Científicos de la Universidad Normal del Noreste de China presentaron un receptor artificial de dolor capaz de identificar distintos niveles de intensidad y restaurar su funcionamiento tras sufrir daños físicos.
El dispositivo promete transformar la robótica humanoide y la rehabilitación médica, de acuerdo con un estudio publicado en la revista Advanced Functional Materials.
El objetivo del desarrollo fue reproducir una función esencial del cuerpo humano: la detección y transmisión del dolor. Los nociceptores, sensores biológicos que alertan al sistema nervioso ante estímulos perjudiciales, inspiran el diseño de este receptor artificial.
La capacidad de los nociceptores para anticipar y prevenir lesiones resulta crucial en la protección del organismo, y su adaptación a sistemas inteligentes abre nuevas posibilidades en la interacción entre seres vivos y tecnología.
Funcionamiento y características del receptor artificial
El receptor artificial diseñado por el equipo de Xuanyu Shan replica el proceso biológico mediante la identificación de estímulos dañinos y la generación de señales equivalentes a respuestas de evasión.
El dispositivo no solo detecta la presencia de daño, sino que además distingue entre diferentes grados de intensidad, permitiendo una clasificación precisa en cuatro niveles: “sin dolor”, “dolor leve”, “dolor moderado” y “dolor severo”. Esta precisión representa una diferencia fundamental respecto a sensores convencionales, que suelen limitarse a alertar sobre la existencia de un daño sin graduarlo.
La sensibilidad escalonada del receptor se convierte en una herramienta valiosa para la robótica humanoide, campo en el que la capacidad de respuesta adaptativa y la sensibilidad similar a la humana son cruciales para el desarrollo de máquinas más seguras y eficientes.
En situaciones donde los robots interactúan con personas o manipulan objetos delicados, diferenciar la magnitud del daño puede evitar accidentes y mejorar la toma de decisiones autónomas.
Componentes innovadores: gelatina y memristores
El dispositivo se basa en una estructura de doble película de gelatina, cada una con una concentración diferente. La capa con un 10 % de gelatina funciona como sensor de presión, mientras que la de un 1 % alberga el memristor, un componente electrónico avanzado capaz de regular el flujo de corriente y conservar el historial eléctrico.
Esta propiedad resulta esencial para dotar al receptor de una memoria funcional que le permite recordar estímulos previos y adaptar su comportamiento.
El memristor, pieza central del sistema, posibilita que la conductancia eléctrica del receptor se exprese en valores cuantificados, generando los cuatro estados diferenciados de dolor.
Durante los ensayos realizados por el equipo, se aplicaron fuerzas mecánicas entre nueve y 45 kilopascales (kPa), comprobando que el receptor podía distinguir los distintos niveles de dolor de manera fiable. Además, el sistema responde con mayor intensidad a estímulos repetidos, simulando así la forma en que los sensores biológicos incrementan su sensibilidad ante daños continuos.
Uno de los aspectos más destacados del dispositivo es su capacidad de autocuración. Para comprobar esta función, los investigadores sometieron los sensores de gelatina a cortes de hasta 50,7 micrómetros de ancho. Posteriormente, aplicaron calor a 60 ℃ durante veinte minutos. Como resultado, tanto la estructura como la conductividad eléctrica del receptor se restauraron completamente.
“El dispositivo demuestra autocuración al recuperar su función luego de un daño físico”, explicaron los científicos. Esta característica resulta decisiva para garantizar la durabilidad y fiabilidad del receptor en aplicaciones reales, donde los dispositivos pueden estar expuestos a condiciones adversas y daños accidentales.
Pruebas en contextos biológicos
Para validar la funcionalidad del receptor en un entorno biológico, los científicos lo conectaron al nervio ciático de un ratón anestesiado. Al aplicar presión sobre el receptor, el dispositivo transmitió señales eléctricas que provocaron contracciones musculares en la extremidad del animal. Según Advanced Functional Materials, la reacción simuló la respuesta de evasión propia de organismos vivos ante un estímulo doloroso.
Al incrementar la presión, las contracciones musculares se intensificaron y el movimiento de las patas aumentó, comprobando la capacidad del sistema para modular la respuesta según la intensidad del estímulo.
El desarrollo de sensores artificiales de dolor ha evolucionado notablemente en los últimos años. Las primeras aproximaciones empleaban semiconductores tradicionales y circuitos complejos para simular funciones básicas.
La introducción de los memristores permitió un diseño mucho más compacto, eficiente y duradero, facilitando la simulación de la memoria y la respuesta adaptativa del sistema nervioso humano.
A diferencia de tecnologías anteriores, el receptor chino añade la posibilidad de graduar la percepción del dolor y restaurar su funcionamiento tras sufrir daños, dos propiedades esenciales para una percepción realista y continua. Además, el uso de memristores posibilita una mayor sensibilidad y una integración más sencilla en sistemas inteligentes, superando las limitaciones de los sensores basados en semiconductores.
Las aplicaciones de este receptor artificial son múltiples. En robótica humanoide, permitirá que los robots detecten y respondan a estímulos peligrosos con una sensibilidad similar a la humana, mejorando la seguridad en la interacción entre máquinas y personas.
En el ámbito médico, el avance abre nuevas posibilidades para el desarrollo de neuroprótesis y dispositivos de rehabilitación capaces de restaurar funciones motoras y sensoriales en personas que han sufrido lesiones.
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