótica de Singapur.

Estos sensores se crean con un nuevo tipo de transistores electroquímicos orgánicos de película delgada (OECTs) que utilizan electrolitos de polímero de estado sólido.

Los OECTs son transistores que conducen tanto iones como electrones, lo que les permite detectar señales biológicas y convertirlas en señales electrónicas. Esto los hace adecuados para una variedad de aplicaciones, desde dispositivos médicos hasta almacenamiento de energía. En particular, se han utilizado como sensores para medir una variedad de funciones biológicas, como los latidos del corazón y las ondas cerebrales.

Los OECTs convencionales utilizan electrolitos líquidos para tales aplicaciones de biodetección. Sin embargo, los OECO a base de líquidos tienen limitaciones: son grandes, tienen una vida útil operativa limitada y son incompatibles con la entrada táctil o la presión externa.

En su lugar, los sensores de presión del equipo de investigación utilizan electrolitos de polímero sólido, que pueden conducir iones y electrones con la misma eficacia que los OECTs a base de líquidos, al tiempo que superan sus limitaciones.

El profesor Leong dijo: "Todos los OECTs de estado sólido que desarrollamos ofrecen varios beneficios sobre los electrolitos líquidos. Estos nuevos sensores se pueden doblar, ya que no hay riesgo de fugas, son flexibles y adaptables a varias superficies, y son baratos de imprimir en varios tamaños. También utilizan muy poca potencia y son biocompatibles, lo que los hace seguros para aplicaciones en la atención médica y la manipulación de alimentos".


"El desarrollo de sensores de presión flexibles altamente sensibles es particularmente atractivo para tecnologías nuevas y disruptivas como los sistemas ciberfísicos, la robótica blanda y los dispositivos de atención médica portátiles", agregó.

Las nuevas OECO de estado sólido son al menos 10 veces más sensibles

Los sensores del equipo funcionan creando un cambio de voltaje cuando se aplica presión. Cada sensor tiene una capa de micro-pirámides en la parte superior de la capa de electrodos. Los puntos de las puntas de las pirámides las hacen sensibles a la detección de objetos extremadamente ligeros.

Estas micro-pirámides se deforman cuando se aplica presión sobre ellas, empujando iones móviles desde la capa piramidal hacia la capa conductora. El movimiento de los iones genera un cambio de voltaje que se puede medir y traducir en sensibilidad a la presión.

Los sensores de presión pueden detectar objetos tan ligeros como 1,1 Pa, o 0,0112 gramos por centímetro cuadrado, lo que los hace exponencialmente más sensibles que los diversos tipos de sensores de presión que se utilizan hoy en día. Estos incluyen sensores capacitivos, que se utilizan en las pantallas táctiles de los teléfonos inteligentes; sensores piezorresisantes, utilizados en automóviles para verificar la presión del fluido; y sensores piezoeléctricos, que se encuentran en los acelerómetros.

"Nuestros nuevos OECO detectan una gran modulación de corriente bajo pequeñas señales de entrada de presión. Esto se traduce en una sensibilidad a la alta presión, unas 10.000 veces mejor que los sensores de presión capacitivos, unas 100 veces más que los sensores resistivos y unas diez veces mejor que los sensores orgánicos de efecto de campo tipo transistor", explicó el profesor Leong de Asst.

Exploración de aplicaciones con potencial comercial

El equipo de investigación ha integrado estos sensores en una "mano" robot, que permite a los operadores agarrar objetos delicados sin dañarlos, ya que la cantidad precisa de presión se puede medir y calibrar a través de la retroalimentación de los sensores. El equipo está desarrollando esta tecnología aún más para crear pinzas de robot más inteligentes que utilizan estos sensores para distinguir entre varias formas y texturas de superficie.

El equipo también está trabajando en la impresión de estos sensores en parches grandes y flexibles, que luego se pueden usar como una "piel" en robots autónomos para la retroalimentación en tiempo real y la detección táctil. Los robots cubiertos de tal 'piel' pueden reaccionar a los estímulos de la misma manera que lo hacen los humanos, haciéndolos más seguros y más sensibles cuando se despliegan en multitudes.

Por ejemplo, pueden responder incluso al más mínimo toque, como hacer una pausa en sus pistas si alguien los roza, y luego seguir adelante cuando está claro hacerlo.

El bajo voltaje de funcionamiento del sensor de 1 voltio le permite funcionar con una potencia extremadamente baja, lo que reduce la necesidad de paquetes de baterías voluminosas.

Los sensores también podrían ser una alternativa adecuada para controlar la frecuencia del pulso y la presión arterial de pacientes cuyas pieles podrían ser extremadamente sensibles a la presión externa. Se pueden imprimir en parches suaves y flexibles tan delgados como vendajes de yeso, lo que permite a los trabajadores médicos pegarlos a los pacientes y tomar lecturas sin causar molestias.

El enfoque actual del equipo en experimentar con diversas aplicaciones comerciales para su sensor de presión ultrasensible refleja el compromiso de NTU con la innovación en su plan estratégico 2025 recientemente anunciado, que busca acelerar la traducción de los descubrimientos de investigación en productos que mejoren la calidad de vida.

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