Generador magnetoelástico autoalimentado, elástico e impermeable diseñado por UCLA para bioelectrónica. Crédito: Jun Chen/UCLA
Un equipo de bioingenieros de la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA ha inventado un nuevo dispositivo bioelectrónico suave y flexible. La tecnología convierte los movimientos del cuerpo humano, desde doblar un codo hasta movimientos sutiles como un pulso en la muñeca, en electricidad que puede usarse para alimentar sensores de diagnóstico portátiles e implantables.
Los investigadores descubrieron que el efecto magnetoelástico, que es el cambio en la cantidad de magnetización de un material cuando los pequeños imanes se separan constantemente por la presión mecánica, puede existir en un sistema blando y flexible, no solo en uno rígido. Para probar su concepto, el equipo utilizó imanes microscópicos dispersos en una matriz de silicona del grosor de un papel para generar un campo magnético que cambia de fuerza a medida que la matriz ondula. A medida que cambia la fuerza del campo magnético, se genera electricidad.
Nature Materials publicó hoy (30 de septiembre de 2021) un estudio de investigación que detalla el descubrimiento, el modelo teórico detrás del descubrimiento y la demostración. La investigación también es destacada por Nature.
«Nuestro descubrimiento abre un nuevo camino para las tecnologías prácticas de energía, detección y terapia que se centran en el cuerpo humano y se pueden conectar al Internet de las cosas», dijo el líder del estudio, Jun Chen, profesor asistente de bioingeniería en UCLA Samueli. «Lo que hace que esta tecnología sea única es que permite que las personas se estiren y se muevan con comodidad cuando el dispositivo se presiona contra la piel humana, y debido a que se basa en el magnetismo en lugar de la electricidad, la humedad y el sudor no comprometen su durabilidad y eficiencia».
Chen y su equipo construyeron un pequeño generador magnetoelástico flexible (aproximadamente del tamaño de una moneda estadounidense) hecho de una matriz de polímero de silicona catalizada con platino y nanoimanes de neodimio, hierro y boro. Luego lo unieron al codo de un sujeto con una banda de silicona suave y elástica. El efecto magnetoelástico que observaron fue cuatro veces mayor que las configuraciones de tamaño similar con aleaciones metálicas rígidas. Como resultado, el dispositivo generó corrientes eléctricas de 4,27 miliamperios por centímetro cuadrado, que es 10.000 veces mejor que la siguiente mejor tecnología comparable.
De hecho, el generador magnetoelástico flexible es tan sensible que podría convertir las ondas del pulso humano en señales eléctricas y actuar como un monitor cardíaco impermeable y autoalimentado. La electricidad generada también se puede utilizar para alimentar de forma sostenible otros dispositivos portátiles, como un sensor de sudor o un termómetro.
Se han realizado esfuerzos continuos para crear generadores portátiles que recolecten energía de los movimientos del cuerpo humano para alimentar sensores y otros dispositivos, pero la falta de practicidad ha impedido este progreso. Por ejemplo, las aleaciones de metal rígido con un efecto magnetoelástico no se doblan lo suficiente como para comprimirse contra la piel y generar niveles significativos de energía para aplicaciones viables.
Otros dispositivos que dependen de la electricidad estática tienden a no generar suficiente energía. Su rendimiento también puede verse afectado en condiciones de humedad o cuando hay sudor en la piel. Algunos han tratado de encapsular estos dispositivos para evitar la entrada de agua, pero esto reduce su eficacia. Sin embargo, los nuevos generadores magnetoelásticos portátiles del equipo de la UCLA dieron buenos resultados incluso después de estar empapados en transpiración artificial durante una semana.
Referencia: «Efecto magnetoelástico gigante en sistemas blandos para bioelectrónica» por Yihao Zhou, Xun Zhao, Jing Xu, Yunsheng Fang, Guorui Chen, Yang Song, Song Li y Jun Chen, 30 de septiembre de 2021, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-021-01093-1
El académico postdoctoral Samueli de UCLA Yihao Zhou y el estudiante graduado Xun Zhao son los primeros autores del estudio. Ambos son asesorados por Chen, quien dirige el Grupo de bioelectrónica portátil de la UCLA y es miembro de la Sociedad de becarios Hellman de la UCLA. Otros autores son los estudiantes graduados de UCLA Jing Xu y Guorui Chen, los académicos posdoctorales Yunsheng Fang y Yang Song, así como Song Li, profesor y presidente del Departamento de Bioingeniería.
El Grupo de Desarrollo de Tecnología de UCLA ha presentado una patente sobre la tecnología.
