Resumen ejecutivo: Presentamos un sistema innovador para alinear estructuras de microfibras durante el proceso de electrospinning mediante la modulación dinámica de gradientes de campo eléctrico, obteniendo control sin precedentes sobre la orientación y la arquitectura de las fibras. A diferencia de métodos tradicionales que dependen de colectores estáticos o de posprocesos complejos, nuestro enfoque integra retroalimentación en tiempo real y manipulación precisa del campo eléctrico, permitiendo la fabricación escalable y de alto rendimiento de microfibras alineadas para materiales compuestos avanzados y aplicaciones biomédicas.

Introducción: El electrospinning es una técnica versátil para producir fibras continuas a escala micro y nano a partir de soluciones poliméricas, pero el control preciso de la alineación ha sido una limitación clave. Los métodos actuales utilizan colectores cargados estáticos, tambores giratorios o electrodos con patrones fijos, que fallan en escalabilidad, rendimiento y precisión. Proponemos una estrategia de campos eléctricos modulados dinámicamente que dirige el chorro polimérico durante la formación, consiguiendo un alto grado de alineación con capacidad industrial.

Fundamento teórico: La trayectoria del chorro cargado está gobernada por fuerzas electrostáticas y por las propiedades reológicas del fluido. La fuerza eléctrica sobre un elemento del chorro es proporcional al campo local. Un modelo simplificado útil para el control es el siguiente balance dinámico: la aceleración del elemento es función del término electrostático, la resistencia viscosa y la tensión superficial. Mediante la modulación temporal y espacial del campo E(r,t) se puede influir directamente en la trayectoria r(t) del chorro, compensando variaciones de viscosidad, inestabilidades y efectos ambientales.

Diseño del sistema y metodología: El sistema experimental consiste en una fuente de alta tensión, una matriz de microelectrodos controlables individualmente y un sistema de visión de alta velocidad. La matriz dinámica genera gradientes de campo precisos y reconfigurables. Un algoritmo de control en lazo cerrado monitoriza la trayectoria mediante procesamiento de imagen y ajusta los voltajes para mantener la alineación deseada. Implementamos aprendizaje por refuerzo con Proximal Policy Optimization para aprender políticas de modulación de voltaje que se adaptan a distintas soluciones poliméricas y a distintos objetivos de orientación. La función de recompensa prioriza la alineación de las fibras y penaliza la inestabilidad del chorro.

Preparación de soluciones y parámetros: Se trabajó con soluciones de polietilenglicol polietileno óxido PEO en agua destilada con concentraciones entre 5 wt% y 15 wt% y viscosidades aproximadas entre 200 cP y 4000 cP para cubrir un rango amplio de comportamientos reológicos. El sistema de captura utiliza una cámara de alta velocidad a 1000 fps para trazar la trayectoria del chorro y alimentar el lazo de control. El módulo de adquisición y análisis con GPU on-board permite procesar grandes volúmenes de fotogramas en tiempo real, facilitando la toma de decisiones rápidas del agente de control.

Análisis de datos y métricas: La evaluación cuantitativa de la alineación se realiza mediante parámetros como el Polar Order Parameter que varía de 0 (orientación aleatoria) a 1 (alineación perfecta), calculado mediante transformadas adecuadas sobre la intensidad de píxeles a lo largo de la dirección de las fibras. También se monitoriza la densidad longitudinal de fibras por unidad de longitud en cada orientación y se aplica análisis estadístico, incluyendo ANOVA, para comparar condiciones experimentales. Para el procesamiento de imagen y extracción de trayectorias se emplean herramientas robustas y probadas que pueden integrarse con pipelines personalizados de análisis.

Resultados esperados y potencial de mercado: Se anticipa alcanzar un Polar Order Parameter superior a 0.9 para soluciones de PEO al 15 wt% y una duplicación de la densidad de microfibras con respecto a electrospinning sin modulación de campo. Estas mejoras se traducen en aumentos significativos de propiedades mecánicas de compuestos - estimaciones preliminares apuntan a incrementos de resistencia a la tracción de 30 a 50% en direcciones reforzadas - y en una reducción de costes de fabricación al disminuir etapas de posprocesado. Las aplicaciones más inmediatas incluyen materiales compuestos de alto rendimiento y andamios biomédicos orientados a regeneración tisular. A medio plazo la tecnología es aplicable a tejidos sensoriales y textiles funcionales.

Comercialización y escalabilidad: La estrategia comercial inicial se orienta al sector de materiales compuestos para automoción y aeronáutica, seguida por dispositivos biomédicos y tejidos técnicos. Esperamos integración en líneas de producción industriales en un horizonte de 3 a 5 años, con mercados verticales donde la optimización de peso y rendimiento tiene alto valor añadido. Q2BSTUDIO puede acompañar a empresas en la industrialización del sistema integrando soluciones software a medida para control, adquisición de datos y analítica avanzada.

Integración con servicios digitales y propuesta de valor de Q2BSTUDIO: En Q2BSTUDIO somos especialistas en desarrollo de software y aplicaciones a medida, inteligencia artificial aplicada, ciberseguridad y servicios cloud. Podemos proporcionar la capa de software que convierte el prototipo experimental en una plataforma industrial confiable, desde la interfaz de control en tiempo real hasta la infraestructura para entrenamiento y despliegue de agentes IA adaptativos. Para proyectos que requieren automatización y orquestación en la nube ofrecemos despliegue en plataformas escalables como AWS y Azure y consultoría sobre mejores prácticas en servicios cloud. Si su objetivo es desarrollar un sistema de control y analítica personalizado, visite nuestra página dedicada a software a medida y aplicaciones a medida para conocer soluciones integrales.

Servicios asociados: Ofrecemos integración de modelos de inteligencia artificial para empresas, agentes IA que realicen control en tiempo real y políticas de optimización, además de servicios de inteligencia de negocio y cuadros de mando con Power BI para visualizar rendimiento de producción y KPIs de calidad. Nuestro equipo garantiza seguridad y resiliencia mediante prácticas de ciberseguridad y pentesting, reduciendo riesgos operativos durante la adopción de tecnologías avanzadas. Para proyectos en la nube y migración segura puede consultar nuestras soluciones en servicios cloud aws y azure.

Validación y reproducibilidad: El sistema incluye herramientas para registrar experimentos, versiones de políticas de aprendizaje y pipelines de análisis que admiten auditoría y reproducción. Suministramos módulos de entrenamiento y código de ejemplo para validar modelos PPO y rutinas de procesado de imagen, facilitando la transferencia tecnológica a equipos de I D y producción.

Conclusión: La modulación dinámica de gradientes de campo en electrospinning, apoyada por control en lazo cerrado y aprendizaje por refuerzo, ofrece una vía escalable y robusta para fabricar microfibras alineadas con control fino de orientación y densidad. Q2BSTUDIO puede acelerar la transición desde prototipo a producción aportando experiencia en software a medida, inteligencia artificial aplicada, servicios cloud y ciberseguridad, creando soluciones integradas y seguras que maximicen el impacto industrial y comercial de esta tecnología.

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