Al apilar y conectar capas de circuitos extensibles uno encima del otro, Los ingenieros han desarrollado un enfoque para crear software “Electrónica extensible 3-D flexible” que puede incluir muchas funciones sin dejar de ser delgada y de tamaño pequeño. El trabajo aparece en la edición del 13 de agosto de Electrónica de la naturaleza .

Como prueba de concepto, un equipo dirigido por la Universidad de California en San Diego ha construido un parche electrónico extensible que se puede usar en la piel como un vendaje y se usa para monitorear de forma inalámbrica una variedad de señales físicas y eléctricas, de la respiración, al movimiento del cuerpo, a la temperatura, al movimiento de los ojos, a la actividad del corazón y el cerebro. El dispositivo, que es tan pequeña y gruesa como una moneda de un dólar estadounidense, también se puede utilizar para controlar de forma inalámbrica un brazo robótico.

"Nuestra visión es hacer dispositivos electrónicos elásticos en 3-D que sean tan multifuncionales y de alto rendimiento como los electrónicos rígidos de hoy en día, "dijo el autor principal Sheng Xu, profesor del Departamento de Nanoingeniería y del Centro de Sensores Usables, ambos en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.

Xu fue incluido en la lista de 35 innovadores menores de 35 de MIT Technology Review en 2018 por su trabajo en esta área.

Para llevar la electrónica extensible al siguiente nivel, Xu y sus colegas están construyendo hacia arriba en lugar de hacia afuera. "La electrónica rígida puede ofrecer una gran cantidad de funciones en un espacio reducido; se pueden fabricar fácilmente con hasta 50 capas de circuitos que están todos intrincadamente conectados. con una gran cantidad de chips y componentes empaquetados densamente en su interior. Nuestro objetivo es lograrlo con dispositivos electrónicos extensibles, "dijo Xu.

El nuevo dispositivo desarrollado en este estudio consta de cuatro capas de estirable, interconectadas, placas de circuitos flexibles. Cada capa está construida sobre un sustrato de elastómero de silicona modelado con lo que se llama un diseño de "puente de isla". Cada "isla" es una pequeña, parte electrónica rígida (sensor, antena, Chip de bluetooth, amplificador, acelerómetro, resistor, condensador, inductor, etc.) que está adherido al elastómero. Las islas están conectadas por "puentes" elásticos hechos de delgados, alambres de cobre en forma de resorte, permitiendo que los circuitos se estiren, Doblar y girar sin comprometer la función electrónica.

Hacer conexiones

Este trabajo supera un obstáculo tecnológico para la construcción de dispositivos electrónicos extensibles en 3-D. "El problema no es apilar las capas. Es crear conexiones eléctricas entre ellas para que puedan comunicarse entre sí, "dijo Xu. Estas conexiones eléctricas, conocidos como accesos de interconexión vertical o VIA, son esencialmente pequeños orificios conductores que atraviesan diferentes capas en un circuito. Las IVAA se elaboran tradicionalmente mediante litografía y grabado. Si bien estos métodos funcionan bien en sustratos electrónicos rígidos, no funcionan con elastómeros elásticos.

Entonces Xu y sus colegas recurrieron a los láseres. Primero mezclaron elastómero de silicona con un tinte orgánico negro para que pudiera absorber energía de un rayo láser. Luego diseñaron circuitos en cada capa de elastómero, los apiló, y luego golpear ciertos puntos con un rayo láser para crear las VIA. Después, los investigadores completaron los VIA con materiales conductores para conectar eléctricamente las capas entre sí. Y una ventaja de usar láseres, notas Xu, es que son muy utilizados en la industria, por lo que la barrera para transferir esta tecnología es baja.

'Vendaje inteligente' multifuncional

El equipo construyó un dispositivo electrónico extensible tridimensional de prueba de concepto, que han denominado un "vendaje inteligente". Un usuario puede pegarlo en diferentes partes del cuerpo para monitorear de forma inalámbrica diferentes señales eléctricas. Cuando se usa en el pecho o el estómago, registra señales cardíacas como un electrocardiograma (ECG). En la frente, registra señales cerebrales como un sensor mini EEG, y cuando se coloca a un lado de la cabeza, registra los movimientos del globo ocular. Cuando se usa en el antebrazo, registra la actividad muscular y también se puede utilizar para controlar de forma remota un brazo robótico. El vendaje inteligente también monitorea la respiración, temperatura de la piel y movimiento corporal.

"No teníamos un uso final específico para todas estas funciones combinadas, pero el punto es que podemos integrar todas estas diferentes capacidades de detección en el mismo pequeño vendaje, "dijo el co-primer autor Zhenlong Huang, quien realizó este trabajo como Ph.D. estudiante en el grupo de investigación de Xu.

Y los investigadores no sacrificaron la calidad por la cantidad. “Este dispositivo es como un 'maestro de todos los oficios'. Elegimos alta calidad, subcomponentes robustos:el mejor sensor de deformación que pudimos encontrar en el mercado, el acelerómetro más sensible, el sensor de ECG más fiable, Bluetooth de alta calidad, etc., y desarrolló una forma inteligente de integrar todos estos en un dispositivo extensible, "agregó el co-primer autor Yang Li, un estudiante graduado de nanoingeniería en UC San Diego en el grupo de investigación de Xu.

Hasta aquí, el vendaje inteligente puede durar más de seis meses sin que disminuya el rendimiento, estirabilidad o flexibilidad. Puede comunicarse de forma inalámbrica con un teléfono inteligente o una computadora portátil a una distancia de hasta 10 metros. El dispositivo funciona con un total de aproximadamente 35,6 milivatios, que es equivalente a la potencia de 7 punteros láser.

El equipo trabajará con socios industriales para optimizar y perfeccionar esta tecnología. Esperan probarlo en entornos clínicos en el futuro.