El fin de la preocupación por la batería en los sensores ponibles

El fin de la preocupación por la batería en los sensores ponibles

¿Conoce ese pequeño momento de pánico cuando se apaga un monitor de actividad física justo al empezar a hacer ejercicio? De repente, el dispositivo que debía medir la frecuencia cardíaca, las calorías quemadas y la intensidad del ejercicio se convierte en un trozo de plástico inútil en la muñeca. La frustración de buscar cables de carga, la incomodidad de los dispositivos que necesitan recargarse constantemente en tomas de corriente y la preocupación ambiental por las baterías desechables han afectado desde hace tiempo a la industria de la tecnología ponible. Investigadores en Japón desarrollaron una tecnología que podría dejar atrás estas molestias. Un equipo de la Universidad de Ciencias de Tokio creó un parche fino que se adhiere a la piel y genera electricidad directamente a partir del sudor, lo que elimina por completo la necesidad de baterías recargables o cables de carga.

El avance se basa en una tinta enzimática a base de agua que permite imprimir mediante serigrafía, en un solo paso, bioceldas de combustible completas sobre sustratos de papel. El estudio, publicado en línea el 6 de febrero de 2026 en ACS Applied Engineering Materials, demuestra una densidad de potencia máxima de aproximadamente 165 microvatios por centímetro cuadrado (alrededor de 1.065 microvatios por pulgada cuadrada) a 0,63 voltios. Esta potencia basta para alimentar biosensores de bajo consumo y transmitir datos de forma inalámbrica, lo que podría transformar la manera en que vigilamos la salud durante el ejercicio, la atención clínica y la vida cotidiana. La innovación supone un cambio fundamental: pasar de la energía almacenada a la energía obtenida del entorno, utilizando la propia química del cuerpo como fuente de combustible.

El profesor asociado Isao Shitanda, quien dirigió el equipo de investigación del Departamento de Química Pura y Aplicada, explica que el objetivo era superar los obstáculos de fabricación que durante años han mantenido tecnologías similares confinadas a los laboratorios. Al crear una tinta que se imprime de manera uniforme en una sola pasada, el equipo ha abierto una vía práctica para producir en masa biosensores ponibles sin batería. Este avance llega mientras el mercado mundial de dispositivos médicos ponibles se acerca a un valor de 195.000 millones de dólares, y la eliminación de las baterías representa uno de los desafíos de ingeniería más urgentes del sector.

Convertir la química del cuerpo en electricidad

Estos dispositivos se denominan bioceldas de combustible enzimáticas, o EBFC, y generan electricidad mediante enzimas biológicas que impulsan reacciones químicas en los fluidos corporales. En este estudio, el combustible principal es el lactato, un subproducto metabólico presente en el sudor. Cuando usted hace ejercicio, los músculos producen lactato al consumir glucosa para obtener energía, y parte de este compuesto sale del cuerpo a través de la transpiración. Los investigadores japoneses diseñaron su sistema para medir concentraciones de lactato de aproximadamente 1 a 25 milimoles por litro, un rango que corresponde directamente a condiciones reales de ejercicio, desde la actividad ligera hasta el esfuerzo físico intenso.

El proceso electroquímico destaca por su sencillez. En un electrodo, las enzimas ayudan a extraer electrones de las moléculas de lactato. Luego, esos electrones circulan por un circuito externo y generan corriente eléctrica. En el electrodo opuesto, el oxígeno del aire circundante los acepta para completar la reacción. Este flujo continuo de electrones proporciona energía aprovechable para la medición y la transmisión de datos, sin necesidad de almacenar carga ni de una fuente de alimentación externa. Como el dispositivo depende de sustancias químicas que el cuerpo produce de forma natural, genera electricidad pasivamente durante actividades cotidianas como caminar, hacer ejercicio o realizar tareas habituales.

Estudios anteriores del mismo grupo de investigación ya habían demostrado que esta potencia puede alimentar sistemas Bluetooth de baja energía, lo que permite al dispositivo transmitir de forma inalámbrica lecturas del lactato en el sudor sin ayuda de baterías. Así se crea un ciclo de monitoreo autosuficiente: cuanto más esfuerzo hace usted, más suda y, por consiguiente, hay más energía disponible para transmitir datos sobre su estado físico. Esta relación es muy útil para el monitoreo de la salud mediante dispositivos ponibles. Significa que el sensor funciona mejor justo cuando el cuerpo necesita más monitoreo.

Resolver el cuello de botella de la producción

Durante años, las bioceldas de combustible enzimáticas han mostrado potencial en laboratorios, pero las dificultades de fabricación han impedido su adopción generalizada. Los métodos convencionales de fabricación implican varios pasos laboriosos. Primero, los fabricantes deben imprimir una capa de electrodo de carbono; después, aplicar por separado soluciones de enzimas y mediadores mediante goteo y, por último, esperar a que se sequen las películas irregulares. Este proceso de varias etapas genera una variabilidad considerable entre dispositivos, lo que dificulta el control de calidad y hace poco práctica la producción en masa. Pequeñas diferencias en la cantidad de líquido aplicada o en el tiempo de secado pueden modificar la potencia y la capacidad de medición de un parche a otro.

Para abordar este desafío, el profesor asociado Isao Shitanda y su equipo, que incluye a Mahiro Omori, de la Universidad de Ciencias de Tokio, y a Mitsuru Hanasaki, de RESONAC Co. Ltd, desarrollaron una fórmula que reúne estos delicados pasos en una sola capa imprimible. La innovación consiste en mezclar previamente la química activa directamente en una tinta imprimible, lo que permite fabricar ambos electrodos en una sola pasada con una malla serigráfica sobre un sustrato fino de papel.

Para evitar técnicas de fabricación de EBFC laboriosas, ineficientes y costosas, necesitamos llevar al mercado una tinta enzimática que pueda imprimirse de manera uniforme y sea adecuada para la producción en masa.

La serigrafía ya se utiliza ampliamente en la fabricación industrial, lo que significa que esta tecnología podría integrarse sin dificultad en las líneas de producción existentes. La fórmula a base de agua evita los disolventes orgánicos que podrían dañar las delicadas estructuras enzimáticas y garantiza que los componentes biológicos mantengan su actividad después de la impresión. Esta consolidación reduce las diferencias entre dispositivos y plantea el siguiente desafío: convertir las impresiones de laboratorio en sensores duraderos y ponibles que las fábricas puedan producir a gran escala.

Diseñar la tinta ideal

Crear una tinta enzimática estable e imprimible exigió equilibrar cuidadosamente varios componentes. El equipo de investigación combinó carbono mesoporoso preparado con una plantilla de óxido de magnesio, un material poroso con una superficie extremadamente amplia, con mediadores químicos que facilitan la transferencia de electrones. Añadieron un aglutinante novedoso a base de agua llamado POLYSOL, una emulsión de polímero que se une con fuerza a las superficies de carbono y, al mismo tiempo, mantiene un entorno estable para las enzimas dentro de la estructura porosa. La carboximetilcelulosa se utilizó como espesante para lograr la consistencia adecuada para la serigrafía.

La inclusión de carboximetilcelulosa es especialmente significativa. Una investigación relacionada, publicada en Nature, ha demostrado que este aditivo mejora la dispersabilidad de las tintas de carbono mesoporoso y aumenta la accesibilidad de los poros internos del material. En estudios anteriores, añadir CMC a fórmulas similares de carbono más que duplicó la densidad de corriente máxima y aumentó la densidad de potencia más de 2,5 veces, en comparación con los electrodos fabricados sin el aditivo.

Quizá el aspecto más difícil de fabricar bioceldas de combustible ha sido siempre el cátodo, el electrodo que utiliza oxígeno y en el que los electrones completan el circuito. Las enzimas que procesan oxígeno son especialmente sensibles y difíciles de estabilizar con los métodos de fabricación convencionales. Al incorporar directamente la bilirrubina oxidasa en la misma mezcla de tinta imprimible que se utiliza para el resto de la celda, el equipo japonés logró formar un cátodo estable y de alto rendimiento en una sola pasada. Es la primera impresión serigráfica exitosa de un lado catódico totalmente funcional mediante tinta enzimática, lo que elimina el último gran obstáculo para producir bioceldas de combustible a gran escala.

Un rendimiento acorde con la vida real

Las pruebas electroquímicas revelaron que los electrodos impresos superaban ampliamente a las alternativas convencionales fabricadas mediante aplicación por goteo. La biocelda de combustible completa de lactato y oxígeno alcanzó una densidad de potencia máxima de 165 microvatios por centímetro cuadrado, con un voltaje de funcionamiento de 0,63 voltios. Esto supera considerablemente un valor de 96 microvatios por centímetro cuadrado comunicado anteriormente para sistemas similares y representa un importante avance en la eficiencia de la captación de energía para aplicaciones ponibles.

Las pruebas de fiabilidad arrojaron resultados igualmente notables. Los electrodos fabricados mediante aplicación por goteo suelen perder más de la mitad de su actividad inicial en cuestión de minutos u horas, debido a la distribución irregular de las enzimas y a la mala adhesión al sustrato. Los electrodos de tinta enzimática mostraron una degradación mínima durante períodos de prueba prolongados y mantuvieron un rendimiento estable, algo esencial para su uso práctico en dispositivos ponibles.

El sistema funciona eficazmente dentro del rango fisiológico de concentraciones de lactato que se observa en personas sanas durante el ejercicio: aproximadamente de 1 a 25 milimoles por litro. Esta correspondencia con la química natural del sudor es fundamental para que el dispositivo resulte práctico en la vida real. El equipo también demostró que el método puede ampliarse mediante una prueba de impresión de rollo a rollo que imprimió de manera continua aproximadamente 1.312 pies (400 metros) de sustrato, lo que demuestra que el proceso de fabricación funciona a escala industrial. Las pruebas de almacenamiento a 5 grados Celsius y en condiciones de vacío mostraron que estas condiciones preservan mejor la actividad enzimática, lo que apunta a estrategias viables de envío para productos comerciales.

Aplicaciones en el deporte y la atención de salud

Los sensores de sudor autosuficientes podrían tener aplicaciones en diversos ámbitos. En las ciencias del deporte, el monitoreo del lactato en tiempo real podría ofrecer información inmediata sobre la intensidad del ejercicio y la fatiga muscular, sin que los atletas tengan que detenerse para que les extraigan sangre. Los entrenadores podrían vigilar los umbrales de fatiga, los atletas podrían optimizar el ritmo y las cargas de entrenamiento podrían ajustarse con datos bioquímicos en tiempo real, en lugar de estimaciones. La relación entre el lactato en el sudor y el lactato en la sangre sigue siendo compleja, pero para monitorear el rendimiento la correlación es lo bastante sólida como para ofrecer información útil en la actualidad.

En entornos de atención de salud, el monitoreo metabólico continuo podría permitir la detección temprana de problemas de salud. En residencias y centros de atención para personas mayores, los pacientes no siempre pueden comunicar sus síntomas con claridad. La deshidratación, el estrés térmico y las infecciones en etapas iniciales modifican la química del sudor de maneras que pueden medirse. Un parche cutáneo continuo y autosuficiente podría detectar esos cambios horas antes de que los controles periódicos convencionales lo hicieran. Para el personal clínico, esta capacidad de alerta temprana significa intervenir más rápido, reducir el riesgo de que la situación derive en una emergencia y mejorar los resultados de los pacientes. Para los pacientes, un parche tan fino como el papel que simplemente se adhiere a la piel elimina cualquier obstáculo para usarlo de manera constante.

Sensores similares podrían contribuir a prevenir los golpes de calor al detectar señales metabólicas tempranas cuando el calor convierte actividades sencillas en situaciones de riesgo. El mismo modelo de monitoreo sencillo puede aplicarse a la recuperación posoperatoria y al manejo de enfermedades crónicas, pues permite recopilar datos de forma constante, algo que históricamente ha sido difícil con dispositivos que dependen de baterías.

Impacto ambiental y económico

Cada dispositivo ponible parece pequeño por sí solo, pero su impacto ambiental colectivo es considerable. En 2022, el mundo generó aproximadamente 68,3 millones de toneladas de residuos electrónicos, y solo alrededor del 22 % quedó registrado como recolectado y reciclado de manera adecuada. Los parches sin batería no resolverán por sí solos la crisis de los residuos electrónicos, especialmente si se diseñan para un solo uso, pero podrían reducir significativamente la demanda de baterías pequeñas y simplificar el diseño de los dispositivos.

Eliminar la batería de botón que ha dominado el diseño de los sensores ponibles durante décadas reduce al mismo tiempo el volumen, el costo y el impacto ambiental. Para los parches médicos desechables que actualmente requieren cambiar la batería o desecharse con componentes tóxicos, esta tecnología ofrece una alternativa más limpia, que funciona por completo gracias a la química que el cuerpo ya produce.

Desde el punto de vista económico, la tecnología promete reducciones drásticas de costos. Si todo el dispositivo puede fabricarse mediante procesos de serigrafía, el costo de producción podría bajar a aproximadamente 10 yenes por dispositivo, lo que haría viables económicamente las aplicaciones ponibles desechables o a gran escala. Esto sitúa a la tecnología como una posible fuerza disruptiva en el mercado mundial de dispositivos médicos ponibles, que, según las proyecciones de los analistas, superará los 195.000 millones de dólares para 2030.

Los desafíos para llegar al mercado

Pese a los resultados prometedores, se necesita más trabajo antes de que las bioceldas de combustible alimentadas por sudor puedan utilizarse ampliamente en dispositivos comerciales. El sustrato de papel debe demostrar que puede soportar el sudor, las flexiones y el movimiento cotidiano sin perder rendimiento. Las enzimas pueden perder eficacia gradualmente por los cambios de temperatura, la exposición al oxígeno y las condiciones ambientales durante el uso. El equipo reconoce que, tras una optimización adicional, una validación durante períodos prolongados y la integración con plataformas ponibles, la aplicación práctica podría estar más cerca de 2030.

El valor en condiciones reales dependerá de que los parches sean cómodos, mantengan lecturas estables y ofrezcan señales claras a los profesionales clínicos y a los usuarios, en distintos tipos de cuerpo y niveles de actividad. Aunque la prueba de impresión de rollo a rollo demostró que la fabricación puede ampliarse, la transición de las condiciones de laboratorio a los productos de consumo exige pruebas rigurosas de durabilidad y validación clínica. Los investigadores prevén que las empresas de impresión y los fabricantes de dispositivos para la atención de salud podrían ser buenos candidatos para adoptar esta tecnología una vez superados los últimos obstáculos.

Si se resuelven estos desafíos, es fácil imaginar sus posibles usos. El seguimiento del lactato en tiempo real podría ayudar a los atletas a ajustar el esfuerzo, y el monitoreo metabólico continuo podría apoyar la atención en entornos donde resulta especialmente importante vigilar a las personas de forma pasiva y sin imponerles una carga. La tecnología podría contribuir a hacer realidad una sociedad más segura y saludable al servir de base para sensores que monitorean el estado físico con solo llevarlos puestos.

Lo esencial

• Investigadores japoneses de la Universidad de Ciencias de Tokio desarrollaron una tinta enzimática a base de agua que permite imprimir bioceldas de combustible alimentadas por sudor mediante serigrafía en un solo paso. Estas alcanzaron 165 microvatios por centímetro cuadrado a 0,63 voltios.
• La tecnología elimina la necesidad de baterías en los sensores ponibles al convertir el lactato del sudor en electricidad mediante reacciones enzimáticas, con potencia suficiente para transmitir datos por Bluetooth de baja energía.
• A diferencia de los métodos convencionales de fabricación en varias etapas, que generan variaciones entre dispositivos, la nueva tinta enzimática permite imprimir ambos electrodos al mismo tiempo sobre sustratos de papel, lo que podría reducir los costos a aproximadamente 10 yenes por dispositivo.
• El sistema mide concentraciones de lactato de 1 a 25 milimoles por litro, acordes con las condiciones reales de ejercicio, y podría permitir el monitoreo continuo de la salud de atletas, personas mayores y personas en riesgo de sufrir un golpe de calor.
• La aplicación práctica está prevista para alrededor de 2030, una vez que se optimicen aún más la estabilidad durante el almacenamiento, la validación a largo plazo y la integración con plataformas ponibles.