Un equipo multidisciplinar de científicos de la Universidad estatal de Washington ha desarrollado piel electrónica con un sistema de sensores capaz de detectar la presión y la temperatura. Funciona como un componente sensor que imita la piel humana.
Esta mano robótica se equipa con un módulo sensor impreso en 3D, como se describe en el estudio experimental que difunde Cell Reports Physical Science. Podría utilizarse en un futuro próximo para ayudar a las personas amputadas a recuperar la sensibilidad en sus prótesis.
Sus autores opinan que las pieles electrónicas actuales aún presentan limitaciones debido a su baja resolución, su forma plana y su elevado coste de fabricación.
En este trabajo, presentan un sistema de detección multimodal personalizable y sensible a la geometría para prótesis que funciona como un componente sensor que imita la piel humana.
El sistema integra el mapeo de presión y temperatura de alta resolución y alta velocidad en módulos conformables de forma libre. Un flujo de trabajo de escaneo-modelado-impresión convierte la topografía de la prótesis del paciente en la curvatura del sensor 3D para una perfecta adaptación a la superficie.
Destacan que “las interconexiones autoalineables de ajuste a presión permiten la reconfiguración bajo demanda, mientras que las matrices entrelazadas de presión y temperatura maximizan la utilización del espacio. En comparación con los sensores de guantes comerciales, el sistema logra una resolución espacial aproximadamente 10 veces mayor para la presión y la temperatura. Una red neuronal multicabezal realiza la calibración y la eliminación de ruido en tiempo real, reduciendo así el error por píxel y mejorando la fidelidad de la señal. El sistema permite la identificación de texturas y materiales, y proporciona una plataforma de detección para prótesis personalizadas con sensores integrados y retroalimentación háptica”.
Hacia la piel electrónica biónica
Hongyi Shen, primer autor, afirma que “este trabajo sienta las bases cruciales para una piel biónica completa con funciones de detección y estimulación háptica en prótesis”.
La estimulación háptica reproduce el sentido del tacto. Proporcionar incluso una sensación parcial a las personas amputadas podría mejorar enormemente su capacidad para realizar tareas. Si bien existen pieles electrónicas disponibles actualmente, son costosas y tienen una baja resolución de detección. Además, a menudo no se ajustan bien a las personas y solo cubren pequeñas áreas.
De hecho, cuanto más personalizada sea la piel electrónica, peor será su capacidad de detección. Asimismo, la gran cantidad de datos generados por los sensores impide que funcionen correctamente en tiempo real.
Los investigadores de la WSU desarrollaron un sistema de detección personalizable para prótesis que se adapta a la forma irregular de las extremidades y reproduce con mayor precisión la capacidad de detección de la piel humana. Los módulos sensores que crearon son estructuras laminadas de capas finas que incorporan sensores de temperatura y presión.
Estos elementos permiten una percepción táctil similar a la humana, lo que posibilita la identificación fiable de la textura de la superficie y las propiedades del material.
Como subraya el profesor Kaiyan Quiu, miembro del equipo, “el escáner básicamente analiza la prótesis y, a partir de su geometría, configuramos nuestros sensores como sistema de detección multimodal. Esto permite que nuestro sistema de detección tenga una cobertura perfecta en la región de forma libre de la prótesis”.
Como piezas de Lego
Destacan también que los sensores son precisos y fiables, y pueden medir tanto la presión como la temperatura con alta densidad en superficies planas o curvas. En lugar de requerir adhesivos, los módulos de sensores se ensamblan como si fueran piezas de Lego.
El proyecto recibió apoyo parcial del programa de formación en investigación en robótica de próxima generación (NRT-LEAD) de la Fundación Nacional de Ciencias de la WSU, dirigido por Prashanta Dutta, profesor Richard Schneider Jr. y director de la Escuela de Ingeniería Mecánica y de Materiales. Dutta también es coautor del artículo. El proyecto recibió apoyo adicional de la empresa emergente de Qiu en la WSU y de los fondos de Cougar Cage.
Los investigadores han presentado una solicitud de patente provisional ante la Oficina de Investigación, Innovación y Emprendimiento de la WSU. También están trabajando en un actuador que, con el tiempo, convertirá las señales de detección de la piel electrónica para que una persona amputada sepa qué está tocando. Esto implicaría convertir dichas señales en estimulación y señalización de los nervios cercanos.
Shen, que forma parte del programa NRT-LEAD, reconoce que siempre ha tenido interés en ayudar a las personas en entornos de rehabilitación y que tiene experiencia en el trabajo con sensores e impresión 3D.