Nuestro futuro wearable, segunda parte: ¿Cómo funcionará la nueva tecnología?

Por Jerilyn Covert

Esta es la segunda parte de una serie de dos partes sobre el futuro de la tecnología vestible. La primera parte (leer aquí) explora cómo serán los futuros wearables y lo que conseguirán.

23 de agosto de 2022 - Coge tu smartphone. Sí, lo has sujetado mil veces, es como una extensión de tus manos. Pero hagamos un experimento: Agárralo por los dos extremos y estíralo hasta donde pueda llegar. Ahora retuércelo. Envuélvelo alrededor de tu antebrazo. Genial, ¿verdad? Ahora deja que se repliegue.

Espera, ¿qué quieres decir con que tu teléfono no se dobla ni se estira?

Este pequeño ejercicio de imaginación ilustra lo que es posible en el ámbito de los wearables, es decir, los dispositivos electrónicos que llevamos cerca o sobre la piel. En la actualidad, los relojes inteligentes y los teléfonos siguen siendo bloques duros e inflexibles de plástico y metal. Mañana, todo eso cambiará.

"En los wearables, la flexibilidad, la elasticidad y el lavado son requisitos fundamentales", dice Veena Misra, doctora, profesora de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y directora del Centro ASSIST, un instituto de investigación financiado por el gobierno federal que desarrolla wearables para ayudar a la salud.

"Estamos viendo este tipo de desarrollos en todos los ámbitos", afirma Misra, "y se puede comprobar en el número de artículos [de investigación] que se publican sobre los wearables. Ese número está creciendo exponencialmente".

Tendemos a pensar en los wearables como divertidos artilugios de consumo, pero una corriente de pensamiento cada vez más extendida afirma que mejorarán drásticamente la atención sanitaria, proporcionando un vehículo para la monitorización continua y a largo plazo que permita predecir eventos adversos y seguir de cerca las enfermedades, mejorando los tratamientos y los resultados sanitarios en todo el mundo.

Para ello, los dispositivos portátiles deben funcionar a la perfección con nuestro cuerpo. Esto significa hacer que los dispositivos y sistemas convencionales, duros y rígidos, se parezcan más a la piel humana, es decir, que sean suaves, flexibles y extensibles.

¿Cómo se consigue esto? Rediseñando la electrónica a nivel molecular, miniaturizando los sensores y creando fuentes de energía inéditas para soportar lo que los ingenieros llaman un "factor de forma" similar al de la piel.

Para acuñar una frase, no es ciencia ficción. Está sucediendo mientras hablamos, y los nuevos productos que estos avances crearán -empezando potencialmente por la atención sanitaria y pasando al mercado del bienestar de los consumidores- podrían convertirse en algo tan normal como ese teléfono tosco e inflexible que no puedes soltar. He aquí cómo.

¿Por qué es importante el factor de forma?

Un dispositivo portátil que se adapta al cuerpo es mejor en dos aspectos fundamentales: Es menos molesto para el usuario y permite una medición más fiable.

"Los sensores y los sistemas de sensores sufren muchas veces de desajustes mecánicos", dice el doctor Alper Bozkurt, ingeniero eléctrico y colega de Misra en NC State y ASSIST. "Si tienes un tejido blando que se mueve, pero un dispositivo sensor rígido que no se mueve, tu medición puede no ser fiable".

Esto se debe a que todos esos golpes adicionales entre el dispositivo y el cuerpo aparecen como "ruido", una información sin sentido que puede distorsionar la medición y llevar a conclusiones falsas.

También está el "factor humano", señala Bozkurt, la cuestión del cumplimiento.

"Uno de los retos es que diseñamos cosas en el laboratorio, lo probamos todo y se lo llevamos a nuestros operadores médicos, y ellos levantan las cejas y dicen: 'No, mis pacientes no van a llevar esto'", dice Bozkurt. "No se puede imaginar un futuro para los wearables sin resolver el problema del cumplimiento".

La gente quiere un dispositivo que sea cómodo, que no sobresalga y que requiera poca interacción, dice Bozkurt. "Lo llamamos "ponte y olvídate"". Se podría comparar con llevar una tirita: seguro que se nota de vez en cuando, pero la mayoría de las veces pasa a un segundo plano, sin interferir en las tareas diarias y sin que los demás se den cuenta de que está ahí.

Un reloj de pulsera puede parecer bastante cómodo, pero las aplicaciones van más allá de lo que un reloj de pulsera puede permitir, señala el doctor Michael Daniele, miembro del equipo de NC State / ASSIST, que estudia los nanomateriales blandos para diseñar dispositivos que controlen, imiten o complementen las funciones corporales.

Se están desarrollando dispositivos que se pueden llevar puestos para ayudar a los pacientes e incluso tratarlos de forma que "la comodidad del paciente sea una prioridad", dice.

Por ejemplo, el uso de electrodos y componentes electrónicos en los encajes de las prótesis de los miembros inferiores. "Imagínese unos cuantos tornillos metálicos presionando en su extremidad con los que está soportando todo su peso, o imagínese llenando su zapato con una serie de piedras. Ese es el estado de los wearables para un usuario así".

Bien, ¿cómo se puede hacer que la electrónica sea suave y elástica?

Una forma es tomar elementos duros utilizados para controlar la salud -como los chips de silicio- y hacerlos tan finos que se vuelvan flexibles. Uno de los primeros en demostrar este tipo de tecnología de materiales en dispositivos vestibles similares a la piel fue el doctor John Rogers, en 2011, en un histórico artículo de Science titulado Epidermal Electronics.

"Llevábamos varios años muy activos en ese campo", dice Rogers, que por aquel entonces estaba en la Universidad de Illinois y que desde entonces se ha trasladado a la Universidad Northwestern. "Pero entonces nos dimos cuenta de que incluso el silicio -que la mayoría de la gente considera un material muy rígido y quebradizo como una roca- puede adoptar formas y tamaños, y con grosores que permiten doblarlo e... incluso estirarlo".

Rogers, cuyo equipo tiene varias aplicaciones en desarrollo, utiliza una técnica de grabado para raspar la superficie de una oblea semiconductora.

"Resulta que toda la acción de esos circuitos integrados tiene lugar en esa capa casi superficial", dice. "Todo el silicio que hay debajo sólo sirve de soporte mecánico".

Rogers explica que esa capa crítica se incrusta en una matriz de polímero elástico, lo que les permite diseñar sistemas totalmente funcionales que pueden doblarse, retorcerse y estirarse.

Otros utilizan un enfoque diferente, construyendo piezas electrónicas desde cero a partir de materiales intrínsecamente blandos y elásticos: los polímeros. Este es el tipo de trabajo que realiza el ingeniero químico de Stanford Zhenan Bao, utilizando una serie de polímeros con propiedades conductoras.

"En nuestro trabajo, adquirimos conocimientos fundamentales sobre cómo diseñar moléculas de plástico para que tengan las funciones y propiedades que queremos", afirma Bao. Para la electrónica de tipo piel, los plásticos se diseñan -a nivel molecular- para que sean conductores, elásticos y suaves.

Una de las creaciones más recientes del laboratorio de Bao es un polímero que se ilumina, lo que permite mostrar imágenes similares a las de la piel. Se imagina un parche para la piel con una pantalla directamente en ella, o más aún, una cita de telesalud en la que el médico pueda ver y sentir la textura de la piel del paciente a través de una pantalla tridimensional y realista. Ejemplo: Un examen para comprobar la retención de líquidos en pacientes con insuficiencia cardíaca consiste en presionar la piel para ver si rebota, dice Bao. El paciente se pondría una pegatina electrónica alrededor de la pierna y la presionaría para generar una pantalla para el médico de fuera. "El médico podría sentir en la pantalla la textura de la piel que el paciente sentiría", dice, desde una ubicación remota.

"Por supuesto, esto todavía está muy lejos", señala Bao. "Pero eso es lo que creo que sería posible que permitieran las pantallas y los sensores similares a los de la piel".

Más avances salvajes: Metales líquidos, unión por plasma y sensores químicos

Hay otros avances que continúan. Los avances en metales líquidos permiten crear cables conductores estirables. Las antenas textiles resistentes a la humedad pueden transmitir datos cuando se llevan cerca de la piel. Métodos como la unión por plasma de vapor de agua fijan metales finos a polímeros blandos sin perder flexibilidad ni utilizar altas temperaturas y presiones que pueden dañar la electrónica superfina.

Los sensores también están mejorando, es decir, la parte que interactúa con lo que se intenta medir. La mayoría de los sensores comerciales para llevar puestos son mecánicos (utilizados para seguir la actividad física) u ópticos (latidos del corazón, oximetría de pulso). Pero también se están desarrollando sensores químicos para medir los marcadores internos del cuerpo. Éstos son fundamentales para revelar la imagen completa de la salud, dice Joseph Wang, doctor en ciencias y profesor de nanoingeniería de la Universidad de California en San Diego, que ha publicado investigaciones sobre biosensores y dispositivos portátiles.

Por ejemplo, un aumento del lactato y un descenso de la presión arterial pueden significar que se sufre un shock séptico. La medición de los niveles de potasio puede dar información sobre los cambios en el ritmo cardíaco. Y la combinación de las mediciones de la presión arterial y la glucosa puede revelar más sobre la salud metabólica que cualquiera de ellas por separado. "Si se combinan, se obtienen mejores pruebas", afirma Wang.

Aquí es donde la nueva tecnología puede volverse realmente friki. Los sensores químicos se fabrican con algunos de los nanomateriales más exóticos, como el grafeno, los nanotubos de carbono y las nanopartículas de oro, explica Daniele. Algunos (los sensores de glucosa, en particular) utilizan enzimas que se unen a las moléculas objetivo. Otros utilizan aptámeros, cadenas cortas de ADN o ARN.

Los sensores químicos suelen funcionar con fluidos corporales como el sudor, la saliva, las lágrimas o, como en el caso de los monitores continuos de glucosa, el líquido intersticial (el que se encuentra entre las células del cuerpo).

"La mayoría de las cosas que se quieren medir en la sangre se podrán hacer en el líquido intersticial si se dispone de la tecnología de sensores", afirma el doctor Jason Heikenfeld, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Cincinnati. Imagínese que se puede hacer un análisis de sangre completo con sólo ponerse un parche en la piel, sin necesidad de tomar una muestra de sangre".

Heikenfeld también ha investigado el sudor, que parece útil para medir los niveles hormonales (como los que regulan el estrés, el sexo y el sueño) y para controlar los medicamentos recetados, es decir, para controlar los niveles de un fármaco en el cuerpo y hacer un seguimiento de la rapidez con que se metaboliza, dice.

Los sensores de sudor también podrían tener cabida en los análisis caseros, afirma Heikenfeld. "Si hubiera un premio a la elección de los biofluidos, el sudor ganaría", afirma. "No queremos hacer sangre, no queremos babear en un vaso, no queremos meternos con un palo de orina. Lágrimas, olvídalo. La prueba sería un simple parche que te pones en el brazo; recoges un poco de líquido, lo metes en un sobre y lo envías por correo a un laboratorio."

Fuentes de energía portátiles: Más allá de las pilas AA

Si quieres crear un dispositivo electrónico flexible y extensible, necesitarás una forma extensible, flexible e incluso lavable de alimentarlo. Muchos de los wearables actuales, como los smartwatches, se alimentan de baterías muy pequeñas pero rígidas, dice Bao. De ahí su forma voluminosa.

"Sin duda hay una gran demanda de baterías de alta densidad energética y verdaderamente flexibles", afirma.

Esta demanda ha llevado a investigadores de todo el mundo a desarrollar baterías que puedan estirarse y flexionarse. Por citar sólo algunos ejemplos recientes, investigadores canadienses desarrollaron una batería flexible y lavable que puede estirarse hasta el doble de su longitud original y seguir funcionando. En Singapur, los científicos crearon una pila de zinc biodegradable y delgada como el papel, que se puede doblar, retorcer e incluso cortar con tijeras, como cualquier trozo de papel, y sigue funcionando. Otros están diseñando baterías en forma de tiras largas que pueden utilizarse en la ropa inteligente.

Otra opción es la energía inalámbrica, dice Bao. La batería no tiene que estar en el dispositivo, puede estar en la ropa o en el bolsillo y seguir alimentando los sensores. El laboratorio de Bao en Stanford ha desarrollado un dispositivo portátil similar a una pegatina, llamado BodyNet, que puede cargarse mediante identificación por radiofrecuencia, la misma tecnología que se utiliza para controlar la entrada sin llave a las habitaciones cerradas.

Otros, como Misra y sus colegas de ASSIST, están explorando alternativas a las baterías, como la recolección de energía o la conversión del calor corporal, la energía solar o el movimiento en energía.

Misra está trabajando en un generador de energía que puede convertir la diferencia de temperatura entre la piel y la habitación en energía para alimentar un dispositivo. "Tienes una temperatura de la piel de, digamos, 98,6 grados", dice. "La temperatura de tu habitación es probablemente de unos 70 grados Fahrenheit. Y esa diferencia de temperatura de 28 grados puede pasar por un dispositivo llamado generador termoeléctrico, que puede convertir esa diferencia de energía en potencia."

Imagínese: Ya no hay que preocuparse de que la batería se muera, se moje o haya que recargarla. "Tu cuerpo es la batería", dice Misra.

El futuro

Para que los dispositivos portátiles alcancen todo su potencial, todas las piezas deben ser más eficientes desde el punto de vista energético y reunirse en un paquete flexible y extensible, afirma Misra. También deben diseñarse de forma que millones, si no miles de millones, de personas quieran llevarlos.

Igual de importante: Los dispositivos destinados al mundo de la medicina deben proporcionar datos de máxima calidad. Si los datos recogidos no son de calidad, ¿de qué sirven? Y todos esos datos deben convertirse en información útil. Ahí es donde entran en juego la analítica de datos, el aprendizaje automático y la inteligencia artificial. "No son problemas irresolubles", dice Misra, "pero son problemas apasionantes en los que está trabajando gran parte de la comunidad".

En resumen: El futuro de los wearables está en marcha.