Wearables con grafeno:
la nueva frontera entre la tecnología, la salud y la ciencia de materiales
El grafeno ha revolucionado la tecnología vestible al ofrecer sensores flexibles y sensibles capaces de monitorear parámetros médicos en tiempo real. Este nanomaterial destaca por su piezoresistencia, lo que permite detectar movimientos y presiones sin sacrificar comodidad. Además, su versatilidad le permite interactuar con diversos materiales, mejorando la conductividad y flexibilidad de los wearables. Entre estos materiales, sobresalen los polímeros, nanopartículas metálicas y otros compuestos de carbono. Finalmente, la producción del grafeno involucra diferentes métodos, y sus propiedades pueden optimizarse mediante combinaciones con otros materiales.
A principios del siglo XXI la tecnología vestible o “wearable” parecía ser un tema de ficción. Sin embargo, la creciente preocupación por la salud y el bienestar aceleró su evolución al grado que hoy día no solo son dispositivos reales, sino que, para muchos usuarios, ya son artículos de primera necesidad, sobre todo en términos médicos, ya que algunos “wearables” permiten monitorear parámetros importantes como la glucosa, el oxígeno o la frecuencia cardiaca para un seguimiento médico en tiempo real. Incluso, se espera que en el corto plazo estos dispositivos dejarán de dar solo datos, pues gracias a la integración de la inteligencia artificial también podrán interpretar y emitir recomendaciones de forma personalizada para atender cada situación. Naturalmente, esto conlleva cuestiones éticas y de seguridad que deben contemplarse y protegerse adecuadamente.
Wearables con grafeno
En el estricto sentido, el grafeno es un nanomaterial compuesto por una o varias capas de átomos de carbono organizados de manera hexagonal, pero en el sentido práctico, estas características le permiten actuar como un material piezoresistivo excelente, debido a que su resistencia eléctrica puede variar significativamente ante deformaciones mecánicas.
“Cuando se estira o deforma un sensor de grafeno, la distancia y el solapamiento entre sus átomos carbonados cambian, modificando la movilidad de los electrones y, por consiguiente, la resistencia eléctrica. Este efecto se llama piezoresistencia y es la base para la detección de fuerzas, presiones y movimientos en sensores flexibles usados en wearables”.
Gracias a la excelente capacidad de interacción con algunos materiales, el es una base ideal para el desarrollo de sensores capaces de detectar movimiento, temperatura o presión, sin comprometer la comodidad ni la flexibilidad de las prendas que lo incorporan.
¿Con qué materiales interactúa bien el grafeno?
El grafeno es un material sumamente versátil que puede interactuar por enlaces covalentes, interacciones π-π, fuerzas de Van der Waals o enlaces de hidrógeno, dependiendo del tipo de material con el que se combine, desde metales, cerámicos, biomateriales y polímeros, por mencionar algunos ejemplos.
Respecto a los materiales utilizados en la tecnología vestible, resalta su afinidad con polímeros como el poliuretano termoplástico (TPU), que permite que el material se estire, se doble o se lave sin perder conductividad; también con nanopartículas metálicas como el oro y la plata que ayudan a incrementar la conductividad sin perder flexibilidad; con los nanotubos de carbono que ayudan a formar una red más estable y sensible al movimiento, así como con otros materiales de carbono como el negro de humo que favorece la formación de una red conductiva híbrida actuando como puente entre las hojas del grafeno para mejorar la sensibilidad al cambio de resistencia cuando la estructura se deforma.
¿Cómo se fabrica un wearable con grafeno?
Para fabricar este tipo de productos, el primer paso es sintetizar o producir el grafeno, ya sea por el método de deposición química de vapor (CVD), por exfoliación mecánica o por oxidación química. Sobre esto es importante mencionar, que cada grafeno obtenido por cualquiera de estos métodos tiene características distintas entre sí, y es fundamental tener el conocimiento técnico sobre sus alcances, y, por lo tanto, también se pueden considerar realizar funcionalizaciones adicionales con otros materiales para mejorar su desempeño.
Una vez que se tiene el material grafénico con o sin modificaciones, el siguiente paso es integrarlo o inmovilizarlo dentro de una matriz flexible como el polidimetilsiloxano (PDMS) o poliuretano (TPU), que facilite la colocación del sensor en forma de película delgada sobre otro material (p.ej. textil) y que a su vez pueda conectare mediante electrodos a circuitos electrónicos para la adquisición y el procesamiento de señales, para que cuando se encuentre en movimiento, el sensor se deforme, cambie su resistencia eléctrica y se convierta en datos digitales para monitorear parámetros de movimiento, presión, etc.
Avances en la investigación de Wearebles
2025 – Científicos de la Universidad de Cambridge, en conjunto con la Universidad Médica de la Capital de China y la Universidad de Beihang presentaron un sistema con grafeno para el monitoreo del sueño, integrado en prendas inteligentes, lavables y compatibles con la piel; el sistema detecta las vibraciones de la laringe mediante una matriz de sensores de deformación de seis canales colocados en la tela colocada en el cuello para reconocer y analizar patrones de sueño.
2022 – Investigadores de la universidad de Pensilvania, desarrollaron un parche de polidimetilsiloxano (PDMS) con grafeno para monitorear la temperatura corporal; los hallazgos demostraron una mejora de la conductividad térmica del 24%. Además, su combinación con un software de lectura para análisis y procesamiento en una terminal inteligente facilitó el monitoreo en tiempo real con un gran potencial de aplicación en situaciones complejas de salud pública, como lo ocurrido en la pandemia por el SAR-Cov-2.
2021– Científicos de la Escuela de Ingeniería Mecánica y de Potencia de la Universidad de Wuhan, Hubei, China, fabricaron sensores flexibles de grafeno y negro de humo con gran sensibilidad, estabilidad y excelente relación entre deformación y resistencia eléctrica.
2019 – El Graphene Flagship en colaboración con el Instituto de ciencias fotónicas (España), presentó uno de los primeros prototipos de wearables de grafeno con puntos cuánticos, capaz de medir signos vitales múltiples (p.ej., frecuencia cardíaca, tasa respiratoria, saturación de oxígeno, exposición UV) mediante óptica flexible, demostrando que el grafeno podría usarse para sensores ópticos con formas muy ligeras y cómodas.
2017 – Investigadores de Tsinghua University y Shanghai Jiao Tong University, China, desarrollaron un dispositivo ultradelgado para el cuello capaz de detectar movimientos de las cuerdas vocales, y de emitir sonido. Entre lo destacable de este prototipo fue su gran sensibilidad con cambios relativos de resistencia de hasta ~150 % a ~133 Ω y una emisión sonora de ~75 dB a 0.38 W a 2 mm de distancia.
2017 – Científicos del Centro de Investigación y Aplicación de Nanotecnología de la Universidad Sabancı, Estambul, desarrollaron una prenda inteligente con electrodos textiles con grafeno para monitoreo de biopotenciales (electrocardiográficos) de muñecas y cuello. En comparación con los electrodos convencionales el prototipo de grafeno tuvo un rendimiento casi equivalente al estándar clínico, pero más cómodo.
Dearrollos Comerciales
Si bien la mayoría de las investigaciones continúan en etapas experimentales o de prototipo, ya existen algunas compañías que han logrado traspasar las barreras de los laboratorios científicos para llegar al mercado:
GraphWear (Estados Unidos): Desarrolló un wearable con grafeno para monitoreo de glucosa sin punción. Este dispositivo consiste en una fina lámina de grafeno que se adhiere a la parte posterior del reloj o a una pegatina que se puede llevar en el abdomen.
Graphene Newton (India): Lanzó al mercado una línea de uniformes y wearables con grafeno para monitoreo de salud, ubicación y el rendimiento militar.
Versarien (Reino Unido): Mediante su tecnología Graphene-Wear™ ofrece a sus usuarios una mayor transmisión térmica, una gestión superior de la humedad y un secado más rápido, manteniendo la permeabilidad al aire y al vapor de agua. Además, recientemente recibió la certificación del sistema OEKO-TEX® que certifica que Graphene-Wear™ es una tecnología sostenible que cumple con los requisitos legales y estándares de la industria aplicables, sin representar ningún riesgo para la salud humana.
Redacción: EF/DHS
Referencias
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