18.05.2022 - Technische Universität Graz

Piel electrónica: material híbrido multisensorial

Incluso más sensible que la yema de un dedo humano

La "piel inteligente" desarrollada por Anna Maria Coclite es muy similar a la piel humana. Detecta simultáneamente la presión, la humedad y la temperatura y produce señales electrónicas. Así, se pueden concebir robots más sensibles o prótesis más inteligentes.

La piel es el mayor órgano sensorial y al mismo tiempo el revestimiento protector del ser humano. "Siente" varias entradas sensoriales al mismo tiempo y comunica al cerebro información sobre la humedad, la temperatura y la presión. Para Anna Maria Coclite, un material con tales propiedades multisensoriales es "una especie de 'santo grial' en la tecnología de los materiales artificiales inteligentes". En particular, la robótica y las prótesis inteligentes se beneficiarían de un sistema sensorial mejor integrado y más preciso, similar al de la piel humana". El ganador de la beca del ERC e investigador del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Graz ha logrado desarrollar el material híbrido tres en uno "piel inteligente" para la próxima generación de piel artificial y electrónica mediante un novedoso proceso. El resultado de esta investigación pionera se ha publicado ahora en la revista Advanced Materials Technologies.

Tan delicado como la punta de un dedo

Durante casi seis años, el equipo ha trabajado en el desarrollo de la piel inteligente como parte del proyecto Smart Core del Coclite. Con 2.000 sensores individuales por milímetro cuadrado, el material híbrido es incluso más sensible que la yema de un dedo humano. Cada uno de estos sensores está formado por una combinación única de materiales: un polímero inteligente en forma de hidrogel en su interior y una cubierta de óxido de zinc piezoeléctrico. Coclite explica: "El hidrogel puede absorber agua y, por tanto, se expande ante los cambios de humedad y temperatura. Al hacerlo, ejerce presión sobre el óxido de zinc piezoeléctrico, que responde a éste y a todos los demás esfuerzos mecánicos con una señal eléctrica".

El resultado es un material finísimo que reacciona simultáneamente a la fuerza, la humedad y la temperatura con una resolución espacial extremadamente alta y emite las correspondientes señales electrónicas. "Las primeras muestras de piel artificial tienen seis micrómetros de grosor, es decir, 0,006 milímetros. Pero podría ser aún más fina", dice Anna Maria Coclite. En comparación, la epidermis humana tiene entre 0,03 y 2 milímetros de grosor. La piel humana percibe cosas a partir de un tamaño de aproximadamente un milímetro cuadrado. La piel inteligente tiene una resolución mil veces menor y puede registrar objetos demasiado pequeños para la piel humana (como los microorganismos).

Procesamiento de materiales a nanoescala

Las capas individuales del sensor son muy finas y al mismo tiempo están equipadas con elementos sensores que cubren toda la superficie. Esto ha sido posible gracias a un proceso único en el mundo, en el que los investigadores han combinado por primera vez tres métodos conocidos de la química física: una deposición química de vapor para el material de hidrogel, una deposición de capas atómicas para el óxido de zinc y una litografía de nanoimpresión para la plantilla de polímero. La preparación litográfica de la plantilla de polímero fue responsabilidad del grupo de investigación "Electrónica híbrida y estructuración", dirigido por Barbara Stadlober. El grupo forma parte del Instituto de Materiales de Joanneum Research, con sede en Weiz.

Ahora se abren varios campos de aplicación para este material híbrido similar a la piel. En el ámbito de la salud, por ejemplo, el material sensor podría detectar de forma autónoma los microorganismos e informar sobre ellos. También son concebibles las prótesis que informan al usuario sobre la temperatura o la humedad, o los robots que pueden percibir su entorno con mayor sensibilidad. En el camino hacia la aplicación, la piel inteligente cuenta con una ventaja decisiva: los nanorods sensoriales -el "núcleo inteligente" del material- se producen mediante un proceso de fabricación basado en el vapor. Este proceso ya está bien establecido en las plantas de producción de circuitos integrados, por ejemplo. Por tanto, la producción de la piel inteligente puede ampliarse fácilmente e implementarse en las líneas de producción existentes.

Las propiedades de la piel inteligente se están optimizando aún más. Anna Maria Coclite y su equipo -en este caso, en particular, el estudiante de doctorado Taher Abu Ali- quieren ampliar el rango de temperatura al que reacciona el material y mejorar la flexibilidad de la piel artificial.

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