Monitorización en tiempo real y sistema de control en lazo cerrado para electrospinning multichorro con láser coaxial

Hacer las fibras diminutas más fiables

Desde filtros de aire y mascarillas hasta tratamiento de agua y electrónica vestible, muchas tecnologías emergentes dependen de láminas de fibras ultrafinas llamadas nanofibras. Estas fibras se fabrican a menudo mediante una técnica conocida como electrospinning, que estira el líquido en filamentos similares a cabellos usando electricidad. Aunque el método es potente, puede ser caprichoso: pequeñas perturbaciones pueden convertir un proceso estable en uno desordenado, provocando una calidad de fibra desigual. Este estudio presenta una forma de vigilar y corregir automáticamente un proceso de electrospinning con múltiples boquillas en tiempo real, allanando el camino para una producción más fiable y escalable de materiales de nanofibras de alta calidad.

Cómo los chorros eléctricos tejen redes

En el electrospinning, un líquido que contiene polímero disuelto se empuja a través de agujas finas hacia una placa metálica. Un campo eléctrico intenso estira la gota en la punta de cada aguja hasta formar una punta aguda y luego un chorro, que se adelgaza y seca hasta convertirse en una fibra sólida antes de depositarse en la placa colectora. Para aumentar la producción, los fabricantes prefieren usar varias agujas a la vez, creando múltiples chorros y acumulando las láminas de nanofibras más rápidamente. Pero cada chorro se comporta de forma ligeramente distinta, y ráfagas de aire, vibraciones o cambios menores en el flujo del líquido pueden hacer que algunos chorros goteen, otros desaparezcan y otros se comporten de forma errática. Dado que las fibras son muy pequeñas y los chorros son tenues, especialmente cuando se usan muchas agujas, es difícil monitorizar todos los chorros a la vez y ajustar el proceso antes de que aparezcan defectos.

Iluminar chorros invisibles

Los investigadores abordaron este problema de visibilidad construyendo un montaje de electrospinning multichorro con tres agujas coaxiales especiales, cada una transportando tanto la solución polimérica como un estrecho haz láser. El láser circula dentro de la aguja interior y se acopla al chorro emergente, haciendo que la gota y la región del chorro brillen intensamente en la cámara sin perturbar el proceso. Una cámara industrial de alta velocidad apunta a la región donde se forman los chorros, mientras que un ordenador recibe las imágenes y una fuente de alta tensión genera el campo eléctrico. Esta disposición permite al sistema vigilar la forma de la gota en la punta de cada aguja (el llamado cono) y la longitud recta visible de cada chorro, que son indicadores clave de si el proceso está produciendo fibras de buena calidad.

Enseñar a un ordenador a leer el comportamiento del chorro

Para convertir imágenes en bruto en información útil, el equipo diseñó un algoritmo de procesamiento de imagen adaptado a múltiples chorros. Primero limpia y simplifica cada fotograma, convirtiéndolo a blanco y negro para que los chorros iluminados destaquen claramente del fondo. Luego encuentra y encuadra automáticamente la región alrededor de cada chorro, evitando la necesidad de selección manual. Dentro de cada cuadro, el algoritmo separa el cono parecido a una gota del fino chorro por debajo, usando filtrado digital para eliminar ruido y distinguir el cono más ancho del chorro estrecho. A continuación traza la línea central de cada chorro para medir su longitud visible y ajusta la forma del cono a formas geométricas sencillas como triángulos, círculos o elipses para calcular su área. Todo esto sucede en menos de 40 milisegundos por fotograma, lo suficientemente rápido como para seguir el comportamiento en constante cambio de múltiples chorros en tiempo real.

De vigilar a corregir en tiempo real

Medir los chorros es solo la mitad de la historia; el avance real es usar esas mediciones para corregir el proceso automáticamente. Basándose en experimentos, los autores definieron cuatro estados básicos del chorro: una gota colgante sin chorro, un chorro muy fino e inestable, un chorro normal y estable que produce fibras uniformes, y un chorro que se retrae hacia la aguja. Combinando el área del cono y la longitud del chorro, el ordenador puede clasificar cada chorro en uno de estos estados. Luego sigue un conjunto de reglas simple: siempre que un chorro se vuelve demasiado corto, demasiado grande o se retrae, el sistema ajusta el voltaje aplicado al alza o a la baja en pequeños pasos hasta que todos los chorros vuelvan al estado normal. Dado que los cambios de voltaje actúan casi instantáneamente sobre el líquido, este lazo de realimentación puede responder con rapidez a las perturbaciones sin depender de ajustes más lentos en el suministro de líquido.

Control más preciso, mejores nanofibras

Cuando los investigadores compararon membranas de nanofibras producidas con y sin este sistema de control en lazo cerrado, la diferencia fue evidente. Sin corrección automática, las gotas caían periódicamente sobre el colector, rompiendo y agrupando las fibras y provocando una gran dispersión en el diámetro de las fibras. Con monitorización en tiempo real y ajuste de voltaje, los chorros se mantuvieron en su estado estable, el goteo se suprimió en gran medida y las nanofibras resultantes tuvieron un espesor mucho más uniforme. Para los no especialistas, la conclusión es que combinar imágenes inteligentes, algoritmos rápidos y reglas de retroalimentación simples puede convertir un proceso de laboratorio delicado y difícil de controlar en una herramienta de fabricación más robusta, ayudando a que futuros filtros, materiales médicos y dispositivos energéticos sean más consistentes y más fáciles de producir a escala.

Cita: Jiang, J., Sun, Z., Chen, J. et al. Real-time monitoring and closed-loop control system for multi-jet electrospinning with coaxial laser. Sci Rep 16, 8225 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39655-5

Palabras clave: electrospinning, membranas de nanofibras, monitorización del proceso, control en lazo cerrado, sensado basado en imagen