Los ingenieros de Stanford han creado una "piel" de plástico que puede detectar qué tan duro se está presionando y generar una señal eléctrica para entregar esta entrada sensorial directamente a una célula cerebral viva.
Zhenan Bao, profesor de ingeniería química en Stanford, ha pasado una década tratando de desarrollar un material que imite la capacidad de la piel para flexionarse y curarse, al mismo tiempo que sirve como la red de sensores que envía señales de tacto, temperatura y dolor al cerebro.En última instancia, quiere crear un tejido electrónico flexible integrado con sensores que puedan cubrir una extremidad protésica y replicar algunas de las funciones sensoriales de la piel.
El trabajo de Bao, informado hoy en ciencia , da otro paso hacia su objetivo al replicar un aspecto del tacto, el mecanismo sensorial que nos permite distinguir la diferencia de presión entre un apretón de manos flojo y un agarre firme.
"Esta es la primera vez que un material flexible similar a la piel ha podido detectar la presión y también transmitir una señal a un componente del sistema nervioso", dijo Bao, quien dirigió el equipo de investigación de 17 personas responsables del logro.
Benjamin Tee, un recién graduado de doctorado en ingeniería eléctrica; Alex Chortos, un candidato a doctorado en ciencia e ingeniería de materiales; y Andre Berndt, un erudito postdoctoral en bioingeniería, fueron los autores principales del ciencia papel
toque de digitalización
El corazón de la técnica es una construcción plástica 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 elEl nuevo trabajo presentó un sensor que puede detectar la presión en el mismo rango que la piel humana, desde un ligero toque de dedo hasta un firme apretón de manos.
Hace cinco años, los miembros del equipo de Bao describieron por primera vez cómo usar plásticos y gomas como sensores de presión midiendo la elasticidad natural de sus estructuras moleculares. Luego aumentaron esta sensibilidad a la presión natural al aplicar un patrón de waffle en el plástico delgado, que comprime aún máslos resortes moleculares del plástico
Para explotar electrónicamente esta capacidad de detección de presión, el equipo dispersó miles de millones de nanotubos de carbono a través del plástico ondulado. Al presionar el plástico, los nanotubos se juntan más y les permite conducir electricidad.
Esto permitió que el sensor de plástico imitara la piel humana, que transmite información de presión como pulsos cortos de electricidad, similar al código Morse, al cerebro. El aumento de la presión sobre los nanotubos ondulados los aprieta aún más, permitiendo que fluya más electricidad a través delsensor, y esos impulsos variados se envían como impulsos cortos al mecanismo de detección. Elimine la presión, y el flujo de impulsos se relaja, lo que indica un ligero toque. Elimine toda la presión y los impulsos cesen por completo.
El equipo luego conectó este mecanismo de detección de presión a la segunda capa de su piel artificial, un circuito electrónico flexible que podría transportar pulsos de electricidad a las células nerviosas.
Importando la señal
El equipo de Bao ha estado desarrollando dispositivos electrónicos flexibles que pueden 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.la superficie es importante para hacer que la piel artificial sea práctica, y la colaboración de PARC ofreció esa perspectiva.
Finalmente, el equipo tuvo que demostrar que la señal electrónica podía ser reconocida por una neurona biológica. Lo hizo mediante la adaptación de una técnica desarrollada por Karl Deisseroth, profesor de bioingeniería en Stanford, pionero en un campo que combina genética y óptica, llamadooptogenética: los investigadores bioingenierian las células para hacerlas sensibles a frecuencias específicas de luz, luego usan pulsos de luz para cambiar las células, o los procesos que se llevan a cabo dentro de ellas, de vez en cuando.
Para este experimento, los miembros del equipo diseñaron una línea de neuronas para simular una porción del sistema nervioso humano. Tradujeron las señales electrónicas de presión de la piel artificial en pulsos de luz, que activaron las neuronas, demostrando que la piel artificial podía generar unsalida sensorial compatible con las células nerviosas.
La optogenética solo se usó como una prueba experimental de concepto, dijo Bao, y es probable que se utilicen otros métodos para estimular los nervios en dispositivos protésicos reales. El equipo de Bao ya ha trabajado con Bianxiao Cui, profesor asociado de química en Stanford, paraDemostrar que es posible la estimulación directa de las neuronas con pulsos eléctricos.
El equipo de Bao prevé desarrollar diferentes sensores para replicar, por ejemplo, la capacidad de distinguir la pana frente a la seda, o un vaso de agua fría de una taza de café caliente. Esto llevará tiempo. Hay seis tipos de mecanismos de detección biológica en elmano humana, y el experimento descrito en Science informa el éxito en solo uno de ellos.
Pero el enfoque actual de dos capas significa que el equipo puede agregar sensaciones a medida que desarrolla nuevos mecanismos. Y el proceso de fabricación de la impresión de inyección de tinta sugiere cómo una red de sensores podría depositarse sobre una capa flexible y plegarse sobre una mano protésica.
"Tenemos mucho trabajo para llevar esto de aplicaciones experimentales a aplicaciones prácticas", dijo Bao. "Pero después de pasar muchos años en este trabajo, ahora veo un camino claro donde podemos llevar nuestra piel artificial".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Tom Abate. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :