Un material innovador allana el camino para dispositivos portátiles de próxima generación

Los módulos inalámbricos que integran capacidades de telecomunicaciones y recolección de energía, impulsados por electrónica de radiofrecuencia (RF), son cruciales para avanzar en la electrónica extensible con interfaz cutánea. A pesar de su potencial, estos dispositivos a menudo enfrentan desafíos incluso bajo niveles mínimos de tensión que pueden alterar propiedades eléctricas críticas como la frecuencia de resonancia de la antena, lo que lleva a una disminución de la intensidad de la señal o la eficiencia de la transferencia de energía. Este problema es particularmente importante cuando los dispositivos se utilizan en superficies dinámicas como la piel humana. Para abordar esto, los investigadores han desarrollado un nuevo material que no solo mantiene una intensidad de señal constante sino que también imita el movimiento de la piel, abriendo la puerta a dispositivos portátiles más confiables y avanzados que brindan conectividad inalámbrica continua sin necesidad de baterías.

El material fue desarrollado por un equipo internacional de investigadores de la Universidad Rice (Houston, TX, EUA) y la Universidad Hanyang (Seúl, Corea del Sur) mediante la incorporación de grupos de nanopartículas cerámicas altamente dieléctricas en un polímero elástico. El material innovador fue diseñado para imitar la elasticidad y los tipos de movimiento de la piel humana al tiempo que mejora sus propiedades dieléctricas para contrarrestar los efectos negativos del movimiento en las interfaces electrónicas, reducir la pérdida de energía y disipar el calor de manera efectiva. La ubicación estratégica y el patrón de distribución de las nanopartículas incrustadas en el sustrato son cruciales; El espaciado y las formas de los grupos de estas partículas están diseñados para estabilizar las propiedades eléctricas y mantener la frecuencia de resonancia de los componentes de RF esenciales para un rendimiento confiable.

Las tecnologías portátiles están revolucionando la atención médica al permitir formas innovadoras de monitorear, diagnosticar y gestionar la salud. El mercado de ropa inteligente, especialmente en salud y fitness, se está expandiendo rápidamente debido al impacto transformador de estas tecnologías. Para explorar las aplicaciones prácticas de este nuevo material, los investigadores construyeron varios dispositivos inalámbricos extensibles, como antenas, bobinas y líneas de transmisión. Probaron estos dispositivos tanto en el sustrato recientemente desarrollado como en un elastómero estándar que carecía de nanopartículas cerámicas. Sus hallazgos indicaron que el alcance operativo inalámbrico de sus sistemas de comunicación de campo lejano superó el de cualquier otro sistema comparable con interfaz cutánea informado anteriormente.

Además, este material muestra un gran potencial para mejorar la conectividad inalámbrica entre múltiples dispositivos portátiles diseñados para adaptarse a diferentes partes y tamaños del cuerpo. Por ejemplo, el equipo creó bandas biónicas portátiles para colocarlas en la cabeza, la rodilla, el brazo o la muñeca, que podrían monitorear una amplia gama de datos de salud, incluidas señales EEG y EMG, movimientos de las rodillas y temperatura corporal. Específicamente, una vincha hecha de este material demostró una capacidad de estiramiento excepcional (hasta un 30 % para la cabeza de un niño pequeño y un 50 % para la de un adulto) y al mismo tiempo pudo transmitir datos de EEG en tiempo real a una distancia inalámbrica de 30 metros. El equipo publicó sus hallazgos en la revista Nature Electronics el 22 de mayo de 2024.

"Nuestro equipo pudo combinar simulaciones y experimentos para comprender cómo diseñar un material que pueda deformarse sin problemas como la piel y cambiar la forma en que se distribuyen las cargas eléctricas en su interior cuando se estira para estabilizar la comunicación por radiofrecuencia", dijo Raudel Avila, profesor asistente de ingeniería mecánica en Rice. “Los dispositivos de RF estirables con interfaz cutánea que pueden adaptarse perfectamente a la morfología de la piel y monitorear señales fisiológicas clave requieren un diseño crítico de la disposición de los materiales individuales y los componentes electrónicos para producir propiedades y rendimiento mecánicos y eléctricos que no interrumpan la experiencia del usuario. A medida que los dispositivos portátiles continúan evolucionando e influyendo en la forma en que la sociedad interactúa con la tecnología, particularmente en el contexto de la tecnología médica, el diseño y desarrollo de dispositivos electrónicos extensibles altamente eficientes se vuelven críticos para una conectividad inalámbrica estable”.

Enlaces relacionados:
Universidad Rice
Universidad de Hanyang