Textiles y superficies inteligentes: cómo las películas elastoméricas ligeras están dando vida a la tecnología

Los equipos de investigación del Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización de Saarbrücken (ZeMA), dirigidos por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki (Universidad del Sarre) y John Heppe (htw saar – Universidad de Ciencias Aplicadas del Sarre), estarán presentes en la feria internacional Hannover Messe. Allí, demostrarán cómo su tecnología de actuadores de película inteligente se está volviendo aún más eficiente, estable, sensible y receptiva (del 31 de marzo al 4 de abril, Pabellón 2, Stand de Innovación del Sarre B10).

El investigador Sebastian Gratz-Kelly muestra un elemento sensor creado a partir de una película elastomérica recubierta de metal. El panel táctil, montado aquí en una pulsera, puede reconocer la presión y la dirección de un dedo que se desliza sobre él. Algoritmos avanzados de aprendizaje automático permiten al sistema identificar las letras o patrones que se dibujan. © Oliver Dietze

El equipo de investigación liderado por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki, de la Universidad del Sarre, está utilizando una película altamente versátil, apenas más gruesa que el film transparente doméstico, para dotar a los objetos de nuevas capacidades mientras ahorra energía en el proceso. Cuando se integra en textiles portátiles, estas películas pueden moverse y presionar contra la piel, proporcionando retroalimentación háptica que mejora la experiencia en juegos de realidad virtual al permitir a los jugadores sentir texturas, impactos y otras sensaciones físicas.

Si la fina película de polímero se incorpora a un guante industrial, puede responder a los movimientos de la mano y los dedos del operario, permitiendo así que un ordenador “comprenda” gestos y movimientos específicos. Aplicada sobre una pantalla de vidrio plano, la película puede crear la sensación transitoria de un botón táctil, un interruptor o un deslizador bajo el dedo del usuario.

Los altavoces ligeros que consumen mucha menos energía que sus equivalentes convencionales, los novedosos generadores de señales y los textiles con cancelación de ruido son solo algunos de los otros prototipos que los expertos en sistemas de materiales inteligentes de la Universidad del Sarre y el ZeMA están desarrollando.

“Cada lado de la película está recubierto con una capa conductora de electricidad”, explica Paul Motzki, profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes para la Producción Innovadora en la Universidad del Sarre y director científico y CEO de ZeMA. Cuando los investigadores aplican un voltaje eléctrico a la película de polímero, estas capas conductoras se atraen entre sí, comprimiendo el polímero y haciendo que se expanda lateralmente, aumentando su superficie.

“Al variar el campo eléctrico aplicado, podemos controlar el movimiento de la película, creando esencialmente un actuador ligero, pero altamente eficiente”, explica Motzki. Los investigadores pueden controlar con precisión el movimiento de estas películas recubiertas, conocidas como elastómeros dieléctricos (DE), logrando que realicen movimientos de flexión lentos o rápidos, o que vibren a una frecuencia deseada. También pueden hacer que la película mantenga una posición fija sin necesidad de un suministro continuo de energía.

Los equipos de investigación de Saarbrücken están utilizando estas películas para desarrollar transistores de bajo coste y alta eficiencia energética. Su objetivo es crear circuitos flexibles basados en elastómeros para aplicaciones de alta tensión. El ingeniero de investigación Mario Cerino (en la foto) está trabajando en el desarrollo de estas novedosas estructuras de transistores. © Oliver Dietze

El equipo de Saarbrücken está llevando estos actuadores DE a un nuevo nivel, abriendo un sinfín de nuevas aplicaciones. La nueva generación de películas puede controlarse con mayor precisión y vibrar a frecuencias aún más altas. Uno de los objetivos del equipo es lograr que estas películas flexibles oscilen a frecuencias ultrasónicas.

Un nuevo proyecto, TransDES (Estructuras de transistores basadas en sistemas de elastómeros dieléctricos flexibles), financiado por el Sarre a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), busca desarrollar circuitos elastoméricos para aplicaciones de alto voltaje. Actualmente, los dispositivos electrónicos contienen placas de circuito impreso (PCB) rígidas, pero el equipo de Saarbrücken quiere desarrollar PCB flexibles y de bajo coste, integrando en ellas miniactuadores con capacidad de autopercepción.

Hasta ahora, las capas conductoras de electricidad se fabricaban aplicando carbono amorfo en polvo (‘negro de carbono’) sobre la película de polímero mediante un proceso de serigrafía. Sin embargo, la resistencia eléctrica de esta capa de carbono negro es de aproximadamente 10.000 ohmios, demasiado alta para vibrar en el rango de frecuencia ultrasónica.

Los investigadores han reemplazado esta capa con un recubrimiento metálico ultrafino de mayor conductividad para crear un actuador DE que pueda activarse y desactivarse a una velocidad ultrarrápida. “Esto nos permitirá mejorar aún más el rendimiento de la película”, explica el doctorando Sebastian Gratz-Kelly.

Además, la nueva capa metálica ultrafina hace que el actuador de película sea más eficiente energéticamente, reduciendo las pérdidas de energía gracias a una menor resistencia de contacto entre el cable y la película. Utilizando una técnica especial con láser, los investigadores han reducido significativamente el tamaño de las estructuras dentro del recubrimiento, pasando de un espaciado entre electrodos de un centímetro con serigrafía a solo unos pocos micrómetros.

Matriz de sensores multifuncional para interacción con el usuario basada en elastómeros dieléctricos con electrodos metálicos depositados por pulverización. Resumen gráfico.

El problema radica en que toda la película debe someterse a una gran deformación, pero el nuevo recubrimiento metálico dificulta esta flexibilidad. Aquí es donde entra en juego el equipo de John Heppe. Heppe, profesor de Tecnología de Sensores Físicos y Mecatrónica en htw saar, lidera un grupo de investigación en ZeMA. Ambas universidades están colaborando para trasladar sus hallazgos al sector industrial y comercial.

Para equilibrar las propiedades de una capa conductora de metal sólido con las de un sustrato de polímero flexible, el equipo de Heppe usa un proceso especial de deposición de metal conocido como pulverización catódica (‘sputtering’). “La capa conductora que depositamos sobre la superficie del elastómero tiene solo diez nanómetros de espesor, más de mil veces más delgada que un cabello humano”, señala Mario Cerino, investigador del equipo de Heppe.

El truco del equipo consiste en estirar el elastómero antes de depositar la capa metálica ultrafina. Al relajarse, la capa de metal se contrae formando arrugas, reduciendo drásticamente la resistencia eléctrica. “Hemos logrado una resistencia de aproximadamente 50 a 100 ohmios por centímetro cuadrado, significativamente menor que antes”, afirma Cerino.

Actualmente, los investigadores están utilizando estas películas recubiertas de metal para desarrollar transistores de silicona eficientes en energía y de bajo coste. “Reduciendo la resistencia eléctrica, podemos aumentar el flujo de corriente, lo que nos permite conmutar altos voltajes con tiempos de ciclo extremadamente cortos”, explica Cerino.

El equipo demostrará esta tecnología en Hannover Messe, presentando un nuevo sensor basado en una película metálica integrada en una pulsera textil. Este ‘touchpad’ portátil es una superficie de tela sensible al tacto capaz de reconocer formas dibujadas sobre ella. Cuando alguien desliza un dedo sobre este textil inteligente, se registran la presión y la dirección del movimiento. Algoritmos avanzados de aprendizaje automático permiten al sistema reconocer letras o patrones dibujados.

Los expertos en sistemas de materiales inteligentes de Saarbrücken también mostrarán otros desarrollos innovadores que utilizan elastómeros dieléctricos con capacidad de autopercepción, como textiles inteligentes y actuadores que proporcionan retroalimentación háptica, válvulas y bombas de bajo consumo energético, y actuadores de alto rendimiento.

El proyecto TransDES cuenta con una financiación de aproximadamente 500.000 euros procedentes de fondos estatales del Sarre y del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Publicación más reciente del equipo: https://doi.org/10.3390/ma17235993