Preguntas y respuestas:Fabricación ultrarrápida de sensores portátiles

Ying Zhong, profesora asistente de ingeniería mecánica en la Universidad del Sur de Florida, y su equipo han inventado una nueva forma de imprimir sensores portátiles sin aglutinantes de polímeros. Llaman a su producto e-skin.

Resúmenes técnicos :¿Qué le dio la idea de utilizar la fuerza electrostática para imprimir sensores flexibles?

Profesor Ying Zhong: Teníamos algunos colaboradores que estaban fabricando dispositivos flexibles, imprimiéndolos con serigrafía. Eso significa que debe mezclar polvos funcionales con aglutinantes, calentarlos y esperar a que se sequen, lo que lleva mucho tiempo. Por lo tanto, buscábamos formas de imprimir más rápidamente, sin calentar ni secar.

Estuve trabajando en otro proyecto interesante:utilizar la descarga de corona para tratar la superficie de las películas de polímero. Nos dimos cuenta de que la corona podía generar un tipo único de fuerte campo eléctrico que podíamos usar para levantar objetos pequeños. Eso hizo que nos preguntáramos si sería posible colocar polvos secos debajo de la película para atraer los polvos directamente al sustrato. Lo probamos y funcionó.

Descubrimos un problema y nos dimos cuenta de que una tecnología en la que ya estábamos trabajando podría ser la solución.

Resúmenes técnicos: Creo que esa es la forma en que a menudo ocurre el progreso en tecnología. Mi siguiente pregunta es que una vez que las partículas son atraídas por el sustrato, ¿cómo se mantienen allí?

Zhong: Como describimos en nuestro artículo publicado, estamos utilizando cinta médica de ocho micrómetros de espesor, que tiene una capa adhesiva para sujetar las partículas. Es tan delgado que cuando lo adhieres a tu piel, no lo sientes.

Resúmenes técnicos: ¿Cómo incorporaría diferentes tipos de sensores cuando esté fabricando esto?

Zhong: Esta tecnología de impresión es "universal":puede imprimir diferentes tipos de materiales funcionales. Entonces, por ejemplo, podemos usar grafeno o nanotubos de carbono (CNT), que cambian la resistividad para reflejar el cambio en la tensión. El mecanismo de trabajo es que la tensión cambia la distancia entre las partículas, provocando un cambio en la resistencia que refleja la magnitud de la tensión en el sensor.

También hemos informado sobre un sensor de temperatura basado en polvos termocrómicos en nuestro artículo. Como dije, esta es una tecnología de impresión universal:puede imprimir diferentes tipos de materiales funcionales. Ahora estamos demostrando que podemos imprimir tatuajes sensibles a la temperatura que cambian de color cuando cambia la temperatura. También estamos tratando de imprimir materiales que puedan ser sensibles a la humedad y a diferentes tipos de gases como el amoníaco, el monóxido de carbono y otros.

Resúmenes técnicos: ¿Ha pensado en cómo podría implementarse comercialmente? Me parece que tendrías que construir un tipo de impresora 3D completamente diferente.

Zhong: Sí, actualmente estamos colaborando con Jabil, Inc. para construir un sistema de rollo a rollo, que puede permitirle fabricar dispositivos a alta velocidad. Como no usamos aglutinantes, no tenemos que aplicar calor y luego esperar a que el material se seque. Eso significa que mediante el uso de este sistema de rollo a rollo para imprimir, para generar la fuerza electrostática, podemos fabricar dispositivos flexibles e incluso estructuras 3D a un ritmo rápido y a bajo costo.

Resúmenes técnicos: ¿Es difícil generar y manejar el alto voltaje necesario para producir corona?

Zhong: Aunque necesitamos de 20 a 30 kilovoltios para generar la corona, la corriente es muy baja, inferior a 0,1 mA (nuestro equipo de laboratorio usa menos de 2 vatios de potencia), es muy eficiente energéticamente.

Resúmenes técnicos: ¿Es un problema asegurarse de que el alto voltaje no pueda causar daño?

Zhong: Bueno, por supuesto, debe administrar el sistema y cubrir todas las áreas conductoras circundantes. Según nuestras observaciones, siempre que cubra el soporte del electrodo con capas aislantes, debería funcionar muy bien; no tuvimos demasiados problemas con eso.

Resúmenes técnicos: ¿Qué tipo de material usas para la portada?

Zhong: Por ahora, en nuestro laboratorio simplemente estamos usando cintas aislantes. En el futuro, estamos planeando crear un recubrimiento de superficie mejor controlado o soportes aislantes, lo que se puede hacer fácilmente. Podemos usar polímeros para realizar el recubrimiento e impresoras 3D para fabricar el prototipo. Tenemos varios proyectos relacionados con polímeros en mi laboratorio, por lo que debería ser fácil.

Resúmenes técnicos: ¿Tiene otras aplicaciones en mente además de su sensor de tensión "e-skin"?

Zhong: Sí, por ejemplo, hemos estado hablando con una empresa sobre la fabricación de alfombras inteligentes con detección de tensión, lo que se vuelve práctico porque la nuestra es una tecnología de fabricación ultrarrápida y de muy bajo costo que se puede usar para imprimir productos de gran superficie. La idea es producir una alfombra que pueda identificar cuántas personas están de pie sobre ella. Entonces podría, por ejemplo, ajustar el consumo de energía del sistema HVAC en función del número de ocupantes de una habitación.

También estamos colaborando con un colega en una aplicación para la rehabilitación física. Nuestro colega trabaja con personas que tienen dificultad para controlar el comportamiento de sus piernas. Debido a que nuestro sensor es ultradelgado, es muy cómodo y puede hacerlo lo suficientemente grande como para usarlo. Eso podría usarse para ayudarlos a identificar cómo pueden controlar mejor el comportamiento de sus piernas.

Hay muchas posibles aplicaciones futuras. Por ejemplo, podría adjuntarlo a la mano de un robot. Si desea que recoja algo, podría sentir cuánta presión se aplica y con qué área está en contacto.

Resúmenes técnicos: ¿Tiene una estimación aproximada de cuándo podría estar listo para uso comercial?

Zhong: En este momento, estamos trabajando con Jabil para configurar un pequeño sistema de rollo a rollo en nuestro laboratorio. Si funciona bien, lo instalaremos en Jabil y les ayudaremos a fabricar sensores en grandes cantidades o de gran tamaño. Eso puede tomar de tres a cinco años, pero especialmente en estos días, es difícil de predecir.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de enero de 2022 de Tech Briefs.