Los investigadores de la Universidad Stanford en California desarrollaron una piel electrónica con un material único, multicapa, suave y elástico que puede comunicarse directamente con el cerebro y detectar la presión, la temperatura, la tensión como la piel real.
El daño a la piel y la amputación causan una interrupción masiva en la percepción y movimiento, por lo que incluso las tareas simples como sentir o agarrar un objeto son un desafío y esta tecnología podría ofrecer esperanza a millones de personas con prótesis.
Se necesitan circuitos mucho más rápidos, más grandes y más sofisticados antes de que la llamada «piel electrónica» sea prometedora para las personas.
«Tal vez algún día podamos ayudar a los pacientes no solo a restaurar la función motora, sino también a restaurar sus sensaciones». Dijo Weichen Wang, cuyo equipo publicó su éxito en la revista Science.
Pero, en un hito, el dispositivo mostró un éxito notable en una rata de laboratorio. Cuando los investigadores presionaron la piel electrónica de la rata y enviaron pulsos electrónicos a su cerebro, el animal respondió moviendo la pata.
«Si levantas un vaso de cerveza y no puedes sentir que no está fría, entonces no obtendrás el sabor correcto», dijo Ravinder Dahiya, profesor de ingeniería eléctrica e informática, está estudiando el uso de electrónica flexible para desarrollar piel artificial.
La piel electrónica también podría usarse para revestir a los 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 pasar herramientas en una planta de fabricación.
Pero la sensación del tacto es complicada. La piel humana tiene millones de receptores que detectan cuando se pinchan, se presionan, se estrujan o se escaldan. Reaccionan enviando pulsos eléctricos al cerebro, a través de los nervios. El cerebro responde devolviendo información, diciéndoles a los músculos que se muevan.
Y la piel biológica es suave y puede estirarse, repetidamente, durante muchas décadas
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El equipo de Stanford, dirigido por el profesor de ingeniería química Zhenan Bao, ha estado trabajando en diseños de piel electrónica durante varios años. Pero un esfuerzo anterior usó electrónica rígida y 30 voltios de energía, lo que requiere 10 baterías y no es seguro. Y no podria soportar el estiramiento continuo sin perder sus propiedades electricas.
Pueden diseñarse para detectar presión, temperatura, tensión y productos químicos. (Crédito de la imagen: Jiancheng Lai y Weichen Wang del Bao Research Group en la Universidad de Stanford)
«El obstáculo no era tanto encontrar mecanismos para imitar las notables habilidades sensoriales del tacto humano, sino unirlas utilizando solo materiales similares a la piel», dijo Bao en un comunicado.
El nuevo e-skin es innovador porque utiliza capas en red de transistores orgánicos estirables que perciben y transmiten señales eléctricas. Cuando se intercalan, las capas tienen solo entre 25 y 50 micrones de espesor, tan delgadas como una hoja de papel, similar a la piel.
Sus redes actúan como sensores, diseñados para detectar presión, temperatura, tensión y productos químicos. Convierten esta información sensorial en un pulso eléctrico.
Y el e-skin funciona con solo 5 voltios de electricidad.
Para probar el sistema, el equipo de Stanford lo implantó en una rata viva. Cuando se tocó la piel electrónica de la rata, se transmitió un pulso por un cable al cerebro de la rata, específicamente, a un área llamada corteza somatosensorial, que es responsable de procesar las sensaciones físicas.
El cerebro de la rata respondió enviando una señal eléctrica a su pata. Esto se hizo usando un dispositivo que amplifica y transmite señales del cerebro a los músculos, imitando conexiones en el sistema nervioso llamadas sinapsis.
La pata de la rata tembló. Significativamente, su movimiento correspondía a diferentes niveles de presión, dijo Wang, un Ph.D. en ingeniería. y primer autor del nuevo artículo. Por ejemplo, el equipo pudo aumentar el movimiento de la pierna presionando con más fuerza la piel electrónica, lo que aumentó la frecuencia de la señal y la salida del transistor.
Si se probara en humanos, el dispositivo no requeriría la implantación de un cable para enviar información sensorial al cerebro. Más bien, el equipo prevé el uso de comunicación inalámbrica entre e-skin y un estimulador eléctrico ubicado junto a un nervio.
Joe McTernan, de la American Orthotic and Prosthetic Association, dijo que dicha investigación fomenta los avances tecnológicos que algún día podrían proporcionar biorretroalimentación en tiempo real para las personas que han perdido extremidades.
«Aunque esta tecnología de la piel es bastante nueva, ha habido una importante investigación y desarrollo en los últimos años que se han centrado en crear una experiencia táctil positiva para el paciente», dijo.
El sistema de circuito cerrado del equipo de Stanford, desde la sensación hasta el movimiento muscular, es «muy emocionante… en gran medida una prueba de concepto», dijo el experto en bioelectrónica Alejandro Carnicer-Lombarte de la Universidad de Cambridge a la revista Nature.
En el campo de las prótesis artificiales, la mayoría de los investigadores tienden a trabajar en componentes individuales, dijo. «Combinar esas cosas, en secuencia, no es trivial».
Dahiya aplaudió el éxito del equipo en la construcción de dispositivos electrónicos flexibles y luego en hacerlos funcionar. «Ahí es donde han hecho un buen trabajo», dijo.
Pero dijo que todavía falta una pieza del rompecabezas: crear memoria. A diferencia de la piel electrónica de Stanford, la piel humana aprende cómo se siente un objeto y luego puede anticiparlo.
Hay otro desafío: la transmisión de señales actualmente es demasiado lenta para ser útil. El flujo de información a través de los transistores flexibles basados en carbono del equipo es lento en comparación con los transistores basados en silicio más tradicionales, dijo.
Tal retraso «no nos permitirá tener una sensación real», dijo Dahiya. «Y sin un sentimiento real, entonces tienes un cuello de botella práctico».
En Stanford, el próximo paso es incluir más y diferentes sensores en la piel electrónica, para replicar más de cerca las muchas sensaciones que siente la mano humana, dijo Wang.
«Estamos escalando», dijo. «Será más avanzado.
«Todo el campo está en desarrollo», dijo. «Se necesitarán muchas más generaciones de desarrollos para alcanzar nuestro objetivo».
[Editado apartir del original escrito por Lisa M. Krieger para Techxplore. Los datos fueron confirmados por el Staff de Morbeb]
Más información: Weichen Wang et al, Bucle sensoriomotor neuromórfico incorporado por piel electrónica suave, monolíticamente integrado, de bajo voltaje, Science (2023). DOI: 10.1126/ciencia.ade0086
