Piel artificial

La carrera por diseñar implantes biónicos cada vez más parecidos a los miembros reales avanza a toda velocidad. Así, hay extremidades ortopédicas de alta tecnología cuyos dueños pueden controlar usando nervios, músculos o incluso el cerebro.

Pero no existe forma de que el portador sepa si un objeto está abrasando o a punto de escaparse de su control.

Los materiales que detectan el calor, la presión y la humedad podrían ayudar a cambiar esto al añadir capacidades sensitivas a la ortopedia, publica el portal MIT Technology Review.

Un grupo de investigadores coreanos y estadounidenses desarrolló un polímero diseñado para imitar las capacidades elásticas y sensoriales de alta resolución de la piel verdadera. Así, crearon una piel artificial que puede identificar calor, presión y humedad, variables con las que una persona amputada podría mejorar notablemente su calidad de vida.

El polímero está cuajado con densas redes de sensores hechos con oro y silicio ultrafinos. El silicio, que suele ser quebradizo, se configura en forma de serpentina que se puede estirar para permitir cierta flexibilidad. Los detalles del trabajo fueron publicados en la revista Nature Communications.

Hace años que se desarrollan materiales elásticos sensitivos, pero este es el material más sensible aparecido hasta la fecha, con hasta 400 sensores por milímetro cuadrado.

"Con estos sensores de alta resolución en todo el dedo, puedes dar la misma sensación táctil que transmitiría una mano normal al cerebro", explica uno de los participantes en la investigación Roozbeh Ghaffari, quien dirige el desarrollo de tecnologías avanzadas en MC10, una start-up de Cambridge, Massachusetts (Estados Unidos), que desarrolla wearables basados en materiales flexibles cuajados de sensores.

Es más, los investigadores afinaron los sensores para que tengan la flexibilidad adecuada dependiendo de su colocación en la mano.

Usaron cámaras para capturar el movimiento y estudiar cómo se mueve y estira una mano de verdad y después aplicaron distintas formas de silicio a distintos puntos sobre la piel ortopédica para incorporar esa flexibilidad.

Por último, en un esfuerzo por hacer que los materiales sean más realistas, añadieron una capa de actuadores que la calientan aproximadamente a la misma temperatura que la piel humana.

Capa por capa

"Se puede sentir una caricia y también varias sensaciones de forma simultánea", dice el responsable del programa de bioingeniería de la Universidad Nacional de Seúl (Corea del Sur), Dae-Hyeong Kim, y principal autor de la investigación. Así, usando silicio monocristalino, el mismo del que están hechos los chips, Kim y su equipo crearon diferentes capas de nanocintas (una de las estructuras más prometedoras de la nanotecnología) para cada sensación. Cada una de las capas tiene un grosor de apenas tres micras (un micrómetro es la millonésima parte de un metro), publica el portal El País.

Sobre una matriz aislante, colocaron la primera capa de nanocintas con sensores para el calor. "El sensor de temperatura está basado en diodos de silicio", explica Kim. Con ellos, la piel artificial puede detectar los cambios térmicos del exterior.

Pero esta piel, además, se parece a la humana porque es capaz de transmitir su propio calor. "El calentador es diferente del sensor, hecho de oro y basado en el efecto Joule, a medida que la corriente fluye, genera calor. De hecho, esta epidermis de silicio se mantiene a 36,5º, con lo que la calidez de su tacto es aún más real.

Otra de las capas se encarga de captar la presión y la tensión. Si la piel humana es elástica, la artificial también tiene que serlo. Para acertar con el diseño del material, estudiaron a conciencia los movimientos naturales de la mano. Durante una serie de pruebas, una decena de cámaras grabó giros de muñeca, palmas levantadas o puños cerrados. Un adhesivo especial con sensores de tensión recogía datos sin parar. Así, por ejemplo, al cerrar el puño, la piel se estira una media del 5 por ciento, en especial en la zona de los nudillos. Y si se gira la muñeca hacia abajo, en esta parte el estiramiento puede llegar hasta un 16 por ciento. Con estos datos, los ingenieros crearon un patrón para que su piel se pudiera estirar hasta un 50 por ciento sin afectar al rendimiento de los sensores.

Pero la sensación más complicada de imitar fue la de la humedad. La piel cuenta con receptores capaces de detectar un calor húmedo o un frío seco, pero la ciencia aún no sabe cómo lo hace. Los investigadores coreanos recurrieron a un pequeño truco. Usaron nanocondensadores para aprovechar la propiedad conocida como capacidad eléctrica o capacitancia.

Con ellos, podían registrar la mayor o menor presencia de moléculas de agua en el exterior y determinar la humedad o sequedad alrededor de la piel.

Conexiones duraderas

Esta nueva piel inteligente sólo resuelve uno de los retos de añadir la sensación a los dispositivos ortopédicos. El problema mayor es crear conexiones duraderas y robustas con el sistema nervioso humano para que el portador pueda "sentir" de verdad lo que detecta.

Si bien la piel puede captar estas sensaciones, todavía no hay un método para enviar esta información al sistema central y al cerebro.

Pruebas en ratas

En una demostración burda de un interfaz de este tipo, Dae-Hyeong Kim, conectó la piel inteligente con el cerebro de una rata y pudo medir las reacciones en el córtex sensitivo del animal ante estímulos sensoriales.

Sin embargo, esto no demuestra que la rata sintiera calor, presión o humedad, ni hasta qué punto. "Para discernir las sensaciones exactas", afirma Kim, "tenemos que pasar a animales más grandes y ese será nuestro trabajo en el futuro".

Hay una brecha enorme entre lo que pueden hacer los materiales nuevos y lo que pueden transmitir las interfaces existentes realmente al cerebro humano, explica el profesor de ingeniería biomédica de la Universidad Case Western Reserve (EEUU), Dustin Tyler, experto en interfaces neuronales.

"Esta demostración de concepto es interesante, pero queda mucho trabajo por hacer para demostrar la robustez y el rendimiento necesarios para traducir este dispositivo en manos ortopédicas prácticas", afirma.

Hace poco se probó la única interfaz capaz de devolver la sensación a un humano, cuando Tyler y sus colegas equiparon a un hombre de la zona de Cleveland (EEUU) que había perdido la mano con un sistema de estas características. El hombre controlaba la mano usando una interfaz muscular y unos 20 sensores sobre la mano ortopédica transmitían información sensorial a través del electrodo enganchado a un nervio en el muñón. Esto le permitía saber si había cogido algo blando, como una cereza e impedir que aplastara la fruta.