Cerámica sensitiva para robots

La mayoría de la gente piensa en tazas de café, azulejos de baño o jarrones para flores cuando oye la palabra “cerámica”. Sin embargo, hay cerámicas que pueden conducir electricidad, ser “inteligentes”, e incluso “sentir” la presión que se ejerce sobre ellas así como la humedad y la temperatura de su entorno.

Con cerámicas de esta clase ha venido trabajando un equipo integrado, entre otros, por Frank Clemens, de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA), y Miriam Filippi, del Laboratorio de Robótica Blanda en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich.

Estos científicos están desarrollando materiales cerámicos con capacidad para ejercer de sensores de presión, temperatura y humedad. Esto los hace interesantes para su uso en medicina, pero también para el campo de la robótica blanda.

Las cerámicas con las que trabajan Clemens y sus colegas son materiales inorgánicos, no metálicos, que se producen a partir de un conjunto de partículas sueltas en un proceso a alta temperatura conocido como sinterización. La composición de cada cerámica puede variar, y sus propiedades cambian en consecuencia. Pero la loza y la porcelana no aparecen por ninguna parte en el laboratorio de Clemens. Los investigadores trabajan con materiales como el niobato de sodio y potasio y el óxido de zinc, pero también con partículas de carbono.

Ninguno de estos materiales es blando. Para usarlos en sensores flexibles, los investigadores incrustan partículas cerámicas en plásticos estirables.

Toman una matriz de un termoplástico y la rellenan con tantas partículas cerámicas como sea posible sin comprometer la elasticidad de la matriz. Si esta matriz, una vez rellenada, se estira, se comprime o se expone a fluctuaciones de temperatura, la distancia entre las partículas cerámicas cambia y, con ella, la conductividad eléctrica del sensor.

Mediante la impresión 3D, los investigadores también pueden hacer que los sensores cerámicos se comporten como una especie de “nervios” dentro de componentes flexibles.

Frank Clemens y sus colegas desarrollan materiales blandos con capacidad sensorial basados en partículas cerámicas. (Foto: EMPA)

La fabricación de sensores cerámicos blandos no es trivial. Normalmente, los sensores blandos son sensibles a distintas influencias ambientales al mismo tiempo, como la temperatura, la tensión y la humedad, lo que dificulta saber qué es lo que se está midiendo, tal como argumenta Clemens. Su grupo de investigación ha conseguido fabricar sensores blandos que reaccionan de forma muy selectiva solo a la presión o solo a la temperatura. Los investigadores integraron estos sensores en una prótesis de mano. La prótesis “percibe” la flexión de los dedos y además se da cuenta cuando toca una superficie caliente. Esta sensibilidad ofrece una clara ventaja tanto para herramientas robóticas de agarre como para prótesis humanas.

Clemens y sus colegas fueron incluso un paso más allá con el desarrollo de una “piel robótica” suave. Similar a la piel humana, la piel de plástico multicapa reacciona al tacto y a las diferencias de temperatura. Para evaluar los datos, muy complejos, los investigadores desarrollaron un sistema de inteligencia artificial y lo entrenaron utilizando datos de unas 4.500 mediciones. Esto guarda cierto parecido con la percepción humana, ya que los impulsos nerviosos de nuestra piel se evalúan en el cerebro para extraer conclusiones.

En su proyecto más reciente, los investigadores lograron combinar los sensores cerámicos con músculos artificiales. Junto con investigadores de la Universidad de Tokio en Japón, han desarrollado un robot biohíbrido que reconoce su estado de contracción con ayuda de un sensor piezorresistivo blando, biocompatible e integrado en el tejido.

Clemens y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus últimos progresos en la revista académica Advanced Intelligent Systems, bajo el título “Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”. (Fuente: NCYT de Amazings)