Los sensores piezoeléctricos flexibles son esenciales para monitorear los movimientos tanto de humanos como de robots humanoides. Sin embargo, los diseños existentes son caros o tienen una sensibilidad limitada. En un estudio reciente, investigadores japoneses abordaron estos problemas desarrollando un novedoso material compuesto piezoeléctrico hecho de nanofibras electrohiladas de fluoruro de polivinilideno combinadas con dopamina. Los sensores fabricados con este material mostraron mejoras significativas en el rendimiento y la estabilidad a un costo menor, lo que promete avances en medicina, atención médica y robótica.
El mundo está avanzando rápidamente hacia la era inteligente, una fase de la historia que aprovecha tecnologías como la inteligencia artificial y la robótica para aumentar la automatización y la interconectividad. Como requisito fundamental a veces pasado por alto en esta transformación, los sensores representan una interfaz esencial entre los humanos, las máquinas y su entorno.
Sin embargo, ahora que los robots se están volviendo más ágiles y la electrónica portátil ya no está confinada a la ciencia ficción, los sensores tradicionales basados en silicio no serán suficientes en muchas aplicaciones. Así, los sensores flexibles, que proporcionan mayor comodidad y mayor versatilidad, se han convertido en un área de estudio muy activa. Los sensores piezoeléctricos son particularmente importantes a este respecto, ya que pueden convertir la tensión mecánica y el estiramiento en señales eléctricas. A pesar de varios enfoques prometedores, faltan métodos ambientalmente sostenibles para fabricar sensores piezoeléctricos flexibles y de alto rendimiento a gran escala a bajo costo.
En este contexto, un equipo de investigación de la Universidad Shinshu (Japón) decidió aceptar el desafío y mejorar el diseño del sensor piezoeléctrico flexible utilizando una técnica de fabricación bien establecida: el electrohilado. Su último estudio, dirigido por el distinguido profesor Ik Su Kim junto con Junpeng Xiang, Ling Wang, Mayakrishnan Gopiraman y Jian Shi, se publicó en la revista el 2 de mayo de 2024. Comunicaciones de la naturaleza.
El diseño de sensor flexible propuesto implica el electrohilado gradual de una membrana compuesta de nanofibras 2D. En primer lugar, se hilan nanofibras de fluoruro de polivinilideno (PVDF) con un diámetro de 200 nm, formando una red fuerte y uniforme que sirve de base para el sensor piezoeléctrico. Luego, se hilan nanofibras ultrafinas de PVDF con diámetros inferiores a 35 nm sobre la base preexistente. Estas fibras se conectan automáticamente entre los espacios de la red base, creando una topología 2D característica.
Después de caracterizarla mediante experimentos, simulaciones y análisis teóricos, los investigadores descubrieron que la red compuesta de PVDF resultante tenía una orientación mejorada del cristal beta. Al aumentar la fase polar, responsable del efecto piezoeléctrico encontrado en el material PVDF, se mejoró significativamente el rendimiento piezoeléctrico de los sensores. Para aumentar aún más la estabilidad del material, los investigadores introdujeron dopamina (DA) durante el proceso de electrohilado, lo que creó una estructura protectora núcleo-cubierta.
“El sensor fabricado con membranas compuestas de PVDF/DA mostró un rendimiento excelente, con un amplio rango de respuesta de 1,5 a 40 N, una alta sensibilidad de 7,29 V/N para fuerzas débiles en el rango de 0 a 4 N e incluye un excelente funcionamiento estabilidad”, comenta Kim. Estas extraordinarias propiedades se demostraron al medir una amplia variedad de movimientos humanos utilizando un práctico sensor portátil. Más específicamente, los sensores propuestos, cuando los usan humanos, pueden generar respuestas de voltaje fácilmente distinguibles a movimientos naturales y señales fisiológicas. Esto incluye golpear con los dedos de los pies, doblar rodillas y codos, patear e incluso hablar y golpear las muñecas.
Dada la potencial producción en masa de bajo coste de estos sensores piezoeléctricos, con el uso de materiales orgánicos respetuosos con el medio ambiente en lugar de materiales inorgánicos nocivos, este estudio tiene importantes implicaciones tecnológicas no sólo para el seguimiento y el diagnóstico de la salud, sino también para la robótica. “A pesar de los desafíos actuales, los robots humanoides están preparados para desempeñar un papel cada vez más importante en el futuro cercano. Por ejemplo, el conocido robot Tesla ‘Optimus’ ya puede imitar los movimientos humanos y caminar como un humano”, dice Kim. Teniendo en cuenta que actualmente se utilizan sensores de alta tecnología para el seguimiento del movimiento de los robots, nuestro sensor piezoeléctrico avanzado basado en nanofibras propuesto no sólo es para el seguimiento del movimiento humano, sino también en el campo de la robótica humanoide. También tienen un gran potencial”.
Para facilitar la adopción de estos sensores, el equipo de investigación se centrará en mejorar las propiedades de salida eléctrica del material para que los componentes electrónicos flexibles puedan funcionar sin la necesidad de una fuente de energía externa. Se espera que nuevos avances en este campo aceleren nuestro progreso hacia la era inteligente, lo que conducirá a vidas más cómodas y sostenibles.
