Las fibras TGTMW muestran un aumento único en la resistencia en respuesta a los cambios de presión, lo que hace que estas fibras innovadoras sean un candidato prometedor para la aplicación como sensores de presión flexibles en una amplia variedad de campos, incluidos el control basado en gestos, las puntas robóticas, los textiles inteligentes y la atención médica. Crédito: Dr. Chunhong Zhu de la Universidad de Shinshu, Japón
Los sensores de presión son cruciales en muchas aplicaciones emergentes, pero los diseños tradicionales a menudo son voluminosos o inflexibles. En un estudio reciente, los investigadores de Japón desarrollaron un sensor de presión en forma de fibra que supera esta limitación al aumentar, en lugar de disminuir, su resistencia cuando se comprime. Debido a un núcleo conductor de paredes múltiples único hecho de nanoplatetas de grafeno, estas fibras podrían permitir una detección táctil ajustada para textiles inteligentes de próxima generación y pinzas robóticas.
La necesidad de sensores de presión ha aumentado constantemente a través de diversas aplicaciones, desde espierias robóticas que necesitan retroalimentación táctil precisa hasta dispositivos portátiles que monitorean el movimiento humano. Idealmente, para integrarse efectivamente en las extremidades protésicas, los textiles inteligentes o los robots, los sensores de presión deben ser flexibles, sensibles y duraderos. Sin embargo, los sensores tradicionales basados en películas y basados en Aerogel a menudo son demasiado grandes y rígidos, lo que obstaculiza su adopción en muchos campos.
Estas limitaciones han motivado la investigación sobre los sensores de presión basados en fibra, lo que podría ofrecer una mayor versatilidad y miniaturización. Un obstáculo importante que queda es el diseño de un mecanismo de detección que funciona de manera eficiente dada la estructura del circuito de la serie de una fibra.
En una fibra conductora, una disminución local en la resistencia, que es la respuesta común para la mayoría de los sensores de presión, tiene un pequeño impacto en la conductividad general de la fibra. Para ser realmente efectivo, un sensor de presión de fibra debe exhibir el comportamiento opuesto: un aumento sustancial en la resistencia general cuando se comprime.
Ahora, un equipo de investigación que incluye al Dr. Ziwei Chen, de la Universidad de Shinshu, Japón, y dirigido por el profesor asociado Chunhong Zhu también de la Universidad de Shinshu, Japón, ha superado este desafío a través de un enfoque innovador para el diseño de fibra. Su estudio fue publicado En línea en la revista avanzada Materials el 16 de julio de 2025. Los investigadores desarrollaron una fibra de paredes múltiples única que exhibe un mecanismo único que modula la resistividad bajo presión, abordando un problema fundamental en los sensores de presión basados en fibra.
Las nuevas fibras se prepararon a través de un proceso coaxial de giro húmedo, produciendo una capa externa suave de poliuretano termoplástico (TPU) y dióxido de titanio (TIO₂) y un núcleo que contiene nanoplatetas de grafeno 2D (GNP). Al aprovechar las interacciones de Van der Waals y el comportamiento de apuntalamiento de estos GNP planos, el núcleo de fibra adoptó una estructura de paredes múltiples que era crítica para su función. Por lo tanto, el equipo nombró a su creación de fibras TGTMW (fibras de pared múltiples de poliuretano de tio₂/grafeno/termoplástico).
A través de un análisis estructural extenso y la experimentación, los investigadores mostraron que cuando se comprime una porción de una fibra TGTMW, la estructura interna de la pared múltiple se dobla y desarrolla microcracks. Estas microcracks interrumpen las vías conductoras de los PNB axialmente alineados, causando un fuerte aumento en la resistencia eléctrica de la fibra. Este mecanismo permite que la fibra TGTMW produzca una señal altamente receptiva incluso cuando solo se comprime una sección pequeña. Para poner esto en perspectiva, un sensor que usa una fibra TGTMW es lo suficientemente sensible como para detectar un toque ligero en la punta de los dedos con una presión mínima de solo 0.1 N.
En particular, la alta relación de aspecto de las fibras TGTMW las hace ideales para aplicaciones que requieren retroalimentación táctil de grano fino. Por ejemplo, en robótica blanda, estas fibras podrían integrarse en las yemas de los dedos de las pinzas robóticas utilizadas para la atención de edad avanzada o la asistencia médica.
“La mayoría de los sensores táctiles disponibles utilizados en manos robóticas son rígidos, lo que presenta el riesgo de causar incomodidad o incluso lesiones durante el contacto con los humanos. En contraste, los sensores de presión flexibles en forma de fibra ofrecen comodidad y cumplimiento, reduciendo el riesgo de daño”, comenta el Dr. Zhu.
Además, las fibras TGTMW pueden usarse para distinguir entre diferentes tipos de eventos táctiles. Los investigadores mostraron que mediante el uso de transformaciones wavelet en datos de una matriz de tres fibras, podrían diferenciar con precisión entre varias formas de prensas y diapositivas.
“Esta capacidad es particularmente valiosa para la detección táctil de los estados de fricción, lo que permite que los sistemas robóticos distinguen entre la fricción estática y dinámica, al igual que las yemas de los dedos humanos, permitiendo potencialmente la manipulación robótica se vuelve tan nuificada y hábil como la de los humanos”, resalta el Dr. Zhu.
La escalabilidad de las fibras TGTMW también abre la puerta a nuevos diseños en textiles inteligentes y superficies interactivas. Los sistemas capaces de detección de gestos podrían integrarse en prendas especializadas para la interacción humana-máquina en entornos desafiantes donde las pantallas táctiles no son prácticas, como bajo el agua o en el espacio.
Mirando hacia el futuro, los investigadores creen que este trabajo representa un cambio fundamental en los sensores táctiles. “Para decirlo con valentía, nuestro trabajo podría verse como el comienzo de un nuevo subcampo, que incluye una arquitectura de sensor de presión basada en fibra distinta y ofreciendo un prototipo de trabajo con un rendimiento sólido”, concluye Zhu. “La fibra TGTMW propuesta, con su diseño innovador, estructura distinta y aplicaciones versátiles, tiene un inmenso potencial para avanzar en sensores flexibles y dispositivos inteligentes de próxima generación”.
Más información: Ziwei Chen et al, sensor de presión fibrosa con un aumento de resistencia único bajo compresión parcial: fibra multifuncional coaxial -spun hut -spun/grafeno/poliuretano termoplástico multifuncional, materiales avanzados (2025). Dos: 10.1002/ADMA.202509631
Proporcionado por la Universidad de Shinshu
Cita: reinventar sensores de presión basados en fibra con una estructura interna única (2025, 27 de agosto) recuperado el 27 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-REinventing-fiber basado en prensas-sensors.html
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