27 de Septiembre de 2022
Tecnología

Avances en el diseño de pieles electrónicas

Las pieles sintéticas capaces de percibir el entorno y detectar compuestos químicos podrían facilitar la interacción entre humanos y robots, entre otras muchas aplicaciones.

Un grupo de investigadores ha desarrollado una nueva piel electrónica con forma de parche flexible y elongable que puede adherirse tanto a un brazo robótico como a la piel de un ser humano. Gracias a un sistema de sensores, el dispositivo puede «sentir» estímulos ambientales y transmitir la información percibida desde un robot a un hombre, o viceversa. [SolStock/iStock]

La piel humana es suave y elástica, y posee millones de terminaciones nerviosas que perciben el calor y el tacto. Y esas cualidades la convierten en un instrumento magnífico para detectar los estímulos del mundo exterior y responder a ellos. Los ingenieros llevan 40 años tratando de reproducir esas propiedades en una versión sintética, pero sus intentos nunca han alcanzado la versatilidad y adaptabilidad de la piel biológica.

Sin embargo, las últimas investigaciones están aportando nuevas capacidades y sutilezas que acercan este campo a su objetivo último: una piel electrónica que sirva tanto para recubrir robots como para adherir dispositivos ponibles a la piel humana, los cuales podrían llegar a permitirnos controlar los robots a distancia y «sentir» las señales que detectan.

«En los años ochenta empezaron a aparecer algunos sensores táctiles que podríamos considerar una versión tosca de la piel», indica Ravinder Dahiya, profesor de electrónica y nanoingeniería y director del grupo de Electrónica Flexible y Técnicas de Detección de la Universidad de Glasgow. Y los primeros conjuntos de «sensores flexibles» se desarrollaron a mediados de esa década. 

Uno de ellos utilizaba Kapton (una película flexible, pero no elongable, inventada en la década de los sesenta) para sostener un grupo de sensores y detectores de infrarrojos. Esa «piel» estaba envuelta alrededor de un sencillo brazo robótico, lo que permitía que la extremidad «bailase» con una persona: si la bailarina se encontraba a menos de 20 centímetros del brazo, este podía percibir los movimientos y responder modificando sus propias acciones de forma espontánea.

Pero esas capacidades eran aún muy rudimentarias en comparación con las de la piel biológica. Los materiales y los componentes electrónicos siguieron evolucionando hasta los primeros años del siglo XXI, volviéndose cada vez más suaves y flexibles y, lo que es más importante, elongables. 

Esas mejoras permitieron incorporar nuevos sensores y componentes electrones a un sistema cutáneo completamente desarrollado, explica Dahiya. Un sistema así incluye una base similar a la piel, capaz de doblarse y estirarse, equipada con una fuente de alimentación, varios sensores y algún método para enviar la información recabada a un procesador central.

Los sensores táctiles y térmicos fueron los primeros que se desarrollaron para ese tipo de sistemas. Wei Gao, ingeniero biomédico del Instituto de Tecnología de California, decidió combinar esos sensores con otros que pudieran detectar compuestos químicos. «Queríamos crear una piel robótica provista de percepción física, básicamente la misma facultad que ya tenemos las personas», expone Gao. «Y, además, queríamos  dotarla de una potente capacidad de detección química.» El trabajo de su equipo se publicó el pasado junio en Science Robotics.

El laboratorio de Gao usó una impresora de inyección para depositar capas de una tinta especial compuesta por nanomateriales (mezclas de fragmentos microscópicos de metales, carbono u otros compuestos) sobre una base suave de hidrogel. Aplicando distintas tintas (cada una sensible a una sustancia específica), el equipo desarrolló pieles capaces de detectar explosivos, gases nerviosos como los usados en la guerra química e incluso virus como el SARS-CoV-2, causante de la COVID-19. Los investigadores también incorporaron sensores de presión y temperatura desarrollados con anterioridad. La piel electrónica resultante recuerda a una tirita transparente con diseños metálicos en la superficie.

Piel electrónica creada por el laboratorio del ingeniero biomédico Wei Gao. Un parche situado en el antebrazo de una persona sirve para controlar un brazo robótico cercano. Al poner la piel sobre la mano robótica, esta puede «sentir» los objetos que sostiene. [<a href="http://www.gao.caltech.edu/uploads/2/6/7/2/26723767/electronic-skin-1_orig.jpg" target="_blank">Wei Gao, Instituto de Tecnología de California</a>]

Pero esa piel no solo puede detectar el entorno. «También queremos asegurarnos de que permite la interacción hombre-máquina», comenta Gao. Para lograrlo, el equipo desarrolló un programa de inteligencia artificial que establece una conexión entre dos parches de piel electrónica, uno colocado sobre un robot y, el otro, en un ser humano. El proceso de impresión es escalable, por lo que los investigadores pudieron imprimir un parche del tamaño de la punta de un dedo para una mano robótica y otro más grande para el antebrazo de una persona.

Gracias a la piel, el robot podía «sentir» la fuerza con la que agarraba un objeto y detectar si estaba recubierto de ciertas sustancias. Entretanto, las personas eran capaces de controlar a distancia el robot conectado y de percibir las señales eléctricas de la máquina cuando hallaba esas sustancias. Los autores afirman que, en un futuro, una interacción así podría permitir que un robot ocupase el lugar de un controlador humano (a modo de avatar físico) en lugares inhóspitos para las personas.

El proyecto de Gao requería un dispositivo externo para procesar los datos generados por los sensores de la piel electrónica. Emplearon varias capas de tinta metálica a fin de detectar, estabilizar y transmitir de forma inalámbrica esos datos a un ordenador o teléfono cercano. Pero esa no es la única forma en que una piel robótica puede analizar la información que recoge. Otros laboratorios trabajan en pieles que examinan la información por sí mismas, igual que nuestro sistema nervioso.

Dahiya se inspiró en la piel humana para procesar los datos de su piel electrónica, como se describe en dos artículos publicados en Science Robotics, también publicados en junio. A partir de componentes electrónicos básicos, como transistores y condensadores, «podemos desarrollar algo análogo a un sistema nervioso periférico», refiere.

En su sistema, las señales captadas por los sensores no se envían al procesador central hasta que superan cierto umbral, lo que reduce los datos transmitidos en un momento dado. «No es posible enviar una cantidad ilimitada de información», subraya Dahiya. «Si queremos tranferir un gran volumen de datos, hace falta algún mecanismo para que hagan cola mientras se transmiten los que van delante.»

Dahiya alude a un sensor táctil desarrollado por su grupo que emplea pequeños transistores (dispositivos que controlan el flujo de electricidad hacia y desde otros componentes electrónicos) para lograr que la piel robótica sienta y aprenda. Al presionar los transistores se induce un cambio en la corriente eléctrica que permite que el robot «sienta» esa presión. Con el tiempo, la máquina puede adaptar sus respuestas al nivel de presión detectado. «Se trata de transistores similares a las neuronas, que pueden aprender y adaptarse», asegura. La piel electrónica aprende el equivalente robótico del dolor, añade, de modo que no transmitirá la señal hasta que sienta algo «doloroso».

Además de controlar robots a distancia o enseñarles a adaptarse a su entorno, las pieles electrónicas podrían tener muchas otras aplicaciones. «Buena parte de las posibilidades no tienen que ver con los robots», opina Carmel Majidi, ingeniero mecánico de la Universidad Carnegie Mellon cuyo laboratorio se especializa en el desarrollo de materiales blandos para dispositivos electrónicos compatibles con el ser humano.

Majidi prevé que las pieles electrónicas no solo constituirán buenos sensores para los robots, sino también para objetos más mundanos. Podrían convertirse en la base de almohadillas táctiles blandas y flexibles para dispositivos electrónicos interactivos, así como de prendas de ropa o tapicerías sensibles a las temperaturas extremas y otras condiciones ambientales. También podrían ser útiles en medicina. «La idea es que esas pieles robóticas sean como pegatinas que, nada más adherirse al cuerpo, permitan realizar un seguimiento de las constantes vitales», explica Majidi.

Por lo que se refiere a usos comerciales, los prototipos actuales de pieles electrónicas aún deben resolver algunos problemas. Uno importante es la durabilidad, señala Gao. «Se producen muchos avances y los investigadores están cada vez más cerca [del objetivo]», asegura. «Pero uno de los principales retos [de las pieles electrónicas] es su fiabilidad y robustez a largo plazo.» A pesar de esas dificultades, Gao cree que podríamos ver pieles robóticas en entornos industriales de aquí a cinco años.

«En realidad, el factor limitante no es tanto la piel robótica (dado que las técnicas ya existen), sino más bien la demanda», apunta Majidi en relación con la disponibilidad comercial. «Todavía no hay robots en nuestros hogares.» Pero, dadas todas las posibles aplicaciones de la piel electrónica, Majidi considera crucial colaborar con personas ajenas a la ingeniería. «Quien no sea especialista en robótica o ingeniero no debe pensar que existen grandes barreras para participar en este campo», señala.

Majidi sugiere que esos colaboradores potenciales podrían ser personas que usan una prótesis a la que se le podría añadir una piel electrónica con sensores, o aquellas que padezcan una enfermedad crónica y pudieran beneficiarse de un seguimiento continuo a través de un parche.

«La robótica blanda es muy interdisciplinaria», concluye. «No hace falta sacerse un título en un departamento de ingeniería o un instituto de robótica para hacer aportaciones importantes y conseguir que se adopten en la vida real.»

Fionna M. D. Samuels

Referencias: «All-printed soft human-machine interface for robotic physicochemical sensing», You Yu et al. en Science Robotics, vol. 7, 1 de junio de 2022; «Printed synaptic transistor–based electronic skin for robots to feel and learn», Fengyuan Liu et al. en Science Robotics, vol. 7, 1 de junio de 2022; «Neuro-inspired electronic skin for robots», Fengyuan Liu et al. en Science Robotics, vol. 7, 8 de junio de 2022.

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