Cuando la mayoría de la gente escucha la palabra “cerámica”, piensa en tazas de café, azulejos del baño o macetas. No es así Frank Clemens. Para el líder del grupo de investigación del Laboratorio de Cerámica de Alto Rendimiento de Empa, la cerámica puede conducir electricidad, ser inteligente e incluso sentir. Clemens desarrolla junto con su equipo materiales sensores blandos basados en cerámica. Estos sensores pueden “detectar” temperatura, estrés, presión o humedad, por ejemplo, lo que los hace interesantes para su uso en medicina pero también en el campo de la robótica blanda.
Cerámica blanda: ¿cómo funciona? Los científicos de materiales como Clemens describen la cerámica como un material inorgánico no metálico que se crea mediante la aglomeración de partículas sueltas en un proceso de alta temperatura conocido como sinterización. La composición de la cerámica puede variar y, como resultado, sus propiedades cambian. Pero la cerámica y la porcelana no se ven por ningún lado en el laboratorio de Clemens. Los investigadores trabajan con materiales como el niobato de potasio y sodio y el óxido de zinc, pero también con partículas de carbono.
Ninguno de estos materiales es blando. Para convertirlos en sensores flexibles, los investigadores incrustaron partículas cerámicas en plástico estirable. “Trabajamos con los llamados sistemas altamente cargados”, afirma Clemens. “Tomamos una matriz de termoplástico y la rellenamos con tantas partículas cerámicas como sea posible sin comprometer la flexibilidad de la matriz”. Si esta matriz altamente cargada se estira, se comprime o se expone a fluctuaciones de temperatura, la distancia entre las partículas cerámicas cambia y con ello cambia la conductividad eléctrica del sensor. Clemens destaca que no es necesario rellenar toda la matriz con cerámica: mediante la impresión 3D, los investigadores también pueden integrar sensores cerámicos a modo de “nervio” en componentes flexibles.
Elegido e inteligente
La producción de sensores cerámicos blandos no es trivial. En general, los sensores blandos son sensibles al mismo tiempo a diferentes influencias ambientales, como la temperatura, el estrés y la humedad. “Si quieres utilizarlos en la práctica, necesitas saber qué estás midiendo”, dice Clemens. Su grupo de investigación ha logrado desarrollar sensores blandos que responden de forma muy selectiva sólo a la presión o a la temperatura. Los investigadores integraron estos sensores en una prótesis de mano. La prótesis “siente” la flexión de sus dedos y siente cuando toca una superficie cálida. Esta “sensibilidad” sería beneficiosa tanto para los dispositivos de agarre robóticos como para las prótesis humanas.
El equipo de Empa fue un paso más allá con el desarrollo de una suave “piel de robot”. Al igual que la piel humana, la piel plástica multicapa reacciona al tacto y a las diferencias de temperatura. Para analizar los datos complejos, los investigadores de Empa se asociaron con investigadores de la Universidad de Cambridge para desarrollar un modelo de IA y entrenarlo utilizando datos de alrededor de 4.500 mediciones. También recuerda a la cognición humana, ya que los impulsos nerviosos de nuestra piel se evalúan y extrapolan al cerebro.
En su proyecto más reciente, los investigadores pudieron combinar sensores cerámicos con músculos artificiales. Junto con investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Tokio, han desarrollado un robot biohíbrido que detecta su estado de contracción con la ayuda de un sensor piezorresistivo suave, biocompatible e integrado en el tejido. El trabajo fue publicado en la revista Advanced Intelligent Systems.
Colaboración segura entre humanos y máquinas
Frank Clemens afirma que el objetivo es que humanos y máquinas trabajen de forma segura y armoniosa. “Los sistemas robóticos actuales son grandes, complejos y muy robustos. Pueden resultar peligrosos para los humanos”, explica el investigador. Si en el futuro queremos compartir cada vez más nuestros lugares de trabajo con robots, estos deben reaccionar con rapidez y sensibilidad al tacto. “Si tocas accidentalmente a otra persona, automáticamente te alejas”, dice Clemens. “Queremos darle al robot ese reflejo”. Los investigadores buscan ahora socios industriales en el campo de los sistemas de agarre robóticos. Pero los sensores blandos también tienen demanda en medicina: el equipo completó recientemente un proyecto Innosuisse con la empresa IDUN Technologies, en el que desarrollaron electrodos flexibles para mediciones de ondas cerebrales.
El trabajo está lejos de terminar: los investigadores quieren hacer que sus sensores cerámicos blandos sean más sensibles e inteligentes. Se trata de combinar nuevos materiales cerámicos y polímeros blandos y mejorar sus propiedades sensoriales. El secreto del éxito reside en la interacción de estos dos componentes.
