COLUMBUS, Ohio-Los investigadores que están trabajando para desarrollar la electrónica portátil han alcanzado un hito: son capaces de bordar circuitos en tela con una precisión de 0,1 mm, el tamaño perfecto para integrar componentes electrónicos como sensores y dispositivos de memoria de computadora en la ropa.
Con este avance, los investigadores de la Universidad Estatal de Ohio han dado el siguiente paso hacia el diseño de textiles funcionales: ropa que recopila, almacena o transmite información digital. Con un mayor desarrollo, la tecnología podría llevar a camisetas que actúen como antenas para su teléfono inteligente o tableta, ropa de entrenamiento que monitoree su nivel de condición física, equipo deportivo que monitoree el rendimiento de los atletas, un vendaje que le diga a su médico qué tan bien se está curando el tejido debajo de él, o incluso una gorra de tela flexible que detecte la actividad en el cerebro.
Asimina Kiourti. Foto de Jo McCulty, cortesía
de la Universidad Estatal de Ohio.
Ese último elemento es uno que John Volakis, director del Laboratorio de Electrociencia en Ohio State, y la científica de investigación Asimina Kiourti están investigando. La idea es hacer que los implantes cerebrales, que están en desarrollo para tratar afecciones desde la epilepsia hasta la adicción, sean más cómodos eliminando la necesidad de cableado externo en el cuerpo del paciente.
» Se está produciendo una revolución en la industria textil», dijo Volakis, quien también es el profesor de Ingeniería Eléctrica de la Cátedra Roy & Lois Chope en Ohio State. «Creemos que los textiles funcionales son una tecnología habilitadora para las comunicaciones y la detección, e incluso un día aplicaciones médicas como imágenes y monitoreo de salud.»
Recientemente, él y Kiourti refinaron su método de fabricación patentado para crear prototipos de wearables a una fracción del costo y en la mitad del tiempo que podían hace solo dos años. Con nuevas patentes pendientes, publicaron los nuevos resultados en la revista IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters.
John Volakis
En el laboratorio de Volakis, los textiles funcionales, también llamados «textiles electrónicos», se crean en parte en una máquina de coser de mesa típica, del tipo que los artesanos de telas y los aficionados pueden tener en casa. Al igual que otras máquinas de coser modernas, borda hilo en tela automáticamente sobre la base de un patrón cargado a través de un archivo de computadora. Los investigadores sustituyen el hilo por finos alambres de metal plateado que, una vez bordados, se sienten al tacto igual que el hilo tradicional.
» Comenzamos con una tecnología muy conocida, el bordado a máquina, y nos preguntamos, ¿cómo podemos funcionalizar las formas bordadas? ¿Cómo hacemos que transmitan señales a frecuencias útiles, como para teléfonos celulares o sensores de salud?»Dijo Volakis. «Ahora, por primera vez, hemos logrado la precisión de las placas de circuito impreso de metal, por lo que nuestro nuevo objetivo es aprovechar la precisión para incorporar receptores y otros componentes electrónicos.»
La forma del bordado determina la frecuencia de funcionamiento de la antena o el circuito, explicó Kiourti.
La forma de una antena de banda ancha, por ejemplo, consiste en más de media docena de formas geométricas entrelazadas, cada una un poco más grande que una uña, que forman un círculo intrincado de unas pocas pulgadas de ancho. Cada pieza del círculo transmite energía a una frecuencia diferente, de modo que cubren un amplio espectro de energías cuando trabajan juntas, de ahí la capacidad de «banda ancha» de la antena para el teléfono celular y el acceso a Internet.
«La forma determina la función», dijo. «Y nunca se sabe realmente qué forma necesitará de una aplicación a otra. Así que queríamos tener una tecnología que pudiera bordar cualquier forma para cualquier aplicación.»
El objetivo inicial de los investigadores, agregó Kiourti, era simplemente aumentar la precisión del bordado tanto como fuera posible, lo que requería trabajar con alambre de plata fino. Pero eso creó un problema, ya que los alambres finos no podían proporcionar tanta conductividad superficial como los alambres gruesos. Así que tuvieron que encontrar una manera de trabajar el hilo fino en densidades y formas de bordado que aumentaran la conductividad de la superficie y, por lo tanto, el rendimiento de la antena/sensor.
Anteriormente, los investigadores habían utilizado hilos de polímero recubiertos de plata con un diámetro de 0,5 mm, cada hilo compuesto de 600 filamentos incluso más finos retorcidos entre sí. Los nuevos hilos tienen un diámetro de 0,1 mm, hechos con solo siete filamentos. Cada filamento es de cobre en el centro, esmaltado con plata pura.
Compran el alambre por el carrete a un costo de 3 centavos por pie; Kiourti estimó que bordar una sola antena de banda ancha como la mencionada anteriormente consume aproximadamente 10 pies de hilo, por un costo de material de alrededor de 30 centavos por antena. Eso es 24 veces menos costoso que cuando Volakis y Kiourti crearon antenas similares en 2014.
En parte, el ahorro de costos proviene de usar menos hilo por bordado. Anteriormente, los investigadores tenían que apilar el hilo más grueso en dos capas, una encima de la otra, para que la antena llevara una señal eléctrica lo suficientemente fuerte. Pero al refinar la técnica que ella y Volakis desarrollaron, Kiourti fue capaz de crear las nuevas antenas de alta precisión en una sola capa bordada del hilo más fino. Así que ahora el proceso toma la mitad del tiempo: solo unos 15 minutos para la antena de banda ancha mencionada anteriormente.
También ha incorporado algunas técnicas comunes a la fabricación de microelectrónica para agregar piezas a antenas y circuitos bordados.
Una antena prototipo parece una espiral y se puede bordar en la ropa para mejorar la recepción de la señal del teléfono celular. Otro prototipo, una antena extensible con un chip RFID (identificación por radiofrecuencia) integrado en goma, lleva las aplicaciones de la tecnología más allá de la ropa. (Este último objeto fue parte de un estudio realizado para un fabricante de neumáticos.)
Otro circuito se asemeja al logotipo «O» del bloque Estatal de Ohio, con hilos escarlata y gris no conductores bordados entre los cables plateados «para demostrar que los textiles electrónicos pueden ser decorativos y funcionales», dijo Kiourti.
Pueden ser decorativos, pero las antenas y circuitos bordados realmente funcionan. Las pruebas mostraron que una antena espiral bordada mide aproximadamente seis pulgadas a través de señales transmitidas a frecuencias de 1 a 5 GHz con una eficiencia casi perfecta. El rendimiento sugiere que la espiral sería adecuada para internet de banda ancha y comunicaciones celulares.
En otras palabras, la camiseta en la espalda podría ayudar a aumentar la recepción del teléfono inteligente o tableta que sostiene, o enviar señales a sus dispositivos con datos de salud o rendimiento deportivo.
El trabajo encaja bien con el papel de Ohio State como socio fundador del Instituto Advanced Functional Fabrics of America, un centro nacional de recursos de fabricación para la industria y el gobierno. El nuevo instituto, que se une a unas 50 universidades y socios industriales, fue anunciado a principios de este mes por el Secretario de Defensa de los Estados Unidos, Ashton Carter.
Los materiales avanzados de Syscom en Columbus proporcionaron los hilos utilizados en el trabajo inicial de Volakis y Kiourti. Los hilos más finos utilizados en este estudio se compraron al fabricante suizo Elektrisola. La investigación está financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, y el Estado de Ohio licenciará la tecnología para un mayor desarrollo.
Hasta entonces, Volakis está haciendo una lista de compras para la siguiente fase del proyecto.
«Queremos una máquina de coser más grande», dijo.