STANFORD, California.- Científicos de Stanford desarrollaron una piel electrónica suave y elástica que puede comunicarse directamente con el cerebro, imitando la retroalimentación sensorial de la piel real.
Científicos de Stanford crean piel electrónica que puede sentir el tacto
La piel artificial será fundamental para las prótesis de última generación que no solo restauran el movimiento y las funciones, como el agarre, sino que también proporcionan retroalimentación sensorial (propiocepción) que ayuda al usuario a controlar el dispositivo con precisión.
Por:Univision
Video Piel artificial desarrollada en Stanford puede enviar señales al cerebro
Se necesitan circuitos mucho más rápidos, grandes y sofisticados antes de que la llamada "piel electrónica" ofrezca esperanza a las personas, sin embargo, el dispositivo mostró un éxito notable en una rata de laboratorio.
Cuando los investigadores presionaron la piel electrónica de la rata y enviaron impulsos electrónicos a su cerebro, el animal respondió moviendo la pierna.
Durante mucho tiempo, los científicos han soñado con construir miembros protésicos que no solo restauren el movimiento, sino que también proporcionen percepción, como la capacidad de sentir presión, temperatura y vibración, para ayudar a restaurar una calidad de vida más normal.
Las lesiones en la piel y las amputaciones causan una interrupción masiva en el ciclo de percepción y movimiento, por lo que incluso tareas simples como sentir o agarrar un objeto representan un desafío.
La piel artificial tiene múltiples aplicaciones
La piel electrónica también podría usarse para revestir robots para que sientan sensaciones de la misma manera que los humanos.
Esto es fundamental para la seguridad de las industrias donde los robots y los humanos tienen interacciones físicas, como el paso de herramientas en una planta de fabricación.
Pero la sensación del tacto es complicada. La piel humana tiene millones de receptores que perciben cuando son golpeados, presionados, apretados o quemados, los cuales reaccionan enviando pulsos eléctricos al cerebro a través de los nervios.
El cerebro responde enviando información de vuelta, indicando a los músculos que se muevan.
La piel biológica además es suave y puede estirarse repetidamente durante muchas décadas.
El equipo de Stanford, liderado por la profesora de ingeniería química Zhenan Bao, ha estado trabajando en diseños de piel electrónica durante varios años.
Pero un intento anterior utilizó electrónica rígida y 30 voltios de energía, lo que requería 10 baterías y no era seguro. Además, no podía soportar el estiramiento continuo sin perder sus propiedades eléctricas.
"El obstáculo no fue tanto encontrar mecanismos para imitar las sorprendentes capacidades sensoriales del tacto humano, sino reunirlos utilizando solo materiales similares a la piel", dijo Bao en un comunicado.
Usan transistores orgánicos estirables
La nueva piel electrónica es innovadora porque utiliza capas en red de transistores orgánicos estirables que perciben y transmiten señales eléctricas. Cuando se apilan, las capas tienen solo unos 25 a 50 micrones de espesor, tan delgadas como una hoja de papel, similar a la piel.
Sus redes actúan como sensores, diseñados para percibir presión, temperatura, tensión y sustancias químicas, convierten esta información sensorial en un pulso eléctrico. La piel electrónica funciona con solo 5 voltios de electricidad.
Para probar el sistema, el equipo de Stanford lo implantó en una rata viva. Cuando se tocaba la piel electrónica de la rata, un impulso se transmitía por un cable hasta el cerebro de la rata, específicamente a un área llamada corteza somatosensorial, que es responsable del procesamiento de las sensaciones físicas.
El cerebro de la rata respondió enviando una señal eléctrica a la pierna. Esto se hizo utilizando un dispositivo que amplifica y transmite señales desde el cerebro hasta los músculos, imitando las conexiones en el sistema nervioso llamadas sinapsis.
La pierna de la rata se movió. Significativamente, su movimiento correspondía a diferentes niveles de presión, según Wang, ingeniera y autora principal del nuevo artículo. Por ejemplo, el equipo pudo aumentar el movimiento de la pierna al presionar la piel electrónica con más fuerza, lo que aumentó la frecuencia de la señal y la salida del transistor.
Si se prueba en humanos, el dispositivo no requeriría la implantación de un cable para enviar información sensorial al cerebro. En cambio, el equipo imagina utilizar comunicación inalámbrica entre la piel electrónica y un estimulador eléctrico ubicado junto a un nervio.
Piel electrónica suave genera impulsos que se comunican con el cerebro
Los mecanorreceptores en la piel humana pueden percibir el delicado peso de una mariposa, sentir el calor de una llama cercana o una bebida fría, distinguir si una mano está levantada en un puño o en señal de paz, y contar el pulso de un ser querido con un suave toque.
Hasta ahora, los ingenieros que buscan crear piel electrónica artificial han logrado diseñar materiales suaves y flexibles que imitan cada uno de estos sentidos extraordinarios, pero nunca antes habían creado una sola lámina con materiales similares a la piel que pueda comunicarse directamente con el cerebro, hasta ahora.
Mientras que los esfuerzos anteriores requerían electrónica rígida para convertir la señal percibida en impulsos eléctricos que el cerebro puede interpretar, los investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado circuitos integrados suaves que convierten la presión o la temperatura percibida en señales eléctricas similares a los impulsos nerviosos para comunicarse con el cerebro.
Los investigadores esperan que algún día esas señales puedan dirigirse a chips de comunicación inalámbrica implantados en los nervios periféricos para permitir que las personas amputadas controlen extremidades protésicas. Otros usos potenciales podrían incluir dispositivos médicos implantables o portables de última generación.
"Hemos estado trabajando en una piel electrónica monolítica durante algún tiempo. El obstáculo no fue tanto encontrar mecanismos para imitar las sorprendentes capacidades sensoriales del tacto humano, sino reunirlos utilizando solo materiales similares a la piel", dijo Zhenan Bao, profesora de Ingeniería Química y autora principal del estudio que aparece en la revista Science.
"Gran parte de ese desafío se redujo a mejorar los materiales electrónicos similares a la piel para que puedan incorporarse a circuitos integrados con la suficiente complejidad para generar trenes de pulsos similares a los nervios y con un voltaje de funcionamiento lo suficientemente bajo como para utilizarse de manera segura en el cuerpo humano", dijo Weichen Wang, candidato doctoral en el laboratorio de Bao y primer autor del artículo. Wang ha estado trabajando en este prototipo durante 3 años.
Capas de tecnología
El objetivo era crear un circuito integrado suave que pudiera imitar el mecanismo de los receptores sensoriales y funcionar eficientemente con un voltaje bajo. Desafortunadamente, los primeros intentos de Wang requerían más de 30 voltios o más y no lograban la suficiente funcionalidad del circuito.
"Esta nueva piel electrónica funciona con solo 5 voltios y puede detectar estímulos similares a la piel real", dijo.
La piel artificial será fundamental para las prótesis de última generación que no solo restauran el movimiento y las funciones, como el agarre, sino que también proporcionan retroalimentación sensorial (propiocepción) que ayuda al usuario a controlar el dispositivo con precisión.
Además, el material de la piel sensorial mismo debe estirarse y volver sin fallar una y otra vez, sin perder sus características eléctricas similares a las de los nervios.
El equipo inventó una estructura dieléctrica de tres capas que ayudó a aumentar la movilidad de los portadores de carga eléctrica en 30 veces en comparación con los dieléctricos de una sola capa, lo que permitió que los circuitos funcionaran con un voltaje bajo.
Curiosamente, una de las capas en la estructura de tres capas es nitrilo, el mismo caucho que se utiliza en los guantes quirúrgicos.
La mayor parte de la piel electrónica está compuesta por muchas capas de materiales similares a la piel.
En cada capa se encuentran redes de nanoestructuras orgánicas que transmiten señales eléctricas incluso cuando se estiran.
Estas redes pueden diseñarse para percibir presión, temperatura, tensión y sustancias químicas.
Cada entrada sensorial tiene su propio circuito integrado. Luego, todas las diferentes capas sensoriales deben combinarse en un solo material monolítico que no se descame, rasgue ni pierda su función eléctrica.
Cada capa electrónica tiene solo unos pocos nanómetros de grosor, y el material final de media docena de capas o menos tiene menos de un micrón.
"Pero en realidad eso es demasiado delgado para manipularlo fácilmente, así que usamos un sustrato para soportarlo, lo que hace que nuestra piel electrónica tenga un grosor de aproximadamente 25-50 micrones, similar al grosor de una hoja de papel", dijo Bao. "Se encuentra en un rango de grosor similar a la capa externa de la piel humana".
Avances de próxima generación
Este sistema es el primero en combinar la percepción sensorial y todas las características eléctricas y mecánicas deseadas de la piel humana en una forma suave y duradera que podría usarse en prótesis de próxima generación y interfaces humano-máquina innovadoras para proporcionar una sensación de tacto similar a la humana.
Con el prototipo completo, Bao, Wang y su equipo se embarcan ahora en aumentar la complejidad y la escalabilidad de su tecnología, añadiendo funcionalidad inalámbrica y formas de interactuar con el cerebro y el sistema periférico del cuerpo.
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