La piel electrónica anticipa y percibe el tacto desde diferentes direcciones por primera vez

Un equipo de investigación de Chemnitz y Dresden ha dado un gran paso adelante en el desarrollo de una piel electrónica sensible (e-skin) con pelos artificiales integrados. Las pieles electrónicas son sistemas electrónicos flexibles que intentan imitar la sensibilidad de sus homólogos de piel humana natural. Las aplicaciones van desde reemplazo de piel y sensores médicos en el cuerpo hasta piel artificial para robots humanoides y androides.

Los pequeños vellos de la superficie pueden percibir y anticipar la más mínima sensación táctil en la piel humana e incluso reconocer la dirección del tacto. Los sistemas de piel electrónicos modernos carecen de esta capacidad y no pueden recopilar esta información crítica sobre su entorno.

El equipo de investigación ha explorado una nueva vía para desarrollar sensores de campo magnético 3D extremadamente sensibles y dependientes de la dirección que se pueden integrar en un sistema e-skin (matriz activa). El equipo utilizó un enfoque completamente nuevo para la miniaturización y la integración de conjuntos de dispositivos 3D y dio un gran paso hacia la imitación del tacto natural de la piel humana. Los investigadores han publicado sus resultados en la revista Nature Communications.

Christian Becker, primer autor del estudio, dijo:“Nuestro enfoque permite una disposición espacial precisa de elementos sensores funcionales en 3D que se pueden producir en masa en un proceso de fabricación paralelo. Dichos sistemas de sensores son extremadamente difíciles de generar mediante métodos de fabricación microelectrónicos establecidos”.

El núcleo del sistema de sensores presentado por el equipo de investigación es un sensor de magnetorresistencia anisotrópica (AMR). Se puede usar un sensor AMR para determinar con precisión los cambios en los campos magnéticos. Actualmente se utilizan, por ejemplo, como sensores de velocidad en automóviles o para determinar la posición y el ángulo de los componentes móviles en una variedad de máquinas.

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Para desarrollar el sistema de sensor altamente compacto, los investigadores aprovecharon el llamado "proceso de micro-origami". Este proceso se utiliza para plegar los componentes del sensor AMR en arquitecturas tridimensionales que pueden resolver el campo vectorial magnético en tres dimensiones.

El microorigami permite que una gran cantidad de componentes microelectrónicos encajen en un espacio pequeño y los organicen en una geometría que no se puede lograr con ninguna tecnología de microfabricación convencional. "Los procesos de microorigami se desarrollaron hace más de 20 años, y es maravilloso ver cómo ahora se puede explotar todo el potencial de esta elegante tecnología para aplicaciones microelectrónicas novedosas", dijo el profesor Oliver G. Schmidt.

El equipo de investigación integró la matriz de sensores magnéticos de microorigami 3D en una sola matriz activa, donde cada sensor individual puede ser direccionado y leído convenientemente por circuitos microelectrónicos. “La combinación de sensores magnéticos de matriz activa con arquitecturas de microorigami autoensamblables es un enfoque completamente nuevo para miniaturizar e integrar sistemas de detección 3D de alta resolución”, dijo el Dr. Daniil Karnaushenko, quien contribuyó decisivamente al concepto, diseño y implementación del proyecto.

El equipo de investigación logró integrar los sensores de campo magnético 3D con pelos finos enraizados magnéticamente en una piel electrónica artificial. La piel electrónica está hecha de un material elastomérico en el que se incrustan la electrónica y los sensores, similar a la piel orgánica, que se entrelaza con los nervios.

Cuando el cabello se toca y se dobla, los sensores magnéticos 3D subyacentes pueden detectar el movimiento y la posición exacta de la raíz magnética. Por lo tanto, la matriz de sensores no solo puede registrar el movimiento desnudo del cabello, sino que también determina la dirección exacta del movimiento. Al igual que con la piel humana real, cada cabello en una piel electrónica se convierte en una unidad sensora completa que puede percibir y detectar cambios en las inmediaciones.

El acoplamiento magnetomecánico entre el sensor magnético 3D y la raíz magnética del cabello en tiempo real proporciona un nuevo tipo de percepción sensible al tacto. Esta capacidad es de gran importancia cuando los humanos y los robots trabajan en estrecha colaboración. Por ejemplo, el robot puede detectar interacciones con un compañero humano con mucha antelación con muchos detalles justo antes de que se produzca un contacto previsto o una colisión no deseada.