Fibras invisibles impresas en 3D pueden sentir la respiración, el sonido y las células biológicas

La impresión en 3D de minúsculas fibras conductoras transparentes podría utilizarse para fabricar dispositivos que puedan "oler, oír y tocar", lo que las haría especialmente útiles para vigilancia de la salud, Internet de las cosas y aplicaciones de biosensibilidad, según un estudio publicado en Science Advances.

Unos investigadores de la Universidad de Cambridge utilizaron impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, y técnicas para hacer fibras electrónicas, cada una 100 veces más delgada que un cabello humano, para crear sensores más allá de las capacidades de los dispositivos convencionales basados en películas.

La técnica de impresión de fibras, puede utilizarse para fabricar sensores de respiración portátiles sin contacto y que puedan llevarse puestos. Estos sensores impresos son de alta sensibilidad, de bajo costo y se pueden conectar a un teléfono móvil para recoger información sobre los patrones de respiración, el sonido y las imágenes.

El primer autor, Andy Wang, estudiante de doctorado del Departamento de Ingeniería de Cambridge, utilizó el sensor de fibra para comprobar la cantidad de humedad del aliento que se filtraba a través de su mascarilla, evaluando condiciones respiratorias como la respiración normal, respiración rápida y tos simulada. Los sensores de fibra superaron significativamente a los sensores comerciales comparables, especialmente en el control de la respiración rápida, que reproduce la falta de aliento.

Aunque el sensor de fibra no ha sido diseñado para detectar partículas virales, ya que las pruebas científicas apuntan cada vez más al hecho de que las partículas virales como el coronavirus pueden transmitirse a través de gotitas respiratorias y aerosoles, la medición de la cantidad y dirección de la humedad del aliento que se filtra a través de diferentes tipos de mascarillas podría actuar como un indicador de los puntos "débiles" de protección.

El equipo encontró que la mayoría de las fugas de las máscaras de tela o quirúrgicas vienen de la parte delantera, especialmente durante la tos, mientras que la mayoría de las fugas de las máscaras N95 vienen de la parte superior y de los lados muy ajustados. Sin embargo, ambos tipos de mascarillas, cuando se usan correctamente, ayudan a debilitar el flujo de la respiración exhalada.

"Los sensores fabricados con pequeñas fibras conductoras son especialmente útiles para la detección volumétrica de fluidos y gases en 3D, comparado con las técnicas convencionales de película fina, pero hasta ahora ha sido un reto imprimirlos e incorporarlos a los dispositivos, y fabricarlos a gran escala", dijo el Dr. Yan Yan Shery Huang del Departamento de Ingeniería de Cambridge, que dirigió la investigación.

Huang y sus colaboradores imprimieron en 3D las fibras compuestas, que están hechas de plata y/o polímeros semiconductores. Esta técnica de impresión de fibras crea una estructura con un núcleo de fibra conductora de alta pureza envuelto por una fina funda de polímero protector, similar a la estructura de los cables eléctricos comunes, pero a una escala de unos pocos micrómetros de diámetro.

Además de para sensores respiratorios, la técnica de impresión también puede utilizarse para hacer fibras biocompatibles de una dimensión similar a la de las células biológicas, lo que les permite guiar los movimientos de las células y "sentir" este proceso dinámico como señales eléctricas. Además, las fibras son tan diminutas que son invisibles a simple vista, por lo que cuando se utilizan para conectar pequeños elementos electrónicos en 3D, parece que la electrónica esté "flotando" en el aire.

"Nuestros sensores de fibra son ligeros, baratos, pequeños y fáciles de usar, por lo que potencialmente podrían convertirse en dispositivos de ensayo en el hogar para permitir al público en general realizar pruebas autoadministradas para obtener información sobre sus entornos", sentencia Huang.