Inspirados por la doble hélice del ADN, los investigadores de la Universidad de Shinshu han creado un sensor de fibra robusto y flexible que puede soportar grandes movimientos, allanando el camino para tecnologías portátiles más duraderas y avanzadas.
En un desarrollo innovador, los investigadores de la Universidad Shinshu han presentado un novedoso sensor de fibra flexible inspirado en la estructura de doble hélice del ADN, listo para revolucionar el panorama de la tecnología portátil.
Este diseño innovador, descrito en un artículo publicado En la revista Advanced Science, no sólo aumenta la durabilidad y flexibilidad de los sensores, sino que también simplifica su integración en dispositivos portátiles, en particular los que se utilizan en las articulaciones del cuerpo.
Un salto en el diseño de sensores
Los sensores de fibra convencionales, que normalmente incorporan electrodos en ambos extremos, a menudo sucumben al desgaste por movimientos repetitivos, especialmente cuando se aplican a articulaciones como los dedos y las rodillas.
El enfoque de doble hélice, desarrollado por el equipo de la Universidad de Shinshu, mitiga este problema al colocar ambos electrodos en un extremo. Esta decisión estratégica de diseño resulta en un sensor más resistente, capaz de soportar las tensiones mecánicas asociadas con los movimientos diarios.
“El diseño eficaz de los electrodos es fundamental para el rendimiento y la vida útil de los sensores portátiles. Sin embargo, en los sensores de fibra unidimensionales, esto ha sido un desafío durante mucho tiempo. Nuestro diseño aborda este problema directamente”, declaró en un comunicado de prensa Chunhong Zhu, autor principal y profesor asociado del Instituto de Ingeniería y Ciencia de la Fibra de la Universidad de Shinshu.
Innovación en ingeniería
Tomando como referencia la estabilidad del ADN mantenida por los enlaces de hidrógeno, los investigadores desarrollaron un sensor retorciendo dos fibras coaxiales entre sí, formando una estructura estable de doble hélice.
Cada fibra consta de un núcleo interno conductor hecho de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) y una capa exterior aislante que contiene nanopartículas de poliuretano termoplástico (TPU) y dióxido de titanio (TiO2), que mejoran la resistencia y la flexibilidad de la fibra.
Después del tratamiento térmico, las fibras formaron naturalmente una doble hélice con terminales positivos y negativos incorporados en un extremo, lo que simplificó significativamente el proceso de cableado, un desafío común en los diseños de sensores de fibra existentes.
“La fibra helicoidal dual TT/MT tiene dos electrodos en un extremo y un extremo libre sin electrodos, lo que simplifica enormemente el cableado de sensores flexibles”, agregó el coautor Ziwei Chen.
El sensor de fibra de doble hélice resultante cuenta con una durabilidad y flexibilidad impresionantes, soportando más de 1,000 ciclos de estiramiento y extendiéndose más del 300 % más allá de su longitud original sin romperse.
Su tamaño compacto, con menos de 1 mm de diámetro, facilita una integración perfecta en tejidos portátiles.
Aplicaciones Prácticas
Este avance abre un abanico de aplicaciones, en particular para el seguimiento de movimientos corporales complejos. Con el lado del electrodo firmemente fijado a zonas con menor movilidad, como el dorso de la mano o las mejillas, los sensores pueden monitorizar los gestos de los dedos, las expresiones faciales e incluso detectar patrones de respiración durante el sueño.
Por ejemplo, en una prueba, los investigadores integraron el sensor en un guante y emplearon un modelo de aprendizaje automático para identificar seis gestos comunes de la mano con una precisión del 98.8%.
Otra prueba demostró la capacidad del sensor para transmitir código Morse de forma inalámbrica, utilizando movimientos de los dedos, destacando su potencial en tecnologías de asistencia para personas con discapacidades.
Además, el nuevo diseño resulta prometedor en aplicaciones que requieren monitorización remota en tiempo real, como la rehabilitación y el entrenamiento deportivo. Los wearables con conexión Bluetooth e integrados con estos sensores podrían proporcionar alertas inmediatas durante actividades de alto riesgo como el montañismo, lo que podría indicar emergencias como caídas o crisis de salud como la hipoxia.
Perspectivas de futuro
Con este diseño de vanguardia, los investigadores aspiran a encabezar la próxima generación de fibras inteligentes que no sólo sean resistentes y sensibles, sino también fáciles de usar para el uso diario.
“Nuestra estrategia de diseño, ejemplificada por la fibra helicoidal dual TT/MT destacada en nuestro estudio, también proporciona un enfoque versátil que puede inspirar el desarrollo de varias fibras inteligentes adaptadas a diferentes aplicaciones”, agregó Zhu.
Fuente: Universidad Shinshu