Material híbrido multisensorial como piel electrónica inteligente

Material híbrido multisensorial como piel electrónica inteligente


16 de junio de 2022

(Noticias de Nanowerk) La piel es el órgano sensorial más grande y al mismo tiempo la capa protectora del ser humano. Este «siente» múltiples entradas sensoriales al mismo tiempo e informa al cerebro 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 materiales inteligentes hechos por el hombre. En particular, la robótica y las prótesis inteligentes se beneficiarían de un sistema de sensor mejor integrado y más preciso que se asemeje a la piel humana». Smart Skin» para desarrollar la próxima generación de piel electrónica artificial.

El resultado de esta innovadora investigación se ha publicado ahora en la revista Tecnologías de materiales avanzados («Nanoestructuras inteligentes de núcleo y cubierta para la capacidad de respuesta a múltiples estímulos de fuerza, humedad y temperatura»). Anna Maria Coclite con un ejemplo de piel electrónica inteligente Anna Maria Coclite de la Universidad Tecnológica de Graz y su equipo han logrado producir un material híbrido 3 en 1 para la próxima generación de piel artificial inteligente. (Imagen: Martillo de pulmón, TU Graz)

Tan delicado como la punta de un dedo

Durante casi seis años, el equipo trabajó en el desarrollo de Smart Skin como parte del proyecto Smart Core ERC de Coclite. Con 2000 sensores individuales por milímetro cuadrado, el material híbrido es incluso más sensible que la punta de un dedo humano. Cada uno de estos sensores consta de una combinación única de materiales: un polímero inteligente en forma de hidrogel en el interior y una cubierta hecha de óxido de zinc piezoeléctrico.

Coclite explica: “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, que responde a esta y a cualquier otra tensión mecánica con una señal eléctrica”.

El resultado es un material delgado como una oblea que reacciona simultáneamente a la fuerza, la humedad y la temperatura con una resolución espacial extremadamente alta y emite las señales electrónicas correspondientes.

“Las primeras muestras de piel artificial tienen un grosor de seis micrómetros, es decir, 0,006 milímetros. Pero podría ser aún más delgado”, dice Anna Maria Coclite. En comparación, la epidermis humana tiene un grosor de 0,03 a 2 milímetros. La piel humana percibe cosas de un tamaño de aproximadamente un milímetro cuadrado. Smart Skin tiene una resolución mil veces menor y puede detectar objetos que son demasiado pequeños para la piel humana (por ejemplo, microorganismos).

Procesamiento de materiales a nanoescala

Las capas de sensores individuales son muy delgadas y, al mismo tiempo, están completamente equipadas con elementos sensores. Esto fue posible en un proceso único en el mundo, para el cual los investigadores combinaron por primera vez tres métodos bien conocidos de la química física: deposición química de vapor para el material de hidrogel, deposición de capa atómica para el óxido de zinc y litografía de nanoimpresión para el plantilla de polímero.

La preparación litográfica de la plantilla de polímero estuvo a cargo del grupo de investigación «Estructuración y electrónica híbrida» encabezado 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 el material híbrido similar a la piel. En el cuidado de la salud, por ejemplo, el material del sensor podría detectar microorganismos de forma independiente y reportarlos en consecuencia. También son concebibles prótesis que den al usuario información sobre la temperatura o la humedad, o robots que puedan percibir su entorno con mayor sensibilidad.

En el camino hacia la aplicación, la piel inteligente obtiene una ventaja decisiva: los nanorods sensoriales, el «núcleo inteligente» del material, se fabrican en un proceso de fabricación a base de vapor. Este método ya está establecido, por ejemplo, en sistemas de producción de circuitos integrados. Por lo tanto, la producción de Smart Skin se puede escalar e implementar fácilmente en las líneas de producción existentes.

Las propiedades de la piel inteligente ahora se están optimizando aún más. Anna Maria Coclite y su equipo, 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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