Lisa M. Krieger
Los investigadores de Stanford han desarrollado una piel electrónica suave y elástica que puede comunicarse directamente con el cerebro imitando la retroalimentación sensorial de la piel real, utilizando una estrategia que, si se mejora, podría ofrecer esperanza a millones de personas con prótesis.
“Nos inspiramos en un sistema natural y queríamos emularlo”, dijo Weichen Wang, cuyo equipo publicó su éxito en la revista. Ciencia. “Tal vez algún día podamos ayudar a los pacientes no solo a restaurar la función motora, sino también a restaurar la sensación”.
Se necesitan circuitos mucho más rápidos, más grandes y más sofisticados antes de que la llamada “piel electrónica” se muestre prometedora para los humanos.
Pero en un hito, el dispositivo mostró un éxito notable en una rata de laboratorio. Cuando los investigadores presionaron la piel electrónica de la rata y enviaron impulsos electrónicos a su cerebro, el animal respondió moviendo la pata.
Los científicos han soñado durante mucho tiempo con construir prótesis que no solo restablezcan el movimiento, sino que también proporcionen percepción, por ejemplo, detección de presión, temperatura y vibración, para ayudar a restaurar una calidad de vida más normal. Los daños en la piel y las amputaciones provocan grandes trastornos en el bucle de percepción y movimiento, por lo que incluso las tareas más sencillas, como tocar o sujetar un objeto, suponen un desafío.
“Si tomas un vaso de cerveza y no se siente frío, no obtienes el sabor correcto”, dijo Ravinder Dahiya, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad del Noreste de Boston, quien también está investigando el uso de cervezas flexibles. electrónica para crear piel artificial.
La piel electrónica también se puede usar para vestir a los robots para que sientan sensaciones de la misma manera que los humanos. Esto es fundamental para la seguridad en industrias donde los robots y los humanos interactúan físicamente, como cuando se entregan herramientas en el taller.
Pero la sensación del tacto es complicada. La piel humana tiene millones de receptores que detectan cuando se pincha, presiona, aprieta o quema. Responden enviando impulsos eléctricos al cerebro a través de los nervios. El cerebro responde devolviendo información, ordenando a los músculos que se muevan.
El cuero biológico es suave y puede estirarse muchas veces durante muchas décadas.
El equipo de Stanford, dirigido por el profesor de ingeniería química Zhenan Bao, ha estado trabajando en proyectos de piel electrónica durante varios años. Pero un esfuerzo anterior usó electrónica rígida y 30 voltios de energía, lo que requiere 10 baterías y no es seguro. Y no pudo resistir el estiramiento constante sin perder sus propiedades eléctricas.
“El obstáculo no fue encontrar mecanismos que imitaran las extraordinarias habilidades sensoriales del tacto humano, sino combinarlas usando solo materiales similares a la piel”, dijo Bao en un comunicado.
El nuevo e-skin es innovador porque utiliza capas en red de transistores orgánicos estirables que reciben y transmiten señales eléctricas. Las capas, cuando se colocan en capas, tienen un grosor de solo 25 a 50 micrones, tan delgadas como una hoja de papel, como el cuero.
Sus redes actúan como sensores diseñados para detectar presión, temperatura, estrés y productos químicos. Convierten esta información sensorial en un impulso eléctrico.
Y el e-skin solo funciona con 5 voltios.
Para probar el sistema, el equipo de Stanford lo implantó en una rata viva. Cuando se tocó la piel electrónica de una rata, se envió un impulso a través de un cable al cerebro de la rata, específicamente, a un área llamada corteza somatosensorial, que es responsable de procesar las sensaciones físicas.
El cerebro de la rata respondió enviando una señal eléctrica a su pata. Esto se hizo con un dispositivo que amplifica y transmite señales del cerebro a los músculos, imitando conexiones en el sistema nervioso llamadas sinapsis.
La pata de la rata tembló. Significativamente, su movimiento correspondía a diferentes niveles de presión, dijo Wang, doctor en ingeniería. y el primer autor de la nueva obra. Por ejemplo, el equipo pudo aumentar el movimiento de las piernas presionando la piel electrónica con más fuerza, lo que aumentó la frecuencia de la señal y la potencia de salida del transistor.
Para las pruebas en humanos, el dispositivo no requeriría la implantación de un cable para transmitir información sensorial al cerebro. Más bien, el equipo prevé el uso de comunicación inalámbrica entre la piel electrónica y un estimulador eléctrico ubicado junto al nervio.
Joe McTernan, de la American Orthotic and Prosthetic Association, dijo que dicha investigación fomenta los avances tecnológicos que algún día podrían proporcionar biorretroalimentación en tiempo real para las personas que han perdido extremidades.
“Si bien esta tecnología de la piel es bastante nueva, en los últimos años ha habido una importante investigación y desarrollo que se ha centrado en crear una experiencia táctil positiva para el paciente”, dijo.
El sistema de circuito cerrado del equipo de Stanford, desde la sensación hasta el movimiento muscular, es “muy emocionante… una prueba de concepto”, dijo a Nature el experto en bioelectrónica Alejandro Carnicer-Lombarte de la Universidad de Cambridge.
Dijo que en el campo de las prótesis artificiales, la mayoría de los investigadores trabajan en componentes individuales. “No es trivial juntar estas cosas una por una”.
Dahiya elogió el éxito del equipo en la construcción de dispositivos electrónicos flexibles y luego en ejecutarlos. “Han hecho un buen trabajo aquí”, dijo.
Sin embargo, dijo que todavía faltaba una pieza del rompecabezas: la formación de la memoria. A diferencia de la piel electrónica de Stanford, la piel humana aprende cómo se siente un objeto y luego puede predecirlo.
Hay otro desafío: la transmisión de señales actualmente es demasiado lenta para ser útil. Dijo que el flujo de información a través de los transistores de carbono flexibles del ensamblaje es lento en comparación con los transistores de silicio más tradicionales.
Tal retraso “no nos permitirá tener una sensación real”, dijo Dahiya. “Y sin un sentimiento real, entonces tienes un cuello de botella práctico”.
El próximo paso en Stanford es poner más sensores diferentes en la piel electrónica para replicar con mayor precisión las muchas sensaciones que siente la mano humana, dijo Wang.
Estamos escalando”, dijo. “Estará más avanzado.
“Todo el campo está en desarrollo”, dijo. “Harán falta muchas más generaciones de desarrollo para alcanzar nuestro objetivo”.
Más información:
Weichen Wang et al., Bucle sensoriomotor neuromórfico incorporado por piel electrónica suave, monolíticamente integrada, de bajo voltaje, Ciencia (2023). DOI: 10.1126/ciencia.ade0086
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