Ingenieros de la Universidad de Stanford, en Palo Alto, California, Estados Unidos, han creado una 'piel' de plástico que puede detectar la presión y genera una señal eléctrica para enviar esa información sensorial directamente a una célula viva cerebral.
Uno de los creadores, Zhenan Bao, profesora de Ingeniería Química en Stanford, Estados Unidos, ha pasado una década tratando de desarrollar un material que imite la capacidad de la piel de flexionarse y curarse, mientras que sirve como una red de sensores que envía señales táctiles, de temperatura y de dolor al cerebro. En última instancia, esta experta quiere crear un tejido electrónico flexible incrustado con sensores que podría cubrir prótesis y replicar algunas de las funciones sensoriales de la piel.
El trabajo de Bao, que se detalla en un artículo que se publica en 'Science', da un paso más hacia su objetivo al replicar un aspecto del tacto, el mecanismo sensorial que permite distinguir la diferencia de presión entre un apretón de manos débil y un agarre firme.
'Ésta es la primera vez que un material flexible similar a la piel puede detectar la presión y transmitir una señal a un componente del sistema nervioso', destaca Bao, quien dirigió el equipo de investigación formado por 17 personas responsable de realizar esta piel artificial.
El núcleo de la técnica es una construcción de plástico de dos capas: la capa superior crea un mecanismo de detección y la capa inferior actúa como el circuito para transportar señales eléctricas y traducirlas en los estímulos bioquímicos compatibles con las células nerviosas. La capa superior en el nuevo trabajo cuenta con un sensor que puede detectar presión en el mismo rango que la piel humana, desde un ligero toque con los dedos hasta un firme apretón de manos.
Hace cinco años, los miembros del equipo de Bao describieron por primera vez cómo utilizar los plásticos y los cauchos como sensores de presión al medir la elasticidad natural de sus estructuras moleculares. A continuación, se incrementó esta sensibilidad al añadir un patrón como de panal en el delgado plástico, comprimiendo aún más los resortes moleculares del plástico.
Para explotar esta capacidad de detección de presión electrónica, el equipo dispersó miles de millones de nanotubos de carbono a través del plástico con patrón como de rejilla. Al poner presión sobre el plástico, se aprietan los nanotubos más juntos y les permite conducir la electricidad.
Esto permitió que el sensor de plástico imitara la piel humana, transmitiendo información de la presión con pulsos cortos de electricidad, de forma similar al código Morse, al cerebro. El aumento de presión sobre los nanotubos enrejillados los apretó todavía más, permitiendo que fluyera más electricidad a través del sensor, y esos impulsos variados envían como pulsos cortos al mecanismo de detección.
Quitar la presión relaja el flujo de los pulsos, lo que indica un toque ligero, y eliminar todo tipo de preesión hace que los pulsos cesen por completo. Posteriormente, el equipo enganchó este mecanismo de detección de presión a la segunda capa de la piel artificial, un circuito electrónico flexible que podría llevar los impulsos eléctricos a las células nerviosas.
El equipo de Bao ha estado desarrollando electrónica flexible que pueda doblarse sin romperse. Para este proyecto, estos expertos trabajaron con investigadores de PARC, una compañía de Xerox, que cuenta con una tecnología que emplea una impresora de inyección de tinta para colocar circuitos flexibles en plástico. Cubrir una superficie grande es importante para fabricar piel artificial práctica y la colaboración con PARC ofreció esa posibilidad.
Por último, el equipo tuvo que probar que la señal electrónica podría ser reconocida por una neurona biológica y lo hizo mediante la adaptación de una técnica desarrollada por Karl Deisseroth, profesor de Bioingeniería en Stanford que fue pionero en un campo que combina la genética y la óptica, llamada optogenética. Investigadores diseñaron células para que fueran sensibles a frecuencias de luz específicas y, a continuación, utilizaron pulsos de luz para cambiar las células, o los procesos que se producen dentro, a apagado o encendido.
Para este experimento, los miembros del equipo fabricaron una línea de neuronas para simular una parte del sistema nervioso humano. Ellos tradujeron las señales de presión electrónicas de la piel artificial en impulsos de luz, que activaron las neuronas, lo que demostró que la piel artificial podría generar una salida sensorial compatible con las células nerviosas.
Se empleó la optogenética solamente como una prueba experimental de concepto, según Bao, y otros métodos de estimulación de los nervios son susceptibles de emplearse en dispositivos protésicos reales. El equipo de Bao ya ha trabajado con Bianxiao Cui, profesor asociado de Química en Stanford, para demostrar que la estimulación directa de las neuronas con pulsos eléctricos es posible.
Ahora, estos expertos prevén desarrollar diferentes sensores para replicar, por ejemplo, la capacidad de distinguir la pana de la seda o un vaso de agua fría de una taza de café caliente, algo que saben que llevará tiempo. Hay seis tipos de mecanismos de detección biológica en la mano del hombre y el experimento descrito en 'Science' informa tan sólo de uno de ellos.