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03/09/2022

«Piel electrónica¨ o “e-skin” inalámbrica sin chips

Por Dr. Rosselli Armando

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El dispositivo detecta y transmite de forma inalámbrica señales relacionadas con el pulso, el sudor y la exposición a los rayos ultravioleta, sin voluminosos chips ni baterías.

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.

Actualmente la mayoría de los sensores inalámbricos se comunican a través de chips Bluetooth integrados que funcionan con baterías pequeñas.

Estos chips y fuentes de energía convencionales son demasiado voluminosos. Los sensores de nueva generación, se están adoptando a  formas más pequeñas, delgadas y flexibles.

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.

El diseño del sensor del equipo es una forma de piel electrónica, o “e-skin”, es una película semiconductora flexible que se adapta a la piel como una cinta adhesiva electrónica. 

El corazón del sensor es una película (malla) ultrafina de nitruro de galio de alta calidad. Este material es 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 este 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 es 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 puede hacer que sea muy liviano sin tener chips que consuman mucha energía», señaló el autor 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, junto con un lector inalámbrico en tu teléfono celular, pudiendo monitorear de forma inalámbrica el pulso, sudor y otras señales biológicas”.

El grupo desarrolló previamente una técnica, llamada epitaxia remota, que han empleado para crecer y despegar rápidamente semiconductores ultrafinos de alta calidad de obleas recubiertas con grafeno. 

The epitaxia remota consiste en cultivar películas semiconductoras ultrafinas de alta calidad en obleas a alta temperatura y despegar selectivamente las películas, para luego combinar y apilarlas formando sensores mucho más delgados y flexibles que las obleas convencionales.

Usando esta técnica, han fabricado y explorado varias películas electrónicas flexibles y multifuncionales.

En un nuevo estudio, los ingenieros utilizaron la misma técnica para desprender películas monocristalinas ultrafinas 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.

Cualquier cambio en las condiciones de la piel, como un ritmo cardíaco acelerado, afectaría las vibraciones mecánicas del sensor y la señal eléctrica se transmite automáticamente al receptor.

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,  y le dieron una configuración similar a un enrejado para impartir 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, usando una antena simple sostenida cerca, registrando de forma inalámbrica la frecuencia del dispositivo sin contactar físicamente con el sensor.El dispositivo pudo detectar y transmitir 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 combinó el dispositivo con una membrana delgada de detección de iones, un material que atrae selectivamente un ion objetivo y, en este caso, sodio. El dispositivo pudo detectar y transmitir de forma inalámbrica los niveles cambiantes de sodio en el momento que un voluntario sostenía una almohadilla térmica y comenzaba a sudar.

 Los investigadores ven que los resultados son aplicables a sensores inalámbricos sin chips, y prevén que el dispositivo actual podría combinarse con otras membranas selectivas permitiendo monitorear otros biomarcadores vitales.

 Demostraron  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.

Sources:

Massachusetts Institute of Technology https://news.mit.edu/2022/sensor-electronic-chipless-0818

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