El investigador Sebastian Gratz-Kelly (foto) muestra un elemento sensor creado a partir de una película elastomérica recubierta de metal. El panel táctil, aquí montado en una pulsera, puede reconocer la presión y la dirección de un dedo que se desliza sobre él. Los algoritmos avanzados de aprendizaje automático permiten que el sistema reconozca las letras o patrones que se dibujan. Los equipos de investigación encabezados por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki (Universidad de Saarland) y John Heppe (Universidad de Ciencias Aplicadas SAAR) estarán en la feria internacional de Hannover Messe. Están utilizando películas de silicona delgadas para desarrollar transistores de bajo costo y eficientes en energía. Su objetivo es crear circuitos flexibles basados en elastómeros para aplicaciones de alto voltaje. Crédito: Oliver Dietze
Un equipo de investigación dirigido por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki de la Universidad de Saarland está utilizando una película altamente versátil que no es mucho más gruesa que la película de aferración doméstica para impartir nuevas capacidades a los objetos mientras ahorra energía en el proceso. Cuando se usan en textiles portátiles, estas películas pueden moverse y presionar contra la piel, proporcionando retroalimentación háptica que puede mejorar la experiencia de juegos de realidad virtual al permitir que los jugadores sientan texturas, impactos y otras sensaciones físicas.
Cuando la película de polímero delgado se integra en un guante industrial, puede responder a cómo se mueven la mano y los dedos del operador, lo que permite que una computadora “comprenda” los movimientos y gestos específicos de la mano. Aplicada en la parte superior de una pantalla de vidrio plano, la película puede crear la sensación transitoria de un botón táctil, interruptor o control deslizante debajo del dedo del usuario.
Los altavoces livianos que usan mucha menos energía que sus contrapartes convencionales, los nuevos generadores de señales y los textiles de cancelación de ruido son solo algunos de los otros prototipos desarrollados por investigadores en sistemas de materiales inteligentes en la Universidad de Saarland y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización en Saarbrücken (Zema).
Los últimos hallazgos del equipo se publican en la revista Materials.
Pero, ¿cómo dan vida a estas películas?
“Cada lado de la película está recubierto con una capa de conducción eléctrica”, explica Motzki, profesor de sistemas de materiales inteligentes para la producción innovadora en la Universidad de Saarland y Director Científico/CEO de Zema. Cuando los investigadores aplican un voltaje eléctrico a la película de polímero, estas capas conductores eléctricamente se atraen entre sí, comprimiendo el polímero y haciendo que se expandiera de lado, aumentando así su área de superficie.
“Al variar el campo eléctrico aplicado, podemos controlar el movimiento de la película, esencialmente creando un actuador liviano pero altamente eficiente”, dice Motzki. Los investigadores pueden controlar con precisión el movimiento de estas películas recubiertas, conocidas como elastómeros dieléctricos (DE), y pueden hacer que realicen movimientos de flexión lentos o rápidos o vibrar a la frecuencia deseada. Alternativamente, pueden hacer que la película mantenga una posición estacionaria fija sin requerir el suministro continuo de energía eléctrica.
Usando estas películas de polímeros electroactivos, el equipo de investigación está desarrollando nuevos sistemas de accionamiento (actuadores) que pueden controlarse sin la necesidad de sensores adicionales.
“Se puede asignar un valor preciso de capacitancia eléctrica a cada deformación o cambio en la posición de la película. Los datos de capacitancia pueden mostrarnos cómo se deforma la película, por ejemplo, cuando es acariciado o golpeado por un dedo. Estas películas de elastómero dieléctricas son auto-sensor y pueden actuar como sus propios sensores de posición”, explica Motzki.
Los datos de medición también se utilizan para entrenar modelos de IA que permiten a los investigadores programar el movimiento de la película para que se flexiona, contiene una forma u oscila a la frecuencia requerida.
El equipo de Saarbrücken ahora está llevando a estos actuadores a un nuevo nivel y abriendo una gran cantidad de nuevas aplicaciones. La nueva generación de películas se puede controlar aún más precisamente y puede vibrar a frecuencias aún más altas. Uno de los objetivos del equipo es hacer que estas películas flexibles oscilen en frecuencias ultrasónicas.
Un nuevo proyecto, Transdes (estructuras de transistores basadas en sistemas de elastómero dieléctricos flexibles), también tiene como objetivo abrir nuevos caminos mediante el desarrollo de circuitos elastoméricos para aplicaciones de alto voltaje.
Las placas de circuito impresas (PCB) se pueden encontrar dentro de la mayoría de los dispositivos eléctricos. La tecnología que controla estos dispositivos, ya sea un mezclador de pie o un teléfono inteligente, generalmente puede encontrarse soldado en PCB plates y rígidos. El equipo de investigación en Saarbrücken está buscando desarrollar PCB ligeros y flexibles que puedan usarse en el futuro como alternativas flexibles de bajo costo a los PCB convencionales. Los circuitos flexibles que se están desarrollando en Saarbrücken también vendrían con actuadores integrados en miniatura y auto-sensor.
El Proyecto Transdes es una colaboración entre el equipo de Motzki en Zema y el equipo del profesor John Heppe en HTW SAAR (Universidad de Ciencias Aplicadas). La tecnología que se desarrolla en Saarland es única en todo el mundo e implica crear películas elastoméricas con nuevas capas de electrodos.
Hasta ahora, las capas eléctricamente conductor se realizaron aplicando carbono amorfo en polvo (negro de carbono) en la parte superior e inferior de la película de polímero utilizando un proceso de impresión de pantalla. Sin embargo, la resistencia eléctrica de la capa negra de carbono es de alrededor de 10,000 ohmios, que es demasiado alta si la película vibra en el rango de frecuencia ultrasónica.
Los equipos de investigación de Saarbrücken están utilizando películas de silicona delgada para desarrollar transistores de bajo costo y eficientes en energía. Su objetivo es crear circuitos flexibles basados en elastómeros para aplicaciones de alto voltaje. El ingeniero de investigación Mario Cerino (foto) está trabajando en el desarrollo de estas nuevas estructuras de transistores. Crédito: Oliver Dietze
Al reemplazar la capa negra de carbono con un recubrimiento de metal ultrafino de mayor conductividad, los investigadores tienen como objetivo crear un actuador DE que se pueda encender y apagar a una velocidad ultrarrápida.
“Esto nos permitirá obtener un rendimiento aún mejor de la película”, explica el estudiante de doctorado Sebastian Gratz-Kelly. “Incluso a frecuencias muy altas, todavía somos capaces de controlar toda la superficie de la película, no solo partes de ella. Pero el nuevo recubrimiento de metal Ultrathin también significa que el actuador de la película es más eficiente energéticamente y las pérdidas de potencia son más bajas, en parte debido a la reducción de la resistencia de contacto entre el cable y la película. Y estamos utilizando una técnica láser especial que nos permite lograr un tamaño de estructura mucho más pequeño dentro del revestimiento”.
“Anteriormente, cuando utilizamos la impresión de pantalla, la distancia entre los electrodos era de alrededor de un centímetro. Ahora, el espacio entre los electrodos es solo unos pocos micrómetros. Y esto es lo que nos hace posible diseñar circuitos flexibles elastoméricos”, agrega el profesor Motzki.
El desafío es que toda la película tiene que sufrir un estiramiento significativo, pero la deformación de la película se ve obstaculizada por el nuevo recubrimiento de metal. Aquí es donde entra en juego el equipo de Heppe. Heppe, profesor de tecnología de sensores físicos y mecatrónica en HTW SAAR, también lidera un grupo de investigación en Zema. Las dos universidades están trabajando juntas para traducir sus hallazgos en soluciones prácticas industriales y comerciales.
Para equilibrar las propiedades de una capa conductora de metal sólido con las de un sustrato de polímero flexible, el equipo de Heppe hace uso de un proceso especial para depositar la capa de metal en el elastómero.
“Utilizamos una técnica de deposición de material conocida como pulverización. La capa conductora que depositamos en la superficie del elastómero es de solo diez nanómetros de espesor, más de mil veces más delgada que un cabello humano”, dice Mario Cerino, un científico investigador del equipo de John Heppe.
El truco que usa el equipo es estirar el elastómero antes de depositar la capa de metal ultrathin. Cualquiera que haya atascado cinta adhesiva a un globo inflado sabrá el efecto. Cuando dejas que el aire salga del globo, la tira de cinta se arrugas. Es lo mismo con la película de elastomer. Cuando el elastómero se relaja, la capa de metal se contrae, formando arrugas.
“Cuando hacemos esto, logramos una resistencia de alrededor de 50 a 100 ohmios en un área de un centímetro cuadrado, que es significativamente menor que antes”, dice Cerino.
Actualmente, los investigadores están utilizando las películas recubiertas de metal para desarrollar transistores basados en silicio de eficiencia energética y rentable. Los transistores son componentes electrónicos que se pueden usar para cambiar los voltajes y las señales eléctricas o para amplificarlos, pero en este caso el equipo quiere desarrollar transistores basados en películas para cambiar altos voltajes.
“Al bajar la resistencia eléctrica, podemos hacer que fluya más corriente, al igual que un grifo de cocina, deja más agua, cuanto más se abre el grifo. Esto nos permite lograr un cambio de alto voltaje con tiempos de ciclo extremadamente cortos, que se pueden usar para controlar válvulas, bombas o altavoces”, explica Cerino.
“Hacemos uso de una propiedad bastante especial de estos sistemas”, explica el profesor Heppe.
“Si la película recubierta de metal se estira más que durante la pulverización, aparecerán grietas en la capa de electrodos, lo que resulta en un gran aumento en la resistencia eléctrica. Por lo tanto, si estiramos la película, aparecen grietas. Si dejamos que la película se relaje, el cierre nuevamente nuevamente y la estructura arrugada regresa. Esto nos permite cambiar de muy bajas resistencias a resistencias muy altas, comparables a un transistor de transistor como un interruptor eléctrico como un interruptor eléctrico,”, explica “.
El equipo de investigación demostrará la tecnología en el Hannover Messe de este año, donde exhibirán un nuevo elemento sensor con una película recubierta de metal en una pulsera textil. Este panel táctil portátil es una superficie de tela sensible al tacto que puede reconocer formas que se dibujan. Cuando alguien desliza su dedo por este textil inteligente, se registran la presión y la dirección del movimiento. Los algoritmos de aprendizaje automático avanzado integrado permiten que el sistema reconozca las letras o patrones que se dibujan.
Los expertos en Saarbrücken en sistemas de materiales inteligentes también mostrarán otros desarrollos innovadores que hacen uso de estos elastómeros dieléctricos de auto-sensor, como textiles inteligentes y actuadores que proporcionan retroalimentación háptica, válvulas y bombas de eficiencia energética, y actuadores de alto rendimiento.
Más información: Sebastian Gratz-Kelly et al, matriz de sensores multifuncionales para la interacción del usuario basado en elastómeros dieléctricos con electrodos de metal pulverizado, materiales (2024). Doi: 10.3390/ma17235993
Proporcionado por la Universidad de Saarland
Cita: Textiles y superficies inteligentes: cómo las películas de elastómero livianas están dando vida a la tecnología (2025, 27 de marzo) recuperado el 27 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-smart-textiles-surfaces-lightweight-elastomer.html
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