Ingenieros fabrican una piel electrónica inalámbrica y sin chips

Los sensores portátiles son omnipresentes gracias a la tecnología inalámbrica que permite que las concentraciones de glucosa, la presión arterial, la frecuencia cardíaca y los niveles de actividad de una persona se transmitan sin problemas desde el sensor al teléfono inteligente para su posterior análisis.

La mayoría de los sensores inalámbricos actuales se comunican a través de chips Bluetooth integrados que funcionan con baterías pequeñas. Pero estos chips y fuentes de energía convencionales probablemente serán demasiado voluminosos para los sensores de próxima generación, que están adoptando formas más pequeñas, delgadas y flexibles.

Ahora, los ingenieros del MIT han ideado un nuevo tipo de sensor portátil que se comunica de forma inalámbrica sin necesidad de chips o baterías integrados. Su diseño, abre un camino hacia sensores inalámbricos sin chips.

El diseño del sensor del equipo es una forma de «piel electrónica», una película semiconductora flexible que se adapta a la piel como una cinta adhesiva electrónica. El corazón del sensor es una película ultrafina de nitruro de galio de alta calidad, un material conocido por sus propiedades piezoeléctricas, lo que significa que puede producir una señal eléctrica en respuesta a la tensión mecánica y vibrar mecánicamente en respuesta a un impulso eléctrico. .

Los investigadores descubrieron que podían aprovechar las propiedades piezoeléctricas bidireccionales del nitruro de galio y usar el material simultáneamente para la detección y la comunicación inalámbrica.

En su nuevo estudio, el equipo produjo muestras monocristalinas puras de nitruro de galio, que combinaron con una capa conductora de oro para aumentar cualquier señal eléctrica entrante o saliente. Demostraron que el dispositivo era lo suficientemente sensible como para vibrar en respuesta al latido del corazón de una persona, así como a la sal en su sudor, y que las vibraciones del material generaban una señal eléctrica que podía ser leída por un receptor cercano. De esta manera, el dispositivo pudo transmitir información de detección de forma inalámbrica, sin necesidad de un chip o batería.

«Los chips requieren mucha energía, pero nuestro dispositivo podría hacer que un sistema sea muy liviano sin tener chips que consuman mucha energía», dice el autor correspondiente del estudio, Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica y de ciencia e ingeniería de materiales, e investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica.

«Podrías ponerlo en tu cuerpo como un vendaje, y junto con un lector inalámbrico en tu teléfono celular, podrías monitorear de forma inalámbrica tu pulso, sudor y otras señales biológicas».

Los coautores de Kim incluyen al primer autor y ex postdoctorado del MIT, Yeongin Kim, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Cincinnati; la coautora para correspondencia Jiyeon Han de la empresa coreana de cosméticos AMOREPACIFIC, que ayudó a motivar el trabajo actual; miembros del Grupo de Investigación Kim del MIT; y otros colaboradores en la Universidad de Virginia, la Universidad de Washington en St. Louis y múltiples instituciones en Corea del Sur.

Resonancia pura

El grupo de Jeehwan Kim desarrolló previamente una técnica, llamada epitaxia remota, que han empleado para crecer y despegar rápidamente semiconductores ultra finos de alta calidad de obleas recubiertas con grafeno. Usando esta técnica, han fabricado y explorado varias películas electrónicas flexibles y multifuncionales.

En su nuevo estudio, los ingenieros utilizaron la misma técnica para desprender películas monocristalinas ultra finas de nitruro de galio, que en su forma pura y sin defectos es un material piezoeléctrico muy sensible.

El equipo buscó usar una película pura de nitruro de galio como sensor y comunicador inalámbrico de ondas acústicas superficiales, que son esencialmente vibraciones a través de las películas. Los patrones de estas ondas pueden indicar el ritmo cardíaco de una persona, o incluso más sutilmente, la presencia de ciertos compuestos en la piel, como la sal en el sudor.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que un sensor basado en nitruro de galio, adherido a la piel, tendría su propia vibración o frecuencia «resonante» inherente que el material piezoeléctrico convertiría simultáneamente en una señal eléctrica, cuya frecuencia podría registrar un receptor inalámbrico. Cualquier cambio en las condiciones de la piel, como un ritmo cardíaco acelerado, afectaría las vibraciones mecánicas del sensor y la señal eléctrica que transmite automáticamente al receptor.

«Si hay algún cambio en el pulso, o los químicos en el sudor, o incluso la exposición ultravioleta de la piel, toda esta actividad puede cambiar el patrón de ondas acústicas superficiales en la película de nitruro de galio», señala Yeongin Kim. «Y la sensibilidad de nuestra película es tan alta que puede detectar estos cambios».

Transmisión de ondas

Para probar su idea, los investigadores produjeron una película delgada de nitruro de galio puro de alta calidad y la combinaron con una capa de oro para aumentar la señal eléctrica. Depositaron el oro en el patrón de pesas que se repiten, una configuración similar a un enrejado que imparte cierta flexibilidad al metal normalmente rígido. El nitruro de galio y el oro, que consideran una muestra de piel electrónica, mide solo 250 nanómetros de espesor, unas 100 veces más delgado que el ancho de un cabello humano.

Colocaron la nueva piel electrónica en las muñecas y el cuello de los voluntarios, y usaron una antena simple, sostenida cerca, para registrar de forma inalámbrica la frecuencia del dispositivo sin contactar físicamente con el sensor. El dispositivo pudo detectar y transmitir de forma inalámbrica cambios en las ondas acústicas superficiales del nitruro de galio en la piel de los voluntarios en relación con su frecuencia cardíaca.

El equipo también emparejó el dispositivo con una membrana delgada de detección de iones, un material que atrae selectivamente un ion objetivo y, en este caso, sodio. Con esta mejora, el dispositivo podía detectar y transmitir de forma inalámbrica los niveles cambiantes de sodio cuando un voluntario sostenía una almohadilla térmica y comenzaba a sudar.

Los investigadores ven sus resultados como un primer paso hacia sensores inalámbricos sin chips, y prevén que el dispositivo actual podría combinarse con otras membranas selectivas para monitorear otros biomarcadores vitales.

«Mostramos la detección de sodio, pero si cambia la membrana de detección, podría detectar cualquier biomarcador objetivo, como la glucosa o el cortisol relacionado con los niveles de estrés», dice el coautor y postdoctorado del MIT, Jun Min Suh. «Es una plataforma bastante versátil».

MIT, Ciencia, AMOREPACIFIC.

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Ernesto Mota
Ernesto Mota
Nací en el d.f., sigo siendo defeño, hoy radico en la hermosa ciudad de Cuernavaca, Morelos, soy Ing. en Sistemas computacionales, con un posgrado en Tecnologías de información, Doctorando en ambientes virtuales de aprendizaje y realidad aumentada, Tecnólogo es mi categoría laboral, y mi linea de investigación es la realidad aumentada aplicada a nuevos entornos de aprendizaje.

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