Nueva Piel Electrónica con Pelos Artificiales Detecta y Anticipa Tacto Multidireccional

Un equipo de investigación de Chemnitz y Dresden ha dado un gran paso adelante en el desarrollo de piel electrónica sensible (e-skin) con pelos artificiales integrados. Las e-skins son sistemas electrónicos flexibles que intentan imitar la sensibilidad de sus contrapartes 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.

Pequeños pelos en la superficie pueden percibir y anticipar la más leve sensación táctil en la piel humana e incluso reconocer la dirección del tacto. Los sistemas modernos de piel electrónica 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 pueden integrarse en un sistema e-skin (matriz activa). El equipo usó un enfoque completamente nuevo para la miniaturización e integración de arrays de dispositivos 3D y dio un gran paso hacia la imitación del tacto natural de la piel humana. Los investigadores han reportado sus resultados en la revista Nature Communications.

Christian Becker, primer autor del estudio dijo: "Nuestro enfoque permite un arreglo espacial preciso de elementos sensores funcionales en 3D que pueden producirse en masa en un proceso de fabricación en paralelo. Tales sistemas sensores son extremadamente difíciles de generar por métodos establecidos de microfabricación electrónica."

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

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

Micro-origami permite que un gran número de componentes microelectrónicos quepan en un espacio pequeño y se organicen en una geometría que no es alcanzable por ninguna tecnología de microfabricación convencional. "Los procesos micro-origami se desarrollaron hace más de 20 años, y es maravilloso ver cómo el potencial completo de esta tecnología elegante ahora puede explotarse para aplicaciones microelectrónicas novedosas", dijo el Prof. Oliver G. Schmidt.

El equipo de investigación integró el array de sensores magnéticos 3D micro-origami en una sola matriz activa, donde cada sensor individual puede ser convenientemente direccionado y leído por circuitos microelectrónicos. "La combinación de sensores magnéticos de matriz activa con arquitecturas micro-origami 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 e implementación del proyecto.

El equipo de investigación ha logrado integrar los sensores de campo magnético 3D con pelos de raíz magnética en una e-skin artificial. La e-skin está hecha de un material elastomérico en el que la electrónica y sensores están embebidos —similar a la piel orgánica, que está entrelazada con nervios.

Cuando el pelo es tocado y se dobla, el movimiento y la posición exacta de la raíz magnética pueden ser detectados por los sensores magnéticos 3D subyacentes. La matriz de sensores por tanto no solo es capaz de registrar el movimiento desnudo del pelo, sino que también determina la dirección exacta del movimiento. Como con la piel humana real, cada pelo en una e-skin se convierte en una unidad sensora completa que puede percibir y detectar cambios en el entorno.

El acoplamiento magneto-mecánico entre sensor magnético 3D y raíz magnética de pelo en tiempo real proporciona un nuevo tipo de percepción táctil sensible. Esta capacidad es de gran importancia cuando humanos y robots trabajan estrechamente juntos. Por ejemplo, el robot puede detectar interacciones con un compañero humano con mucha antelación y muchos detalles justo antes de que un contacto intencionado o una colisión no intencionada vaya a tener lugar.