Sensores invisibles y ecológicos montados en piel inspirados en seda de araña

Andrew Corselli

Sensores impresos en dedos humanos. (Imagen: Huang Lab, Cambridge)

Innovación en bioelectrónica imperceptible

Investigadores han desarrollado un método para hacer sensores adaptativos y ecológicos que pueden imprimirse directa e imperceptiblemente en una amplia gama de superficies biológicas, ya sea un dedo o un pétalo de flor.

El método, desarrollado por investigadores de la Universidad de Cambridge, toma su inspiración de la seda de araña, que puede conformarse y adherirse a una gama de superficies. Estas "sedas de araña" también incorporan bioelectrónica, para que diferentes capacidades de detección puedan agregarse a la "red".

"Uno de los mayores desafíos fue salir de los métodos de fabricación existentes e idear un mecanismo de hilado para producir los sensores de fibra", dijo la Investigadora Principal y Profesora Yan Yan Shery Huang a Tech Briefs en una entrevista exclusiva.

Las fibras, al menos 50 veces más pequeñas que un cabello humano, son tan ligeras que los investigadores las imprimieron directamente sobre la cabeza de semillas esponjosa de un diente de león sin colapsar su estructura. Cuando se imprimen en piel humana, los sensores de fibra se conforman a la piel y exponen los poros del sudor, así que el usuario no detecta su presencia. Pruebas de las fibras impresas en un dedo humano sugieren que podrían usarse como monitores de salud continuos.

"La idea inicial fue inspirada por la combinación de pieles electrónicas y sedas de araña", agregó Huang.

Proceso de fabricación de bajo desperdicio y bajas emisiones

Este método de bajo desperdicio y bajas emisiones para aumentar estructuras vivas podría usarse en una gama de campos, desde atención médica y realidad virtual hasta textiles electrónicos y monitoreo ambiental. Los resultados se reportan en Nature Electronics.

"Primero se hace una solución acuosa que consiste en partículas conductoras, ácido hialurónico y un aglutinante polimérico", explicó Huang del proceso. "Esta solución se alimenta luego a la punta de una jeringa, donde se crea una diminuta gota colgante en la punta. Un brazo rotativo luego entra en contacto con la gota colgante, que estira la gota en una fibra sensora."

Ventajas sobre wearables tradicionales

Aunque la piel humana es notablemente sensible, aumentarla con sensores electrónicos podría cambiar fundamentalmente cómo interactuamos con el mundo alrededor de nosotros. Por ejemplo, sensores impresos directamente en la piel podrían usarse para monitoreo continuo de salud, para entender sensaciones de la piel, o podrían mejorar la sensación de 'realidad' en juegos o aplicaciones de realidad virtual.

Si bien tecnologías wearables con sensores embebidos, como smartwatches, están ampliamente disponibles, estos dispositivos pueden ser incómodos, intrusivos e inhibir las sensaciones intrínsecas de la piel.

Hay múltiples métodos para hacer sensores wearables, pero todos tienen inconvenientes. La electrónica flexible, por ejemplo, normalmente se imprime en películas plásticas que no permiten el paso de gas o humedad, así que sería como envolver tu piel en film plástico. Otros investigadores han desarrollado recientemente electrónica flexible que es permeable a gases, como pieles artificiales, pero estas aún interfieren con la sensación normal, y dependen de técnicas de fabricación intensivas en energía y desperdicio.

La impresión 3D es otra ruta potencial para bioelectrónica ya que es menos derrochadora que otros métodos de producción, pero conduce a dispositivos más gruesos que pueden interferir con el comportamiento normal. Hilar fibras electrónicas resulta en dispositivos imperceptibles para el usuario, pero no tienen un alto grado de sensibilidad o sofisticación, y son difíciles de transferir al objeto en cuestión.

Ahora, el equipo liderado por Cambridge ha desarrollado una nueva forma de hacer bioelectrónica de alto rendimiento que puede personalizarse a una amplia gama de superficies biológicas, desde la yema de un dedo hasta la cabeza de semillas esponjosa de un diente de león, imprimiéndolas directamente sobre esa superficie. Su técnica toma inspiración en parte de las arañas, que crean estructuras de red sofisticadas y fuertes adaptadas a su entorno, usando material mínimo.

Composición y método de hilado orbital

Los investigadores hililaron su 'seda de araña' bioelectrónica de PEDOT:PSS (un polímero conductor biocompatible), ácido hialurónico y óxido de polietileno. Las fibras de alto rendimiento se produjeron a partir de una solución acuosa a temperatura ambiente, lo que permitió a los investigadores controlar la 'hilabilidad' de las fibras. Los investigadores luego diseñaron un enfoque de hilado orbital para permitir que las fibras morfeen a superficies vivas, incluso hasta microestructuras como huellas dactilares.

Pruebas de las fibras bioelectrónicas, en superficies incluyendo dedos humanos y cabezas de semillas de diente de león, mostraron que proporcionaron rendimiento de sensor de alta calidad mientras eran imperceptibles para el huésped.

"El paso inmediato siguiente es establecer escenarios basados en aplicaciones, para determinar qué parte del sistema de sensores debe hacerse con fibras imperceptibles, y el resto puede usar dispositivos microfabricados/e-textiles existentes", anotó Huang.