Ropa que puede imitar la sensación de ser tocada, pantallas táctiles que proporcionan retroalimentación háptica a los usuarios, o incluso altavoces ultraligeros. Estos son solo algunos de los dispositivos que se han hecho posibles gracias a las finas películas de silicona que pueden controlarse con precisión para que vibren, se flexionen, presionen o tiren exactamente como se desee. Y todo ello simplemente aplicando un voltaje eléctrico.

Un equipo de investigación dirigido por los profesores Stefan Seelecke y Paul Motzki de la Universidad de Saarland está utilizando una película muy versátil, no mucho más gruesa que el papel film doméstico, para dotar a los objetos de nuevas capacidades y ahorrar energía en el proceso. Cuando se utilizan en textiles portátiles, estas películas pueden moverse y presionar la piel, proporcionando una respuesta háptica que puede mejorar la experiencia de juego de realidad virtual al permitir a los jugadores sentir texturas, impactos y otras sensaciones físicas. Cuando la fina película de polímero se integra en un guante industrial, puede responder a los movimientos de la mano y los dedos del operario, lo que permite a un ordenador «entender» movimientos y gestos específicos de la mano. Aplicada a la parte superior de una pantalla plana de cristal, la película puede crear la sensación transitoria de un botón, interruptor o deslizador táctil bajo el dedo del usuario. Altavoces ligeros que utilizan mucha menos energía que sus homólogos convencionales, novedosos generadores de señales y tejidos con cancelación de ruido son solo algunos de los otros prototipos que están desarrollando los expertos en sistemas de materiales inteligentes de la Universidad de Sarre y el Centro de Tecnología de Mecatrónica y Automatización de Saarbrücken (ZeMA).

Pero, ¿cómo dan vida a estas películas? «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 de Saarland y director científico y consejero delegado de ZeMA. Cuando los investigadores aplican un voltaje eléctrico a la película de polímero, estas capas conductoras de electricidad se atraen entre sí, comprimiendo el polímero y haciendo que se expanda hacia los lados, aumentando así su superficie. «Al variar el campo eléctrico aplicado, podemos controlar el movimiento de la película, creando esencialmente un actuador ligero pero altamente eficiente», dice Paul Motzki. Los investigadores son capaces de controlar con precisión el movimiento de estas películas recubiertas, conocidas como elastómeros dieléctricos (DE), y pueden conseguir que realicen movimientos de flexión lentos o rápidos o que vibren a una frecuencia deseada. O pueden hacer que la película mantenga una posición fija y estacionaria sin necesidad de un suministro continuo de energía eléctrica.

Mediante el uso de estas películas de polímeros electroactivos, el equipo de investigación está desarrollando novedosos sistemas de accionamiento (actuadores) que pueden controlarse sin necesidad de sensores adicionales. «Se puede asignar un valor de capacitancia eléctrica preciso a cada deformación o cambio de posición de la película. Los datos de capacitancia pueden mostrarnos cómo se deforma la película, por ejemplo, cuando se la acaricia o se le da golpecitos con un dedo. Estas películas de elastómero dieléctrico son autosensibles y pueden actuar como sus propios sensores de posición», explica Paul 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 flexione, mantenga una forma deseada u oscile a una frecuencia requerida.

El equipo de Saarbrücken está llevando ahora estos actuadores DE a un nuevo nivel y abriendo toda una serie de nuevas aplicaciones. La nueva generación de películas se puede controlar con mayor precisión y puede vibrar a frecuencias aún más altas. Uno de los objetivos del equipo es conseguir que estas películas flexibles oscilen a frecuencias ultrasónicas. Un nuevo proyecto, TransDES (estructuras de transistores basadas en sistemas elastoméricos dieléctricos flexibles), financiado por el Estado federado de Sarre a través del fondo de inversión FEDER de la UE, también pretende abrir nuevos caminos mediante el desarrollo de circuitos elastoméricos para aplicaciones de alta tensión. Las placas de circuito impreso (PCB) se encuentran en la mayoría de los dispositivos eléctricos. La tecnología que controla estos dispositivos, ya sea una batidora o un teléfono inteligente, suele encontrarse soldada en PCB planas y rígidas. El equipo de investigación de Saarbrücken está tratando de desarrollar PCB ligeras y flexibles que puedan utilizarse en el futuro como alternativas flexibles y de bajo coste a las PCB convencionales. Los circuitos flexibles que se están desarrollando en Saarbrücken también vendrían con actuadores integrados en miniatura y con sensores propios.

El proyecto TransDES es una colaboración entre el equipo de Paul Motzki en ZeMA y el equipo del profesor John Heppe en htw saar (Universidad de Ciencias Aplicadas). La tecnología que se está desarrollando en Sarre es única en el mundo e implica la creación de películas elastoméricas con novedosas capas de electrodos.

Hasta ahora, las capas conductoras de electricidad se fabricaban aplicando carbono amorfo en polvo («negro de humo») en la parte superior e inferior de la película de polímero mediante un proceso de serigrafía. Sin embargo, la resistencia eléctrica de la capa de negro de humo es de unos 10 000 ohmios, lo cual es demasiado alta si la película va a vibrar en el rango de frecuencia ultrasónica.

Al sustituir la capa de negro de carbón por un revestimiento metálico ultradelgado de mayor conductividad, los investigadores pretenden crear un actuador DE que pueda encenderse y apagarse 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, podemos controlar toda la superficie de la película, no solo partes de ella». Pero el nuevo recubrimiento metálico ultradelgado también significa que el actuador de película es más eficiente energéticamente y las pérdidas de potencia son menores, 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 recubrimiento», explica Gratz-Kelly. «Anteriormente, cuando utilizábamos la serigrafía, la distancia entre los electrodos era de aproximadamente un centímetro. Ahora, el espacio entre los electrodos es de solo unos pocos micrómetros. Y esto es lo que nos permite diseñar circuitos flexibles elastoméricos», añade el profesor Motzki.

El reto es que toda la película tiene que someterse a un estiramiento significativo, pero la deformación de la película se ve obstaculizada por el nuevo revestimiento metálico. Aquí es donde entra en juego el equipo de John Heppe. Heppe, profesor de Tecnología de Sensores Físicos y Mecatrónica en la htw saar, también dirige un grupo de investigación en el ZeMA. Las dos universidades están trabajando juntas para traducir sus hallazgos en soluciones industriales y comerciales prácticas. Para equilibrar las propiedades de una capa conductora de metal sólido con las de un sustrato de polímero flexible, el equipo de Heppe utiliza un proceso especial para depositar la capa de metal sobre el elastómero. «Utilizamos una técnica de deposición de material conocida como pulverización catódica. La capa conductora que depositamos en la superficie del elastómero tiene solo diez nanómetros de grosor, más de mil veces más fina que un cabello humano», afirma Mario Cerino, investigador científico del equipo de John Heppe.

El «truco» que utiliza el equipo es estirar el elastómero antes de depositar la capa metálica ultrafina. Cualquiera que haya pegado cinta adhesiva a un globo inflado conocerá el efecto. Cuando se deja salir el aire del globo, la tira de cinta se arruga. Y lo mismo ocurre con la película de elastómero. Cuando el elastómero se relaja, la capa metálica se contrae formando arrugas. «Cuando hacemos esto, conseguimos una resistencia de entre 50 y 100 ohmios en un área de un centímetro cuadrado, que es significativamente menor que antes», dice Mario Cerino.

Los investigadores están utilizando actualmente las películas recubiertas de metal para desarrollar transistores de silicona energéticamente eficientes y rentables. Los transistores son componentes electrónicos que pueden utilizarse para activar y desactivar tensiones y señales eléctricas o para amplificarlas, pero en este caso el equipo quiere desarrollar transistores basados en películas para conmutar altas tensiones. «Al reducir la resistencia eléctrica, podemos hacer que fluya más corriente, al igual que un grifo de cocina deja pasar más agua cuanto más se abre. Esto nos permite conseguir conmutación de alto voltaje con tiempos de ciclo extremadamente cortos, que pueden utilizarse para controlar válvulas, bombas o altavoces», explica Mario Cerino. «Hacemos uso de una propiedad bastante especial de estos sistemas», explica el profesor John Heppe. «Si la película recubierta de metal se estira más de lo que lo estaba durante la pulverización catódica, aparecerán grietas en la capa del electrodo, lo que da lugar a un gran aumento de la resistencia eléctrica. Así pues, si estiramos la película, aparecen grietas. Si dejamos que la película se relaje, las grietas se cierran de nuevo y la estructura arrugada vuelve. Esto nos permite pasar de resistencias muy bajas a resistencias muy altas, comparable a utilizar un transistor como interruptor eléctrico», explica el profesor Heppe.

Una demostración de la tecnología expone 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 las formas que se dibujan en ella. Cuando alguien desliza el dedo por este tejido inteligente, se registran la presión y la dirección del movimiento. A continuación, unos algoritmos avanzados de aprendizaje automático integrados permiten al sistema reconocer las letras o los patrones que se dibujan.

Los expertos en sistemas de materiales inteligentes con sede en Saarbrücken también presentarán otros desarrollos innovadores que hacen uso de estos elastómeros dieléctricos con sensores propios, como textiles y actuadores inteligentes que proporcionan retroalimentación háptica, válvulas y bombas de bajo consumo y actuadores de alto rendimiento.

El estado de Sarre financia el proyecto TransDES con alrededor de 500 000 € procedentes de fondos estatales y del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
Lea la última publicación del equipo: https://doi.org/10.3390/ma17235993

Antecedentes:
La tecnología de elastómeros dieléctricos sigue siendo desarrollada por estudiantes de doctorado que realizan investigaciones como parte de sus proyectos de tesis doctoral bajo la supervisión de los profesores Stefan Seelecke, Paul Motzki y John Heppe. Los resultados se han publicado en forma de artículos en diversas revistas científicas. El trabajo de investigación también ha recibido apoyo de numerosas fuentes. La financiación de la UE se proporcionó a través de una beca de investigación Marie Curie y de la Fundación Alemana para la Investigación a través del Programa Prioritario SPP KOMMMA de la DFG. El gobierno del estado de Sarre ha proporcionado apoyo financiero a través de los proyectos FEDER iSMAT y Multi-Immerse, y ME Saar (la Asociación de Industrias Metalúrgicas y Eléctricas de Sarre) ha financiado un programa de investigación doctoral. Para facilitar la transferencia de su tecnología de materiales inteligentes a los sectores comercial e industrial, los investigadores crearon la empresa «mateligent GmbH», que también expondrá en el mismo stand en la Feria de Hannover de este año.