Una red de sensores imita el funcionamiento del cerebro

Investigadores de la Universidad de Brown (Estados Unidos) han presentado una red de sensores diseñada para que sus chips puedan implantarse en el cuerpo o integrarse en dispositivos vestibles. La red de comunicación puede transmitir, recibir y descodificar datos de forma eficiente.

Según el estudio, cada sensor de tamaño submilimétrico imita las neuronas del cerebro y se comunica a través de picos de actividad eléctrica. Puede detectar acontecimientos específicos y transmitir datos en tiempo real mediante ondas de radio. Los acontecimientos que los sensores identifican y transmiten pueden ser sucesos concretos, como cambios en el entorno que vigilan, por ejemplo fluctuaciones de temperatura o la presencia de determinadas sustancias.

“Nuestro cerebro funciona de forma muy dispersa. Las neuronas no disparan energía todo el tiempo. Compactan la información y la distribuyen de forma dispersa, lo que las hace muy eficientes. Estamos imitando esta estructura en nuestro enfoque de la telecomunicación inalámbrica”, explica Jihun Lee, investigador postdoctoral de la Universidad Brown y autor principal del estudio.

Según Lee, los sensores no envían datos todo el tiempo, sino sólo los relevantes según las necesidades, como pequeñas ráfagas de picos eléctricos, y son capaces de hacerlo independientemente de los demás sensores y sin la coordinación de un receptor central. De este modo, es posible ahorrar energía y no inundar el centro receptor con datos menos importantes.

Los sensores son capaces de consumir un mínimo de energía y, además, los transceptores externos les suministran energía mientras transmiten datos. Sin embargo, esto significa que necesitan estar dentro del alcance de las ondas enviadas por los transceptores para cargarse de energía. Esta capacidad de funcionar sin necesidad de estar conectados a una fuente de alimentación o batería hace que los sensores resulten cómodos y más versátiles para su uso en distintas situaciones.

Este esquema de transmisión por radiofrecuencia también hace que el sistema sea escalable y resuelve un problema habitual en las redes de comunicación de sensores actuales: la sincronización perfecta para que funcionen bien. Los creadores de los sensores afirman que este avance podría ayudar en el futuro a configurar la forma en que se recoge e interpreta la información procedente de estos chips, sobre todo a medida que los sensores se van haciendo omnipresentes.

“Vivimos en un mundo de sensores. Están por todas partes, desde luego en nuestros coches, en muchos lugares de trabajo y cada vez más en nuestros hogares. El entorno más exigente para estos sensores será el interior de nuestros cuerpos humanos”, subraya Arto Nurmikko, profesor de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Brown y autor principal del estudio.

Los investigadores creen que la solución podría ayudar a sentar las bases de una nueva generación de sensores biomédicos implantables y portátiles.

Cómo se realizaron las pruebas

El equipo diseñó y simuló la electrónica en un ordenador y trabajó en varias fases de fabricación para producir los sensores. El trabajo se basa en investigaciones anteriores del laboratorio de Nurmikko en la universidad, que introdujo un nuevo tipo de sistema de interfaz neural llamado “neurograins”.

Se evaluó la eficacia del sistema y hasta qué punto podía ampliarse. En estas pruebas se ensamblaron 78 sensores en el laboratorio, que demostraron ser capaces de recoger y enviar datos con pocos errores, incluso transmitiendo a horas diferentes. Mediante simulaciones, se pudo demostrar cómo descodificar los datos recogidos del cerebro de primates utilizando unos 8.000 sensores hipotéticamente implantados.

El siguiente paso es optimizar el sistema para reducir el consumo de energía y explorar aplicaciones más amplias, más allá de la neurotecnología. El trabajo se ha publicado en Nature Electronics.

Sensores similares a los de la piel

Otro artículo también publicado en Nature informaba recientemente de un trabajo de la Universidad de Stanford centrado en la electrónica similar a la piel elástica realizado hace más de una década. Ahora se ha presentado un nuevo diseño y proceso de fabricación de estos circuitos, que son cinco veces más pequeños y funcionan a velocidades mil veces superiores a las versiones anteriores. Los investigadores han demostrado que es posible activar una pantalla micro-LED y detectar una matriz Braille con más sensibilidad que las yemas de los dedos humanos.

El núcleo de los circuitos son transistores extensibles fabricados con semiconductores de nanotubos de carbono y materiales electrónicos elásticos blandos desarrollados en el laboratorio de la universidad. A diferencia del silicio, que es duro y quebradizo, los nanotubos de carbono intercalados entre materiales elásticos tienen una estructura en forma de red que les permite seguir funcionando cuando se estiran y deforman.

“Han sido muchos años de desarrollo de materiales e ingeniería. No sólo hemos tenido que desarrollar nuevos materiales, sino también el diseño del circuito y el proceso de fabricación. Hay muchas capas apiladas y si una capa no funciona, tenemos que reiniciarlo todo desde cero”, explica Zhenan Bao, profesor de ingeniería química de Stanford y autor principal del artículo.

En una demostración del nuevo diseño electrónico extensible, fue posible alojar más de 2.500 sensores y transistores en un centímetro cuadrado, creando una matriz táctil activa 10 veces más sensible que las yemas de los dedos humanos. Los investigadores demostraron que el conjunto de sensores puede detectar la ubicación y orientación de formas diminutas o reconocer palabras enteras en Braille.