Diseñan piel biónica multirreceptora inspirada en el ornitorrinco

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Aunque los ingenieros han desarrollado sistemas de inspiración biológica cada vez más avanzados en las últimas décadas, las capacidades de detección de estos sistemas suelen ser mucho menos avanzadas que las observadas en los seres humanos y otros animales.

El diseño y la fabricación de sensores más sofisticados y pieles artificiales podrían mejorar aún más estos sistemas, permitiéndoles captar con precisión una amplia gama de información sensorial de su entorno.

Investigadores del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing y la Universidad de Tsinghua desarrollaron recientemente una nueva piel multirreceptora inspirada en las capacidades sensoriales del ornitorrinco, un animal intrigante que combina algunas características físicas de patos, castores y nutrias.

El sistema de detección multirreceptora del equipo podría utilizarse para potenciar las capacidades de detección de sistemas robóticos, hápticos y protésicos.

“Durante una conversación, mi hija de 9 años, Oriana Wei, me contó sobre un documental sobre el ornitorrinco que vio en el Reino Unido”, dijo Di Wei, autor principal del artículo.

“Me preguntó: ‘¿Sabías que el ornitorrinco es un mamífero que pone huevos y que no depende de sus ojos para cazar?’

“Su pregunta despertó mi curiosidad sobre las capacidades sensoriales del ornitorrinco.

Esta curiosidad condujo a una exploración más profunda del extraordinario sistema sensorial del ornitorrinco, que en última instancia inspiró esta investigación”.

El ornitorrinco tiene un sistema sensorial dual único que lo distingue de otros animales acuáticos y ovíparos.

Este sofisticado sistema sensorial le permite detectar cambios eléctricos y mecánicos en su entorno, mejorando su capacidad para detectar presas o amenazas potenciales sin depender de su visión.

“Queríamos replicar las capacidades del ornitorrinco en una piel artificial que combina funciones táctiles y de telepercepción“, dijo Wei.

“Nuestro objetivo principal era ampliar el rango perceptivo de los sistemas artificiales, permitiendo a los robots detectar e interactuar con su entorno sin depender únicamente del contacto físico.

“Esto podría mejorar significativamente la interacción y el control en aplicaciones robóticas, superando las limitaciones de los sensores táctiles tradicionales que dependen del contacto directo para funcionar de manera efectiva”.

El diseño de piel inspirado en el ornitorrinco desarrollado por Wei y sus colegas se basa en dos principios clave, a saber, la electrificación por contacto y la inducción electrostática.

Cuando toca otro material, la superposición de nubes de electrones en ambos materiales facilita la transferencia de electrones, generando en última instancia electricidad triboeléctrica. Esto permite que la piel perciba estímulos táctiles.

Para recopilar información sensorial a distancia (es decir, telepercepción), la piel se basa en la inducción electrostática.

Básicamente, el dopaje estructurado de nanopartículas en el elastómero en el que se basa la piel mejora la polarización dieléctrica, lo que permite que el sistema detecte cambios en los campos eléctricos cuando hay objetos cargados cerca.

“En términos de composición, la piel multirreceptora sigue un diseño de un solo electrodo“, explicó Wei.

“Se compone de una película delgada de PTFE y PDMS, un elastómero dopado estructurado incrustado con nanopartículas inorgánicas no metálicas para mejorar las propiedades dieléctricas, una capa de nanocables de plata (AgNW) que funciona como electrodo y un sustrato encapsulado en PDMS que proporciona flexibilidad y protección”.

La principal ventaja del sistema de detección desarrollado por Wei y sus colegas es su diseño sensorial dual, que imita las capacidades de electrorrecepción y mecanorrecepción de los ornitorrincos.

Este diseño único permite que la piel detecte objetos con precisión y recopile información táctil con una alta sensibilidad, tanto al tocarlos como a distancia.

“A diferencia de los sensores sin contacto o precontacto tradicionales que normalmente se basan en la detección de cambios en la proximidad o la capacitancia básica, nuestra piel multirreceptora ofrece un enfoque fundamentalmente diferente a través de mecanismos de polarización mejorados“, dijo Wei.

“Los sistemas tradicionales a menudo sufren limitaciones en la sensibilidad y precisión debido a interacciones de carga más débiles o detección de carga a nivel de superficie.

El nuestro mejora la captura de carga aprovechando un elastómero dopado estructurado, que amplifica los campos eléctricos locales y aumenta la polarización dieléctrica”.

Cuando se combinó con técnicas de aprendizaje profundo, la piel inspirada en el ornitorrinco del equipo logró resultados muy prometedores, lo que permitió la identificación rápida de materiales con una precisión del 99,56%, así como la detección de objetos distantes.

En comparación con los sistemas de detección convencionales, que a menudo tienen dificultades para regular la carga y detectar objetos en entornos variables, se descubrió que la piel multirreceptora controla mejor su carga y al mismo tiempo conserva su estabilidad en entornos dinámicos del mundo real.

“Hemos replicado exhaustivamente el mecanismo de electrorrecepción del ornitorrinco”, afirmó Wei.

“En concreto, hemos descubierto que el dopaje estructurado de nanopartículas en el elastómero se corresponde con la disposición altamente ordenada de los electrorreceptores del ornitorrinco en su pico.

Este diseño único mejora significativamente la sensibilidad, lo que permite una captura precisa de la carga.

“Además, hemos descubierto que la fuerte electronegatividad de la piel multirreceptora refleja los receptores de polaridad única del ornitorrinco, consiguiendo un control dinámico de la carga similar a su sistema natural”.

La piel diseñada por este equipo de investigadores podría contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías que puedan detectar objetos a distancia, también conocidas como sistemas de telepercepción.

Estos sistemas podrían tener una amplia gama de aplicaciones en el mundo real, que van desde la vigilancia medioambiental en climas extremos hasta la interacción hombre-máquina y la navegación autónoma de robots.

“En términos prácticos, esta réplica bioinspirada del sistema sensorial dual del ornitorrinco (que combina tanto la percepción táctil como la telepercepción) supone un gran avance en la detección multimodal”, afirma Wei.

“Este avance aborda las limitaciones de los sensores sin contacto tradicionales, lo que permite un rendimiento más preciso y confiable en entornos desafiantes”.

El trabajo reciente de Wei y sus colegas podría allanar el camino para el desarrollo de otros sistemas de detección que se basan en diseños sensoriales duales.

Mientras tanto, los investigadores están trabajando para mejorar aún más su sistema multirreceptor mejorando su versatilidad y facilitando su implementación a gran escala.

“Nuestra investigación futura se centrará en mejorar las capacidades del receptor electrónico no solo a través de una integración más profunda de la inteligencia artificial, sino también mediante el avance de innovaciones materiales para ampliar el rango y la precisión de detección del campo eléctrico“, dijo Wei.

“En concreto, pretendemos mejorar la adaptabilidad y la robustez del sistema en entornos extremos o impredecibles.

Además, perfeccionaremos el receptor electrónico incorporando modalidades sensoriales adicionales, lo que le permitirá responder a estímulos más complejos y ofrecer un rango más amplio de percepción”.

Como parte de sus próximos estudios, Wei y sus colegas también intentarán optimizar las capacidades de procesamiento de datos de su sistema, de modo que pueda procesar datos de forma fiable y detectar objetos con precisión en tiempo real.

Esto podría ser particularmente ventajoso para aplicaciones que requieren el procesamiento rápido de datos sensoriales, como vehículos autónomos e interfaces hombre-máquina.

“Al ampliar los límites de la telepercepción y la tecnología sensorial, también esperamos ampliar la aplicabilidad de nuestra piel en robótica avanzada, dispositivos médicos y más allá“, agregó Wei.

Fuente: ScienceAdvances