Un nuevo material diseñado por investigadores de la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto combina la flexibilidad de la piel humana con una conductividad mejorada y tolerancia a temperaturas tan bajas como -93 C.
Conocida como piel iónica, o iSkin, la sustancia podría mejorar una amplia gama de tecnologías, desde la electrónica portátil hasta la robótica suave. La sustancia, que pertenece a una familia de materiales llamados hidrogeles.
"Los hidrogeles son polímeros reticulados que pueden retener mucha agua dentro de sus estructuras químicas", dice Binbin Ying, quien ahora está completando un trabajo postdoctoral en el MIT, pero dirigió el diseño del material mientras realizaba estudios de posgrado en la Universidad McGill. y trabajando simultáneamente como estudiante de doctorado visitante en el laboratorio del profesor de ingeniería de la U of T, Xinyu Liu.
“Muchos de los tejidos de nuestro propio cuerpo son hidrogeles, por lo que a menudo se utilizan en aplicaciones en las que la biocompatibilidad es importante, como la cosmética o la ingeniería de tejidos. Pero si queremos usarlos en electrónica blanda, flexible o portátil, necesitamos agregar nuevas funcionalidades como la capacidad de estiramiento mecánica y la conductividad eléctrica ”.
El año pasado, Ying y Liu dieron a conocer una versión anterior de iSkin que mostraba algunas de sus capacidades: es autoalimentado, no tóxico y puede extenderse hasta el 400 por ciento de su tamaño original.
Lo más importante es que doblar el material crea un cambio proporcional en su conductividad. Esto le permite convertir el movimiento físico en una señal eléctrica análoga.
"Un fisioterapeuta podría pegarlo en su rodilla o su codo para medir cuándo y cuánto se mueve su articulación", dice Liu. “También lo cubrimos con un guante, lo que nos permite medir y rastrear los movimientos de la mano, que, a su vez, se pueden usar para controlar un robot. Es una forma muy versátil de facilitar todo tipo de interacciones entre humanos y máquinas ".
Con las contribuciones de los estudiantes de pregrado Ryan Chen, Runze Zuo y el candidato a doctorado Zhanfeng Zhou, los investigadores están explorando nuevas aplicaciones de iSkin. Por ejemplo, agregar parches del material a una pinza mecánica proporciona un conjunto de señales de retroalimentación que es único para cada elemento que se agarra. El análisis de las combinaciones de señales puede permitir que el robot "sienta" lo que está captando. En combinación con algoritmos de inteligencia artificial, el robot puede incluso aprender a discriminar entre elementos duros y blandos, redondos o cúbicos, etc., y clasificarlos de forma adecuada.
Hasta ahora, iSkin adolecía de un inconveniente común a todos los hidrogeles: cuando el agua que contiene se congela, los cristales de hielo resultantes pueden dañar gravemente la compleja matriz polimérica. El aire frío y seco también puede succionar el agua líquida restante del hidrogel.
Ying y los miembros de su equipo abordaron el problema agregando glicerol, un químico no tóxico que se usa comúnmente en todo, desde alimentos hasta gel para el cabello. Después de probar cuidadosamente cientos de recetas posibles, desarrollaron una nueva fórmula de iSkin que aumenta la tolerancia al frío sin sacrificar las otras propiedades útiles del material.
Como ventaja adicional, la nueva formulación permite que el hidrogel se adhiera aún más fácilmente a la piel, la ropa y otros materiales.
“Lo pegamos por fuera de una chaqueta y salimos a un invierno de Toronto, donde hacía 10 grados bajo cero”, dice Ying. “Pudimos tomar el mismo tipo de medidas que hicimos en el laboratorio”.
La tolerancia al frío y la adherencia mejorada aumentan aún más la lista de posibles aplicaciones del material. Por ejemplo, la pinza mecánica clasificadora ahora podría operar en una instalación de almacenamiento a baja temperatura donde sería incómodo para un humano trabajar.
El equipo también prevé otras posibilidades, incluido el soft los robots diseñado para trepar por terrenos accidentados en entornos árticos. En el futuro, planean continuar desarrollando el material y potencialmente miniaturizarlo.