Los dispositivos electrónicos vestibles para el seguimiento de la salud y la actividad física son un sector de la electrónica de consumo en rápido crecimiento; una de sus principales limitaciones es la capacidad de sus diminutas baterías para suministrar suficiente energía para transmitir datos. Ahora, investigadores del MIT y de Canadá han encontrado un nuevo enfoque prometedor para suministrar las ráfagas de energía breves pero intensas que necesitan estos pequeños dispositivos.
La clave es un nuevo enfoque para fabricar supercondensadores —dispositivos que pueden almacenar y liberar energía eléctrica en ráfagas, necesarias para las breves transmisiones de datos de dispositivos vestibles como monitores de frecuencia cardíaca, computadoras o teléfonos inteligentes, según los investigadores. También pueden ser útiles en otras aplicaciones que requieren mucha potencia en poco volumen, como los microrrobots autónomos.
El nuevo enfoque utiliza hilos hechos de nanocables del elemento niobio como electrodos en diminutos supercondensadores (que son, en esencia, pares de fibras conductoras de electricidad con un aislante entre ellas). El concepto se describe en un artículo de la revista ACS Applied Materials and Interfaces , escrito por Ian W. Hunter, profesor de ingeniería mecánica del MIT; el estudiante de doctorado Seyed M. Mirvakili, y otros tres investigadores de la Universidad de Columbia Británica.
Durante la última década, los investigadores en nanotecnología han trabajado para aumentar el rendimiento de los supercondensadores. Entre los nanomateriales, las nanopartículas basadas en carbono —como los nanotubos de carbono y el grafeno— han mostrado resultados prometedores, pero presentan una conductividad eléctrica relativamente baja, afirma Mirvakili.
En este nuevo trabajo, él y sus colegas han demostrado que características deseables para estos dispositivos, como una alta densidad de potencia, no son exclusivas de las nanopartículas basadas en carbono y que el hilo de nanocables de niobio es una alternativa prometedora.
«Imagine que tiene algún tipo de sistema vestible de monitoreo de la salud», dice Hunter, «y que necesita transmitir datos, por ejemplo, mediante Wi-Fi, a larga distancia». En la actualidad, las baterías del tamaño de una moneda que se usan en muchos dispositivos electrónicos pequeños tienen una capacidad muy limitada para suministrar mucha energía de una sola vez, que es lo que necesitan estas transmisiones de datos.
«El Wi-Fi de largo alcance requiere bastante energía», dice Hunter, profesor George N. Hatsopoulos de Termodinámica del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, «pero quizá no se necesite durante mucho tiempo». Por lo general, las baterías pequeñas no son adecuadas para estas necesidades de potencia, añade.
«Sabemos que varias empresas del ámbito del monitoreo de la salud o del ejercicio se enfrentan a este problema. Una alternativa es recurrir a una combinación de batería y condensador», dice Hunter: la batería para funciones de bajo consumo a largo plazo y el condensador para breves ráfagas de alta potencia. Esta combinación debería permitir aumentar el alcance del dispositivo o —quizá más importante en el mercado— reducir significativamente sus requisitos de tamaño.
El nuevo supercondensador basado en nanocables supera el rendimiento de las baterías existentes y ocupa muy poco volumen. «Si tengo un Apple Watch y reduzco su masa un 30 %, quizá ni siquiera lo note», dice Hunter. «Pero si reduzco su volumen un 30 %, eso sí sería importante», afirma: los consumidores son muy sensibles al tamaño de los dispositivos vestibles.
La innovación es especialmente importante para los dispositivos pequeños, dice Hunter, porque otras tecnologías de almacenamiento de energía —como las pilas de combustible, las baterías y los volantes de inercia— tienden a ser menos eficientes o simplemente demasiado complejas para resultar prácticas cuando se reducen a tamaños muy pequeños. «Estamos en un punto óptimo», dice, con una tecnología capaz de suministrar grandes ráfagas de potencia desde un dispositivo muy pequeño.
Idealmente, dice Hunter, sería deseable contar con una alta densidad volumétrica de potencia (la cantidad de potencia almacenada en un volumen determinado) y una alta densidad volumétrica de energía (la cantidad de energía en un volumen determinado). «Nadie ha descubierto cómo hacerlo», afirma. Sin embargo, con el nuevo dispositivo, «tenemos una densidad volumétrica de potencia bastante alta, una densidad de energía media y un costo bajo», una combinación que podría ser muy adecuada para muchas aplicaciones.
El niobio es un material bastante abundante y de uso extendido, afirma Mirvakili, por lo que todo el sistema debería ser económico y fácil de producir. «El costo de fabricación es bajo», dice. Otros grupos han fabricado supercondensadores similares con nanotubos de carbono u otros materiales, pero los hilos de niobio son más resistentes y 100 veces más conductores. En conjunto, los supercondensadores basados en niobio pueden almacenar hasta cinco veces más potencia en un volumen determinado que las versiones de nanotubos de carbono.
El niobio también tiene un punto de fusión muy alto —casi 2,500 grados Celsius—, por lo que los dispositivos hechos con estos nanocables podrían ser adecuados para aplicaciones de alta temperatura.
Además, el material es muy flexible y podría tejerse en telas, lo que permitiría crear versiones vestibles; los nanocables individuales de niobio tienen apenas 140 nanómetros de diámetro —140 milmillonésimas de metro, o aproximadamente una milésima parte del ancho de un cabello humano.
Hasta ahora, el material solo se ha producido en dispositivos a escala de laboratorio. El siguiente paso, que ya está en curso, es determinar cómo diseñar una versión práctica y fácil de fabricar, afirman los investigadores.
«Este trabajo es muy significativo para el desarrollo de tejidos inteligentes y de las tecnologías vestibles del futuro», afirma Geoff Spinks, profesor de ingeniería de la Universidad de Wollongong, en Australia, quien no participó en esta investigación. El artículo, añade, «demuestra de manera convincente el impresionante rendimiento de los supercondensadores de fibra basados en niobio».
El equipo también incluía al estudiante de doctorado Mehr Negar Mirvakili y a los profesores Peter Englezos y John Madden, todos de la Universidad de Columbia Británica.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler escribe para MIT News.
Imagen: Un visitante utiliza tecnología vestible en una conferencia internacional. REUTERS/Edgar Su.
