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Artículo publicado por Tom Abate el 15 de octubre de 2015 en la Universidad de Stanford

Ingenieros de Stanford han creado un material plástico similar a la piel que puede detectar la presión y enviar una señal parecida al código Morse directamente a una célula cerebral viva. El trabajo es un gran avance hacia el objetivo de añadir sensibilidad a los miembros prostéticos.

Los ingenieros de Stanford han creado una “piel” de plástico que puede detectar la presión que se ejerce sobre ella y generar una señal eléctrica para enviar esta entrada sensorial a una célula cerebral viva.

Piel artificial

Piel artificial Crédito: Universidad de Stanford

Zhenan Bao, profesor de ingeniería química en Stanford, ha pasado una década tratando de desarrollar un material que imite la capacidad de la piel para doblarse y repararse, mientras que también sirva como red de sensores que envíe señales de tacto, temperatura, y dolor al cerebro. El objetivo final es crear un tejido electrónico flexible con sensores que cubriría un miembro prostético y replicase algunas de las funciones sensoriales de la piel.

El trabajo de Bao, publicado en la revista Science, es otro paso más hacia su objetivo de replicar un aspecto del tacto, el mecanismo sensorial que nos permite distinguir la diferencia de presión entre un débil apretón de manos y un saludo firme

“Ésta es la primera vez que un material flexible similar a la piel se ha usado para detectar presión y también transmitir una señal a un componente del sistema nervioso”, explica Bao, que dirigió a un equipo de 17 personas responsable del logro.

Benjamin Tee, reciente doctorado en ingeniería eléctrica; Alex Chortos, candidato a doctor en ciencia de los materiales e ingeniería; y Andre Berndt, becario de posdoctorado en bioingeniería, fueron los autores principales del artículo de Science.

Digitalizar el tacto

El núcleo de la técnica es un elemento plástico de dos capas: la capa superior crea un mecanismo sensible, y la capa inferior actúa como circuito para transportar las señales eléctricas y traducirlas a estímulos bioquímicos compatibles con las células nerviosas. La capa superior del nuevo trabajo consta de un sensor que puede detectar la presión en el mismo rango que la piel humana, desde el ligero roce de un dedo a un firme apretón de manos.

Hace cinco años, los miembros del equipo de Bao describieron por primera vez cómo usar plásticos y gomas como sensores de presión para medir la ligereza natural de sus estructuras moleculares. Luego incrementaron esta sensibilidad a la presión natural introduciendo un patrón de acolchamiento en el fino plástico, que comprime aún más la elasticidad molecular del plástico.

Para aprovechar electrónicamente esta capacidad de sentir la presión, el equipo dispersó miles de millones de nanotubos de carbono por el plástico acolchado. Al presionar el plástico, los nanotubos quedan comprimidos unos contra otros y les permite conducir la electricidad.

Esto permitía al plástico sensor imitar la piel humana, que transmite la información de presión al cerebro en forma de cortos pulsos eléctricos, similares al código Morse. Un aumento de la presión en los nanotubos los acerca más entre sí, permitiendo que fluya más electricidad a través del sensor, y estos distintos impulsos se envían como pulsos cortos al mecanismo sensor. Si se elimina la presión se relaja el flujo de pulsos, lo que indica un toque leve. Si se elimina toda la presión, los pulsos cesan por completo.

El equipo entonces unió este mecanismo sensible a la presión a la segunda capa de su piel artificial, un circuito electrónico sensible que podría transportar los pulsos eléctricos a las células nerviosas.

Importar la señal

El equipo de Bao ha estado desarrollando un equipo electrónico flexible que pueda doblarse sin sufrir daños. Para este proyecto, los miembros del equipo trabajaron junto a investigadores de PARC, una compañía de Xerox, que tiene una tecnología que usa una impresora de chorro de tinta para depositar circuitos flexibles sobre plástico. Cubrir una gran superficie es importante para hacer que la piel artificial sea práctica, y la colaboración con PARC ofrecía esta posibilidad.

Por último, el equipo ha demostrado que la señal electrónica podría ser reconocida por una neurona biológica. Hicieron esto adaptando una técnica desarrollada por Karl Deisseroth, profesor de bioingeniería en Stanford y pionero en un campo que combina la genética y la óptica, la optogenética. Los investigadores desarrollaron células mediante bioingeniería para hacerlas sensibles a frecuencias específicas de la luz, y luego usaron pulsos de luz para activar o desactivar el estado de las células, o los procesos que se estaban desarrollando dentro de ellas.

Para este experimento, los miembros del equipo desarrollaron una línea de neuronas para simular una porción del sistema nervioso humano. Tradujeron las señales electrónicas de presión de la piel artificial en pulsos de luz, los cuales activaron las neuronas, demostrando que la piel artificial podría generar un resultado sensorial compatible con las células nerviosas.

La optogenética se usó sólo como prueba experimental de concepto, señala Bao, y es probable que se usen otros métodos de estimulación nerviosa en los dispositivos prostéticos reales. El equipo de Bao ya ha trabajado con Bianxiao Cui, profesor asociado de química en Stanford, para demostrar que es posible la estimulación directa de las neuronas con pulsos eléctricos.

El equipo de Bao imagina desarrollar distintos sensores para replicar, por ejemplo, la capacidad de distinguir entre la pana y la seda, o un vaso de agua fría de una taza de café caliente. Esto llevará tiempo. Existen seis tipo de mecanismos biológicos del tacto en la mano humana, y el experimento descrito en Science informa de éxito en apenas uno de ellos.

Pero el enfoque actual de dos capas indica que el equipo puede añadir sensaciones conforme desarrolla los nuevos mecanismos. Y el proceso de fabricación mediante chorro de tinta sugiere cómo podría depositarse una red de sensores sobre una capa flexible y plegarse sobre una mano prostética.

“Tenemos mucho trabajo por hacer antes de llevar este experimento a una aplicación práctica”, comenta Bao. “Pero tras pasar muchos años trabajando en esto, ahora veo un camino claro que podemos seguir para llegar a una piel artificial”.

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