Un sensor de presión estirable y excepcionalmente sensible para prótesis, robótica blanda e interfaces hombre-máquina.

Así como Gaudí diseñó edificios inspirados en la naturaleza, los científicos e ingenieros utilizan las propiedades de los organismos para imitar su función en las nuevas tecnologías aplicables.

«Dado que la mayoría de los organismos vivos han evolucionado hacia la forma optimizada de sus vidas, podemos aprender fácilmente de la naturaleza y aplicar la versatilidad a las tecnologías recientemente desarrolladas», dijo Kilwon Cho, profesor del Departamento de Ingeniería Química de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Pohang en Corea. “Nos vemos como expertos en integración […] naturaleza en el desarrollo de tecnología inspirada en la naturaleza”.

Inspirándose en la piel excepcionalmente sensible de un cocodrilo, Cho y su equipo describieron recientemente el desarrollo de un sensor de presión estirable que podría usarse en dispositivos portátiles para aplicaciones como prótesis, robótica blanda e interfaces hombre-máquina.

La piel de cocodrilo inspira sensores mecánicos

Los sensores mecánicos actuales tienen limitaciones, que incluyen poca capacidad de estiramiento y la subsiguiente pérdida de sensibilidad a la deformación, que son características importantes que deben optimizarse cuando los sensores se usan en dispositivos portátiles o robótica blanda donde ven mucho movimiento.

«Cuando pensábamos en desarrollar mejores sensores de presión, recordamos haber visto un documental sobre la capacidad de los cocodrilos para detectar incluso las vibraciones más leves en el agua», dijo Cho. «[Therefore,] Empezamos a estudiar los órganos sensoriales de la piel de cocodrilo”.

Estos receptores de presión en la piel de cocodrilo tienen una forma de cúpula que permite una mayor sensibilidad en comparación con los receptores planos, ya que se deforman más fácilmente bajo la presión mecánica.

Los receptores en la piel de un cocodrilo pueden sentir la presión mecánica incluso cuando la piel se deforma porque están rodeados por estructuras similares a bisagras que «absorben» esta deformación, manteniendo los receptores en forma de cúpula en una forma similar y sin deformaciones mientras la piel se relaja.

Cho y el equipo decidieron recrear estos receptores mecánicos microscópicos en forma de cúpula, separados por «pliegues» que imitan las bisagras de la piel de cocodrilo, para desarrollar un sensor que pueda detectar la presión incluso bajo estrés.

Construye cúpulas microscópicas

En general, los sensores mecánicos artificiales constan de dos componentes: un elemento deformable que cambia de forma bajo presión mecánica y un elemento conductor que convierte la señal mecánica en una señal eléctrica.

En el estudio actual, Cho y su equipo construyeron su sensor a partir de una película de polímero orgánico a base de silicio estirable y deformable llamado polidimetilsiloxano, en el que fabricaron «protuberancias» en forma de microdomo para imitar la superficie de la piel de cocodrilo. Luego incrustaron la estructura del polímero con nanocables de plata, que sirven como componente conductor.

De esta forma, cuando la presión mecánica deforma los microdomos, los nanocables de plata se enredan generando una corriente eléctrica que es leída por un electrodo en la parte superior de la estructura. Para permitir que el sensor detecte presiones mecánicas incluso bajo tensión, el equipo agregó pliegues estructurales entre los microdomos estirando y relajando repetidamente el material.

Cuando el equipo probó el sensor, observaron que la sensibilidad a la presión permaneció casi sin cambios cuando la película se estiró en diferentes direcciones.

“Los pliegues de la superficie en los intersticios entre los microdomos se expanden primero bajo estrés, minimizando efectivamente el estrés que se les impone. [them] dijo Seung Goo Lee, profesor asistente en el Departamento de Química de la Universidad de Ulsan en Corea y coautor principal del estudio. «Porque [the sensor’s] Mientras que los microdomos experimentan tensiones de tracción locales insignificantes bajo tensión, nuestro sensor de presión muestra un rendimiento de medición de presión independiente de la tensión”.

El equipo también observó que su sensor podía soportar presiones mecánicas repetidas sin deformarse, romperse o cambiar su sensibilidad. «Nuestro sensor está hecho completamente del polímero elastomérico polidimetilsiloxano, por lo que es mecánicamente robusto bajo presiones verticales repetidas y cargas de tracción», dijo Lee.

Sensibilidad única

En los experimentos de aplicación, el equipo observó que su sensor podía detectar el peso diferente de dos monedas de diferentes tamaños, así como pequeños cambios en la presión del aire, y cuando se colocaba en un dedo o en el dorso de la mano, podía detectar el tacto. de otro dedo.

Para ver qué tan cerca estuvo esta función de sensor de su inspiración biológica, o probablemente solo por diversión, el equipo conectó su sensor a un cocodrilo de plástico y lo sumergió en agua. Allí observaron que su sensor podía detectar pequeñas ondas, al igual que los cocodrilos.

Para hacer que este sensor sea más robusto, el equipo planea incluir otras funciones de sensor, como la temperatura, la sensibilidad química y la luz.

«Hemos desarrollado varios tipos de tecnologías científicas imitadas por la superficie de las plantas y los animales, incluida la autolimpieza de loto y hojas de arroz, la recolección de agua de las espinas de los cactus, la captura táctil de huellas dactilares humanas y este trabajo», dijo Cho. «Será una gran oportunidad para que los investigadores exploren características interesantes de la naturaleza y las imiten para su propia investigación».

Referencia: Giwon Lee, et al., Sensor de presión estirable omnidireccional inspirado en la piel de cocodrilo, Pequeño (2022). DOI: 10.1002/pequeño.202205643

Crédito de la imagen principal: Gagan Cambow en Pexels

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