Imágenes de microscopio electrónico de barrido de los LED de nanopilar de forma elíptica. Las dos imágenes de la izquierda muestran las imágenes de alta resolución de los dos LED que consisten en nanopilares orientados ortogonalmente. La imagen de la derecha muestra una parte de una matriz de nanopilares, cada uno de los cuales contiene 12 500 nanopilares. Crédito:Universidad de Michigan
A medida que los dispositivos robóticos, como las prótesis artificiales y las interfaces hombre-computadora, se integran cada vez más en la sociedad, los investigadores han estado analizando más profundamente la sensibilidad de los dispositivos que cumplen la misma función que las manos. Las yemas de los dedos humanos son notablemente sensibles. Pueden comunicar detalles de un objeto tan pequeño como 40 μm (aproximadamente la mitad del ancho de un cabello humano), discernir diferencias sutiles en las texturas de la superficie y aplicar la fuerza suficiente para levantar un huevo o una bolsa de comida para perros de 20 libras sin corrimiento. También pueden manipular objetos con relativa facilidad.
Los ingenieros han estado trabajando para imitar esta capacidad para posibles usos robóticos o protésicos con diferentes niveles de éxito. En la Universidad de Michigan, el Prof. P.C. Ku y su grupo informaron recientemente sobre un método mejorado para la detección táctil que detecta tanto la direccionalidad como la fuerza con un alto nivel de sensibilidad. La alta resolución del sistema lo hace especialmente adecuado para aplicaciones robóticas y de HCI. También es relativamente simple de fabricar.
"Estamos cerrando la brecha entre los humanos y las computadoras, por lo que tal vez podamos enseñarle a un robot cómo sentir los objetos de una manera que esté más cerca de nuestras propias capacidades", dijo el estudiante de doctorado Nathan Dvořák.
Dvořák es miembro de un equipo dirigido por el Prof. P.C. Ku que ha estado desarrollando sensores táctiles durante los últimos años. Son los primeros en integrar un sentido del tacto altamente sensible junto con la direccionalidad utilizando nanopilares asimétricos, por lo que un dispositivo protésico puede sujetar con mayor fuerza un objeto que cae, o una interfaz hombre-computadora puede diferenciar un movimiento ascendente de uno descendente.
Sensor único que consta de 1,6 millones de nanopilares, dispuestos en 64 nodos que consisten en pares de conjuntos colocados en ángulo recto entre sí. Crédito:Universidad de Michigan
Como prueba de concepto, el equipo construyó un sensor, aproximadamente del tamaño de la yema de un dedo, que contiene 1,6 millones de nanopilares de nitruro de galio (GaN). Se utilizó GaN debido a su capacidad para medir la fuerza a través de su propiedad piezoeléctrica innata, lo que significa su capacidad para generar una carga eléctrica cuando está estresado.
La forma elíptica y la disposición de los nanopilares son clave para su éxito en la detección de la direccionalidad.
La unidad más pequeña es el nanopilar. Cada nanopilar tiene una forma elíptica y una altura de 450 nm, que es aproximadamente 1000 veces más pequeña que el ancho de un cabello humano. Y cada nanopilar está equipado con su propio LED.
Los nanopilares se agrupan en conjuntos individuales en forma de rectángulo, 100 × 150 nanopilares o 12 500 nanopilares por conjunto. Luego, cada matriz se agrupa en estrecha proximidad con una segunda matriz en ángulo recto con ella. Esta disposición es clave para su capacidad de detectar la dirección. Los dos arreglos ortogonales se llaman nodo.
Dibujo conceptual del sensor táctil en acción. La presión aplicada a los nanopilares reduce la luz emitida por los LED. Crédito:Universidad de Michigan
Un sensor completo consta de 64 nodos en forma de cuadrado.
Cuando se aplica una fuerza a los nanopilares, cambia la intensidad de la luz emitida por los nanopilares, como se muestra en el video.
Debido a que el sensor puede determinar la dirección de la fuerza, puede alertar a un dispositivo protésico futuro sobre si un objeto puede estar cayendo a través de su agarre, lo que requiere un agarre más fuerte.
El sistema no requiere interconexiones eléctricas complejas, que requieren una uniformidad de fabricación muy alta. También utiliza métodos de fabricación bien conocidos que son fácilmente repetibles.
"Y no necesitamos tener un rendimiento del 100% en nuestros dispositivos, ni siquiera cerca", dijo Dvořák. "En uno de mis dispositivos actuales hay 1,6 millones de nanopilares en el sensor, y aún es efectivo incluso si el 25 % de los nanopilares en una matriz se dañan durante la fabricación, porque estamos detectando el cambio de intensidad de la luz en lugar de la absoluta intensidad de la luz."
El sensor pudo discernir objetos que medían apenas 4,3 μm, lo que lo hace casi 10 veces más sensible que la punta de un dedo humano. Y podría detectar el peso de un objeto similar a un clip, o alrededor de 0,1 gramos.
La prueba de concepto actual utiliza un generador de imágenes estándar para detectar el cambio de luz que se produce cuando se toca la superficie.
"Ahora estamos trabajando para desarrollar un sistema completo", dijo Dvořák. Después de hacer que el sistema actual funcione con electricidad, montará el sensor encima de un generador de imágenes CMOS que registrará los cambios en la intensidad de la luz y lo conectará a un microprocesador para el procesamiento automatizado de la información.
La investigación se describe en "Sensores táctiles ultrafinos con sensibilidad direccional y alta resolución espacial", publicado en Nano Letters . Las alas de los insectos contienen pistas antimicrobianas para mejorar los implantes médicos
