Un dedo humano toca un dedo robótico, revestido con piel artificial. Imagen: Bao Lab. Fuente: Universidad Stanford.
Ingenieros de la Universidad Stanford (California, EE.UU.) han creado una "piel" de plástico que puede detectar la fuerza con la que está siendo presionada y generar una señal eléctrica para enviar esta información sensorial directamente a una célula de cerebro viva.
Zhenan Bao, profesora de ingeniería química en Stanford, ha pasado una década tratando de desarrollar un material que imite la capacidad de la piel para flexionarse y sanar, al tiempo que sirva como red de sensores que envía señales táctiles, de temperatura y de dolor al cerebro. En última instancia quiere crear un tejido electrónico flexible con sensores integrados que pueda cubrir una prótesis y replicar algunas de las funciones sensoriales de la piel.
El trabajo de Bao, publicado en Science, da un paso más hacia su objetivo mediante la replicación de un aspecto del tacto, el mecanismo sensorial que nos permite distinguir la diferencia de presión entre un apretón de manos débil y un agarre firme.
"Esta es la primera vez que un material flexible, similar a la piel, ha sido capaz de detectar la presión y también transmitir una señal a un componente del sistema nervioso", dice Bao, que dirigió el equipo de investigación de 17 personas responsables del logro, en la información de Stanford.
Benjamin Tee, reciente doctor en ingeniería eléctrica; Alex Chortos, doctorando en ciencia de materiales e ingeniería; y Andre Berndt, postdoc en bioingeniería, son los autores principales del artículo.
Capas
El corazón de la técnica es una construcción de plástico de dos capas: la capa superior crea un mecanismo de detección y la capa inferior actúa como el circuito para transportar señales eléctricas y traducirlas en estímulos bioquímicos compatibles con las células nerviosas. La capa superior en este nuevo trabajo contó con un sensor que puede detectar la presión en el mismo rango que la piel humana, de un ligero golpe con el dedo a un firme apretón de manos.
Hace cinco años, los miembros del equipo de Bao describieron por primera vez cómo utilizar plásticos y cauchos como sensores de presión mediante la medición de la elasticidad natural de sus estructuras moleculares. A continuación incrementaron esta sensibilidad natural a la presión creando un patrón de gofre en el delgado plástico, que comprime aún más los resortes moleculares del mismo.
Para explotar esta capacidad de detectar la presión electrónicamente, el equipo dispersó miles de millones de nanotubos de carbono a lo largo del plástico gofreado. Poner presión sobre el plástico aprieta los nanotubos entre sí y les permite conducir la electricidad.
Esto permitió que el sensor de plástico imitara la piel humana, transmitiendo información de presión al cerebro en forma de pulsos cortos de electricidad, similares al código Morse. El aumento de presión sobre los nanotubos les acerca entre sí, permitiendo que más electricidad fluya a través del sensor, y los impulsos se envíen como pulsos cortos al mecanismo de detección. Si se quita la presión y el flujo de pulsos se relaja, quiere decir que el toque es ligero. Si se quita toda la presión, los pulsos cesan por completo.
Posteriormente, el equipo enganchó este mecanismo de detección de presión a la segunda capa de la piel artificial, un circuito electrónico flexible que podía llevar impulsos eléctricos a las células nerviosas.
Zhenan Bao, profesora de ingeniería química en Stanford, ha pasado una década tratando de desarrollar un material que imite la capacidad de la piel para flexionarse y sanar, al tiempo que sirva como red de sensores que envía señales táctiles, de temperatura y de dolor al cerebro. En última instancia quiere crear un tejido electrónico flexible con sensores integrados que pueda cubrir una prótesis y replicar algunas de las funciones sensoriales de la piel.
El trabajo de Bao, publicado en Science, da un paso más hacia su objetivo mediante la replicación de un aspecto del tacto, el mecanismo sensorial que nos permite distinguir la diferencia de presión entre un apretón de manos débil y un agarre firme.
"Esta es la primera vez que un material flexible, similar a la piel, ha sido capaz de detectar la presión y también transmitir una señal a un componente del sistema nervioso", dice Bao, que dirigió el equipo de investigación de 17 personas responsables del logro, en la información de Stanford.
Benjamin Tee, reciente doctor en ingeniería eléctrica; Alex Chortos, doctorando en ciencia de materiales e ingeniería; y Andre Berndt, postdoc en bioingeniería, son los autores principales del artículo.
Capas
El corazón de la técnica es una construcción de plástico de dos capas: la capa superior crea un mecanismo de detección y la capa inferior actúa como el circuito para transportar señales eléctricas y traducirlas en estímulos bioquímicos compatibles con las células nerviosas. La capa superior en este nuevo trabajo contó con un sensor que puede detectar la presión en el mismo rango que la piel humana, de un ligero golpe con el dedo a un firme apretón de manos.
Hace cinco años, los miembros del equipo de Bao describieron por primera vez cómo utilizar plásticos y cauchos como sensores de presión mediante la medición de la elasticidad natural de sus estructuras moleculares. A continuación incrementaron esta sensibilidad natural a la presión creando un patrón de gofre en el delgado plástico, que comprime aún más los resortes moleculares del mismo.
Para explotar esta capacidad de detectar la presión electrónicamente, el equipo dispersó miles de millones de nanotubos de carbono a lo largo del plástico gofreado. Poner presión sobre el plástico aprieta los nanotubos entre sí y les permite conducir la electricidad.
Esto permitió que el sensor de plástico imitara la piel humana, transmitiendo información de presión al cerebro en forma de pulsos cortos de electricidad, similares al código Morse. El aumento de presión sobre los nanotubos les acerca entre sí, permitiendo que más electricidad fluya a través del sensor, y los impulsos se envíen como pulsos cortos al mecanismo de detección. Si se quita la presión y el flujo de pulsos se relaja, quiere decir que el toque es ligero. Si se quita toda la presión, los pulsos cesan por completo.
Posteriormente, el equipo enganchó este mecanismo de detección de presión a la segunda capa de la piel artificial, un circuito electrónico flexible que podía llevar impulsos eléctricos a las células nerviosas.
Importación de la señal
El equipo de Bao ha estado desarrollando electrónica flexible que puede doblarse sin romperse. Para este proyecto, los miembros del equipo trabajaron con investigadores de Parc, una compañía de Xerox, que cuenta con una tecnología que utiliza una impresora de inyección de tinta para depositar circuitos flexibles en plástico. Cubrir una superficie grande es importante para hacer piel artificial práctica, y la colaboración de Parc ofreció esa posibilidad.
Por último, el equipo tuvo que probar que la señal electrónica puede ser reconocida por una neurona biológica. Lo hizo mediante la adaptación de una técnica desarrollada por Karl Deisseroth, profesor de bioingeniería en Stanford, que fue pionero en un campo que combina la genética y la óptica, llamado optogenética. Los investigadores rediseñan células para que sean sensibles a frecuencias de luz específicas, y a continuación, utilizan pulsos de luz para apagar o encender las células o los procesos que ocurren dentro de ellas.
Para este experimento los miembros del equipo diseñaron una línea de neuronas que simulan una parte del sistema nervioso humano. Tradujeron las señales de presión electrónicas de la piel artificial en impulsos de luz, que activaron las neuronas, lo que demuestra que la piel artificial podría generar una emisión sensorial compatible con las células nerviosas.
La optogenética fue utilizada solamente como prueba de concepto, dice Bao, y es posible que utilicen otros métodos de estimulación de los nervios en dispositivos protésicos reales. El equipo de Bao ya ha trabajado con Bianxiao Cui, profesora de química en Stanford, para demostrar que la estimulación directa de las neuronas con pulsos eléctricos es posible.
El equipo de Bao prevé el desarrollo de diferentes sensores para replicar, por ejemplo, la capacidad de distinguir la pana frente a la seda (textura), o un vaso de agua fría de una taza de café caliente (temperatura). Esto tomará tiempo. Hay seis tipos de mecanismos biológicos de detección en la mano del ser humano, y el experimento descrito en Science ha tenido éxito en tan sólo uno de ellos.
Pero el enfoque de dos capas actual significa que el equipo puede añadir sensaciones a medida que desarrolla nuevos mecanismos. Y el proceso de fabricación por impresión con inyección de tinta sugiere cómo una red de sensores podría depositarse sobre una capa flexible y plegada sobre una prótesis de mano.
"Tenemos mucho trabajo para llevar esto desde los experimental a las aplicaciones prácticas", dice Bao. "Pero después de pasar muchos años con este trabajo, ahora veo un camino claro para llegar a nuestra piel artificial."
Precedentes
Otros grupos de investigación han desarrollado pieles artificiales, como los del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Ulsan (UNIST), de la República de Corea, que informaron hace un año de haber creado una piel capaz de detectar no solo la presión, sino también en qué dirección viene esta.
Además, hace unos meses se dio a conocer una técnica pionera desarrollada en la Universidad de Exeter, en el Reino Unido, que permite una producción de bajo coste y alta calidad del grafeno, que favoreció el desarrollo del primer sensor táctil para crear una piel electrónica verdaderamente flexible.
El equipo de Bao ha estado desarrollando electrónica flexible que puede doblarse sin romperse. Para este proyecto, los miembros del equipo trabajaron con investigadores de Parc, una compañía de Xerox, que cuenta con una tecnología que utiliza una impresora de inyección de tinta para depositar circuitos flexibles en plástico. Cubrir una superficie grande es importante para hacer piel artificial práctica, y la colaboración de Parc ofreció esa posibilidad.
Por último, el equipo tuvo que probar que la señal electrónica puede ser reconocida por una neurona biológica. Lo hizo mediante la adaptación de una técnica desarrollada por Karl Deisseroth, profesor de bioingeniería en Stanford, que fue pionero en un campo que combina la genética y la óptica, llamado optogenética. Los investigadores rediseñan células para que sean sensibles a frecuencias de luz específicas, y a continuación, utilizan pulsos de luz para apagar o encender las células o los procesos que ocurren dentro de ellas.
Para este experimento los miembros del equipo diseñaron una línea de neuronas que simulan una parte del sistema nervioso humano. Tradujeron las señales de presión electrónicas de la piel artificial en impulsos de luz, que activaron las neuronas, lo que demuestra que la piel artificial podría generar una emisión sensorial compatible con las células nerviosas.
La optogenética fue utilizada solamente como prueba de concepto, dice Bao, y es posible que utilicen otros métodos de estimulación de los nervios en dispositivos protésicos reales. El equipo de Bao ya ha trabajado con Bianxiao Cui, profesora de química en Stanford, para demostrar que la estimulación directa de las neuronas con pulsos eléctricos es posible.
El equipo de Bao prevé el desarrollo de diferentes sensores para replicar, por ejemplo, la capacidad de distinguir la pana frente a la seda (textura), o un vaso de agua fría de una taza de café caliente (temperatura). Esto tomará tiempo. Hay seis tipos de mecanismos biológicos de detección en la mano del ser humano, y el experimento descrito en Science ha tenido éxito en tan sólo uno de ellos.
Pero el enfoque de dos capas actual significa que el equipo puede añadir sensaciones a medida que desarrolla nuevos mecanismos. Y el proceso de fabricación por impresión con inyección de tinta sugiere cómo una red de sensores podría depositarse sobre una capa flexible y plegada sobre una prótesis de mano.
"Tenemos mucho trabajo para llevar esto desde los experimental a las aplicaciones prácticas", dice Bao. "Pero después de pasar muchos años con este trabajo, ahora veo un camino claro para llegar a nuestra piel artificial."
Precedentes
Otros grupos de investigación han desarrollado pieles artificiales, como los del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Ulsan (UNIST), de la República de Corea, que informaron hace un año de haber creado una piel capaz de detectar no solo la presión, sino también en qué dirección viene esta.
Además, hace unos meses se dio a conocer una técnica pionera desarrollada en la Universidad de Exeter, en el Reino Unido, que permite una producción de bajo coste y alta calidad del grafeno, que favoreció el desarrollo del primer sensor táctil para crear una piel electrónica verdaderamente flexible.
Referencia bibliográfica:
B.C.K. Tee et al.: A skin-inspired organic digital mechanoreceptor. Science (2015). DOI: 10.1126/science.aaa9306.
B.C.K. Tee et al.: A skin-inspired organic digital mechanoreceptor. Science (2015). DOI: 10.1126/science.aaa9306.