Sentado ante un banco de laboratorio, el ingeniero textil André Correa Marcilio une las puntas de dos hilos de algodón en una pequeña lámpara, que se enciende de inmediato. El secreto reside en las partículas de carbono y plata conductoras de la electricidad impregnadas en los hilos. Director de la empresa AG Têxtil, fabricante de telas especiales con sede en el municipio de Americana, en el interior de São Paulo, Correa Marcilio dice que planea utilizar los hilos de algodón conductores de energía para fabricar un cojín que pueda funcionar como control remoto. Estará dotado de botones táctiles bordados que permitirán controlar un televisor inteligente, por ejemplo.
Los hilos especiales enrollados en un ovillo forman parte de un campo de la ingeniería textil llamado electrónica vestible o textiles electrónicos. El objetivo de la empresa es desarrollar y producir telas o películas flexibles capaces de conducir la electricidad del mismo modo que los hilos de cobre convencionales. Estos materiales, inocuos para el usuario, ya empiezan a utilizarse en ropa, calzado y accesorios, que adquieren nuevas funciones. Compañías como Levi’s y Google, por ejemplo, han creado una chaqueta capaz de controlar el teléfono móvil mediante un dispositivo con una antena Bluetooth y una batería, colocados en el puño extraíble, que saldrá a la venta a finales de año y costará 350 dólares.
Por su parte, AG Têxtil fabrica un bolso de playa con una batería y una antena Bluetooth, que puede conectarse al teléfono móvil y reproducir música en un altavoz integrado en el bolso. En un futuro algo más lejano, habrá tejidos capaces de producir y almacenar electricidad para cargar un teléfono inteligente o sensores que midan el ritmo cardíaco y la presión arterial.
Otro ejemplo procede del Centro de Componentes Semiconductores y Nanotecnologías de la Universidad de Campinas (CCSNano-Unicamp): una película flexible de nanografito combinado con silicona con propiedades conductoras, que se utiliza en la plantilla de una bota y está destinada a calentar los pies de quienes trabajan a bajas temperaturas, como en el caso de los frigoríficos. La innovación está siendo licenciada a una empresa, que pretende fabricarla a escala comercial.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP El prototipo de la Unicamp: una bota con una plantilla capaz de generar calorLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
El físico Stanislav Moshkalev, coordinador la investigación, se propone utilizar únicamente componentes nacionales, con miras a reducir el costo en comparación con productos similares importados. Incluso superpuestas, las películas pueden doblarse sin desgarrarse, con propiedades conductoras cercanas a las del grafeno, un material más caro, según se detalla en un artículo publicado en abril de 2023 en la revista científica Frontiers in Nanotechnology.
En la plantilla, uno de los lados de la película está recubierto con espuma sintética y el otro, con un material conocido como tela no tejida (TNT), compuesta por fibras y polímeros. Un hilo de cobre conduce la electricidad desde las baterías recargables, instaladas en un bolsillo exterior de la caña de la bota, hasta la película. Es capaz de mantenerse caliente a una temperatura de unos 30 grados centígrados hasta siete horas. No hay riesgo de descargas porque la tensión no supera los 12 voltios (V).
Una de las dificultades de la innovación fue conectar la batería a la película. “La silicona no aguanta mucho tiempo la soldadura entre los conectores de la película y los cables de cobre. Probamos con pegarla y coserla, pero la conexión se perdía”, explica la química Silvia Nista, quien forma parte del grupo de la Unicamp. La solución que se les ocurrió a los investigadores fue desarrollar una nueva forma de soldar, que aún se mantiene en secreto y para la que se ha solicitado una patente. “La película con este nuevo tipo de soldadura podría utilizarse para generar calor en guantes y cascos de motociclistas o incluso en tratamientos terapéuticos”, comenta Moshkalev.
Los hilos conductores de electricidad de AG Têxtil fueron desarrollados en colaboración con el Centro de Tecnología de la Información Renato Archer (CTI), de Campinas, en el interior paulista, con el apoyo del Programa de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe) de la FAPESP. Marcilio comenta que intentó comercializarlas, pero solo aparecieron interesados en productos acabados. “Una empresa quería cientos de bolsos con logotipos que se iluminaran; otra, asientos de automóviles que pudieran regularse mediante botones bordados sensibles al tacto, y una tercera pretendía ropa de cama con sensores para monitorear el sueño de las personas”, relata.
Jacquard GoogleChaqueta de Levi’s con un bolsillo para el teléfono móvil, que se controla mediante señales enviadas por un dispositivo removible colocado en el puñoJacquard Google
Empero, no había forma de satisfacer esos pedidos. “El impedimento radica en la escala de producción necesaria para poder atender el volumen de estas demandas”, dice la química Renata Nome, responsable del desarrollo de los hilos. Tras la investigación de mercado que formó parte de un curso de emprendimientos organizado por la FAPESP, ella y Marcilio optaron por producir bolsos y almohadas que pudieran albergar estos componentes.
Jacquard GoogleDispositivo removible colocado en el puñoJacquard Google
En la Universidad Federal de Vale do São Francisco (Univasf), campus de Juazeiro, en Bahía, el ingeniero electrónico Helinando Pequeno de Oliveira está intentando crear telas y películas que puedan generar su propia energía, sin necesidad de pilas y baterías.
Desde 2019, Pequeno de Oliveira y su equipo desarrollan prototipos de componentes fabricados con telas y películas que captan energía mecánica, como la generada por el movimiento del cuerpo. Son los llamados nanogeneradores triboeléctricos, también conocidos por su sigla en inglés Teng (triboelectric nanogenerators).
Estos dispositivos transforman la energía electrostática (generada por cargas eléctricas estáticas y que se almacena en la superficie de los objetos o del cuerpo) en corriente eléctrica a través de la fricción generada por el contacto constante entre dos superficies. Por lo general, una de las superficies es un polímero y la otra, un material capaz de intercambiar cargas entre ellas (una se vuelve positiva y la otra negativa). Los primeros prototipos fueron diseñados por investigadores chinos en 2012.
El grupo de la Univasf desarrolló una película triboeléctrica flexible hecha de PVA, un polímero sintético con fibroína, una proteína extraída de la seda. En un experimento, la película fue presionada repetidamente contra una película de silicona transparente para generar energía eléctrica, algo distintivo en este caso, ya que estos dispositivos suelen tener una segunda capa de metal.
“Obtuvimos un material con casi un 70 % de transparencia, alta conductividad y un voltaje generado de hasta 172 V. Con la electricidad proporcionada, pueden encenderse hasta 56 lámparas LED y alimentar pequeños dispositivos electrónicos”, comenta Pequeno de Oliveira, quien describió estos resultados en un artículo publicado en enero de 2023 en la revista científica Nano Energy. En el futuro, según él, las principales aplicaciones de los nanogeneradores de este tipo estarían en el calzado, ya que al caminar se produce el movimiento continuo necesario para generar la energía suficiente como para cargar un teléfono móvil.
Además de generar energía, es necesario almacenarla. Para ello, Pequeno de Oliveira fabricó hilos de algodón conductores químicamente modificados para que hicieran las veces de electrodos y funcionaran como supercapacitores, dispositivos capaces de almacenar energía. En este caso, generada por el movimiento del cuerpo.
Los hilos de algodón se volvieron capaces de producir y almacenar energía tras impregnarlos con una doble capa de nanotubos de carbono y grafeno, recubierta por un polímero plástico. Como se describe en un artículo publicado en abril de 2018 en la revista ACS Applied Materials & Interfaces, dos hilos, uno con carga positiva y otro con carga negativa, separados por un hidrogel adhesivo, se cosen a un guante, que también se calienta y tiene propiedades antibacterianas.
“El polímero que recubre los hilos almacena la energía para una descarga que dura entre dos y seis minutos”, explica. Su plan consiste en crear dispositivos que sean capaces de mantener la carga almacenada durante más tiempo. A medida que avance, esta técnica podría ir más allá de la indumentaria textil. “Podría incluirse en marcapasos que serían alimentados por el movimiento del propio cuerpo, eliminando la necesidad de cambiar la batería”, proyecta Pequeno de Oliveira.
Con el tiempo, la ropa o la propia piel también podrían convertirse en perchas para dispositivos de seguimiento y control de la salud. En el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), el físico Osvaldo Oliveira Júnior creó un biosensor que analiza el nivel de urea corporal a través del sudor, de importancia para controlar la función renal, según detalla en un artículo publicado en marzo en la revista Biosensors and Bioelectronics.
AG Têxtil Bolso playero de AG Têxtil, que incorpora una batería y antena Bluetooth y puede conectarse al teléfono móvil para reproducir músicaAG Têxtil
Con el formato de un parche adhesivo, el biosensor está compuesto por una capa de PVA con electrodos flexibles de carbono. Combina un sensor de urea y otro de pH (potencial de hidrógeno, que mide la acidez o basicidad de las sustancias), que permiten analizar la urea a partir de la acidez detectada en el sudor. “Como los niveles de acidez varían de una persona a otra, el segundo sensor corrige las oscilaciones y proporciona datos más precisos a una computadora, que aún necesita conectarse al parche mediante cables”, explica Oliveira Júnior. Una próxima etapa apunta a lograr que este biosensor pueda enviar datos sin necesidad de cables.
Las investigaciones internacionales, según refiere el investigador del IFSC-USP, indican que hay tres grandes áreas de desarrollo para los dispositivos vestibles. “Una de ellas es la salud, con sensores capaces de monitorear diversas propiedades del cuerpo a través del sudor y otros fluidos”. Hace 20 años, su grupo estudió formas de añadir nuevas funciones a los tejidos desarrollando un prototipo con nanopartículas de plata con propiedades bactericidas y otro con propiedades antiolor.
Los otros campos con potencial de aplicación, descritos en este artículo, son los dispositivos electrónicos adheridos a la ropa, al calzado y a los accesorios que permiten generar y almacenar electricidad a través de la vestimenta, y otra ropa inteligente capaz de regular la temperatura corporal en ambientes muy fríos o muy calurosos, preferiblemente sin pilas ni baterías.
A finales de junio, Nike presentó una chaqueta deportiva con un sistema de ventilación que se adapta automáticamente al cuerpo del usuario. Según el sitio web de la empresa, la prenda tiene pequeñas aberturas sensibles a la humedad que se abren cuando se acumula sudor en la piel para mejorar el flujo de aire. Cuando el cuerpo se enfría y el sudor se seca, las aberturas se cierran. Este mecanismo es producto de una película, cosida a estas aberturas, que reacciona a la humedad, contrayéndose o expandiéndose en forma autónoma cuando entra en contacto con el sudor. El objetivo es ayudar a corredores y atletas a hacer frente a un problema recurrente: regular la temperatura corporal mientras practican deporte.
Proyecto
Filamentos conductores eléctricos con incorporación de nanomateriales y aplicaciones en electrónica textil (no 19/10547-3); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigadora responsable Renata Cristiano Nome (AG Têxtil); Inversión R$ 519.136,38.
Artículos científicos
NISTA, S. V. G. et al. Flexible highly conductive films based on expanded graphite/polymer nanocomposites. Frontiers in Nanotechnology. abr. 2023.
CANDIDO, I. C. M. et al. PVA-silk fibroin bio-based triboelectric nanogenerator. Nano Energy. v. 105, 108035. ene. 2023.
LIMA, M. A. P. et al. Multifunctional wearable electronic textiles using cotton fibers with polypyrrole and carbon nanotubes. ACS Applied Materials & Interfaces. v. 10, n. 16. abr. 2018.
IBÁÑEZ-REDÍN, G. et al. Wearable potentiometric biosensor for analysis of urea in sweat. Biosensors & Bioeletronics. v. 223, p. 114994. mar. 2023.
