Piel electrónica impresa en 3D avanza en la percepción táctil y térmica para prótesis

Los avances en prótesis han mejorado su fuerza, destreza y control a lo largo de los años. Sin embargo, la capacidad de reproducir el sentido del tacto ha permanecido como un desafío significativo. Sin retroalimentación táctil, los usuarios deben depender casi por completo de la vista para juzgar la firmeza con la que sujetan un objeto o si este se les resbala.

Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Washington ha dado un paso importante al desarrollar una piel electrónica personalizable que combina detección de presión y temperatura de alta resolución. Este sistema modular de sensores puede detectar variaciones de presión y temperatura con una resolución espacial aproximadamente diez veces superior a la de los sensores comerciales basados en guantes.

La particularidad de este nuevo enfoque radica en su capacidad de adaptarse a la forma única de la prótesis de un individuo sin comprometer el rendimiento de los sensores. A diferencia de las pieles electrónicas existentes, que generalmente ofrecen un buen rendimiento de detección o un ajuste personalizado, pero no ambos, esta tecnología integra ambas características.

Las matrices de sensores de alta densidad suelen fabricarse en superficies planas mediante procesos de sala limpia costosos, lo que dificulta su adaptación a las curvas complejas de una mano o brazo protésico. Como resultado, muchos sistemas solo cubren áreas limitadas, dejando regiones importantes como las yemas de los dedos sin retroalimentación táctil. El método propuesto por la Universidad Estatal de Washington aborda esta limitación mediante un proceso de fabricación innovador.

El desarrollo comienza con el escaneo de la prótesis utilizando un escáner 3D de luz estructurada. Un software mapea las configuraciones de los sensores directamente sobre la geometría escaneada antes de que las capas estructurales personalizadas se produzcan mediante impresión 3D de estereolitografía. Capas eléctricas flexibles, cortadas con láser, se ensamblan en módulos de sensores que se unen de forma similar a los ladrillos de construcción, eliminando la necesidad de adhesivos.

Cada módulo está construido como un sándwich multicapa de menos de dos milímetros de grosor. En su interior se encuentran matrices de detección de presión hechas de una película piezorresistiva, junto con sensores de temperatura basados en termistores en miniatura. Este diseño apilado permite que ambos sistemas de detección ocupen casi la misma área física sin interferir entre sí, proporcionando una densa retroalimentación multimodal a través de superficies protésicas curvadas.

Un prototipo que integra un ensamblaje de dedo y palma incorpora 170 píxeles de detección de presión y 14 sensores de temperatura, logrando aproximadamente seis sensores de presión por centímetro cuadrado. Esto representa una mejora significativa en la resolución espacial en comparación con los sensores de guante comerciales.

El equipo también abordó el desafío de interpretar los datos de los sensores con la suficiente rapidez para su uso en tiempo real. Para ello, se entrenó una red neuronal que calibra los elementos de detección individuales y elimina el ruido causado por las variaciones de fabricación. El sistema realiza la identificación de píxeles y la estimación de presión simultáneamente, reduciendo el error promedio de estimación de presión de aproximadamente 30 kPa a unos 8,5 kPa, y logrando una precisión de clasificación superior al 95%.

La piel electrónica no solo mide la fuerza, sino que también puede distinguir texturas al monitorear pequeñas vibraciones generadas cuando un dedo se desliza sobre una superficie. La detección de temperatura añade otra capa de información, permitiendo al sistema diferenciar materiales basándose en la rapidez con la que el calor fluye entre el sensor y el objeto. En conjunto, estas entradas se asemejan más a la detección multimodal utilizada por la piel humana.

Esta piel electrónica aún no restaura la sensación de tacto por sí sola, sino que funciona como la parte de detección de una futura piel biónica. La estimulación háptica sigue siendo necesaria para transmitir esa información de vuelta al usuario. A pesar de ello, este trabajo representa un avance sustancial en el desarrollo de interfaces protésicas más intuitivas y funcionales.