Electrónica de kombucha: circuitos electrónicos sobre esteras de kombucha

Nov 17, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9367 (2023) Citar este artículo

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Una kombucha es un té y azúcar fermentado por más de sesenta tipos de levaduras y bacterias. Esta comunidad simbiótica produce esteras de kombucha, que son hidrogeles a base de celulosa. Las esteras de kombucha se pueden utilizar como alternativa al cuero animal en la industria y la moda una vez secas y curadas. Antes de este estudio, demostramos que las esteras vivas de kombucha muestran una actividad eléctrica dinámica y distintas respuestas estimulantes. Para uso en textiles orgánicos, las esteras curadas de kombucha son inertes. Para que los wearables de kombucha sean funcionales, es necesario incorporar circuitos eléctricos. Demostramos que es posible crear conductores eléctricos sobre tapetes de kombucha. Después de flexiones y estiramientos repetidos, los circuitos mantienen su funcionalidad. Además, las capacidades y propiedades electrónicas de la kombucha propuesta, como ser más liviana, menos costosa y más flexible que los sistemas electrónicos convencionales, allanan el camino para su uso en una amplia gama de aplicaciones.

La kombucha es fermentada por una comunidad simbiótica de bacterias y levaduras1,2,3,4,5. El cultivo simbiótico de bacterias y levaduras produce un hidrogel a base de celulosa, también conocido como celulosa bacteriana, biopelícula, biomasa comensal, hongo del té, scoby y zooglea. Un té fermentado por la comunidad simbiótica supuestamente exhibe una gama de propiedades beneficiosas para la salud2,6,7, sin embargo, estas no se discutirán en el presente trabajo.

Las esteras de Kombucha son sistemas simbióticos únicos en los que cooperan más de sesenta especies de levaduras y bacterias1. Una kombucha es un ejemplo de protomulticelularidad: un organismo combinado de múltiples especies, cada una de las cuales persigue el objetivo común de prolongar el tiempo de vida del organismo colectivo. Las propiedades eléctricas de las esteras de kombucha, descubiertas por primera vez en8, pueden promover más ideas sobre la integración basada en la electricidad y, posiblemente, la protocognición de organismos simbióticos9,10,11,12. Se ha demostrado que esteras de celulosa bacteriana similares, por ejemplo, producidas por colonias de Acetobacter aceti, presentan interesantes propiedades eléctricas y capacidades de detección de presión13.

Las esteras de kombucha, cuando se curan adecuadamente, muestran propiedades similares a las de los textiles14,15,16,17,18,19, y podrían ser una alternativa competitiva al cuero fungicida y los artículos portátiles20,21.

Los wearables hechos de kombucha, aunque no son un concepto comúnmente conocido, podrían ofrecer varios beneficios. Kombucha forma una estera a base de celulosa en la superficie. Este material de celulosa tiene propiedades únicas que lo convierten en un candidato prometedor para la tecnología portátil. Aquí hay algunas razones por las que los dispositivos portátiles hechos de kombucha podrían ser importantes:

Sostenibilidad: los dispositivos portátiles de Kombucha podrían ser más sostenibles en comparación con los materiales portátiles tradicionales. El material a base de celulosa es biodegradable, renovable y se puede cultivar con ingredientes simples como el té y el azúcar. Tiene el potencial de reducir el impacto ambiental asociado con la producción y eliminación de dispositivos portátiles tradicionales hechos de materiales sintéticos.

Biocompatibilidad: el material de celulosa derivado de la kombucha es generalmente biocompatible, lo que significa que es menos probable que cause reacciones adversas cuando entra en contacto con la piel humana. Esto lo convierte en un material potencialmente adecuado para personas con piel sensible o alergias.

Personalización: el material de kombucha se puede moldear en varias formas y tamaños durante su proceso de crecimiento, lo que permite prendas portátiles personalizadas que pueden adaptarse a las formas y necesidades individuales del cuerpo. Esta flexibilidad podría conducir a una mayor comodidad y rendimiento.

Transpirabilidad y gestión de la humedad: los dispositivos portátiles basados ​​en Kombucha tienen el potencial de ser altamente transpirables, lo que permite la circulación del aire y reduce la acumulación de humedad en la piel. Esta propiedad podría ser beneficiosa para ropa deportiva u otras aplicaciones donde el control de la humedad es importante. Además, la absorción de agua de la kombucha tendrá efectos sobre el aumento de la conductividad a granel de la kombucha; la adherencia a la piel también aumenta después de la absorción del sudor, lo que hace posible parches autoadhesivos hechos de materiales vegetales.

Integración de sensores: los dispositivos portátiles de Kombucha podrían incorporar sensores y componentes electrónicos dentro del propio material, proporcionando una integración perfecta y discreta de la tecnología con el cuerpo humano. Esto podría abrir nuevas posibilidades para monitorear métricas de salud, rastrear movimientos o proporcionar retroalimentación háptica.

Vale la pena señalar que, si bien el concepto de dispositivos portátiles hechos de kombucha es prometedor, todavía es un área emergente de investigación y desarrollo. Los desafíos relacionados con la durabilidad, la escalabilidad y la producción en masa deberán abordarse antes de que estos dispositivos portátiles se conviertan en algo común. Sin embargo, el potencial de sostenibilidad y las propiedades únicas de los materiales hacen que los wearables de kombucha sean una perspectiva intrigante para el futuro.

A la luz de la investigación en curso sobre los mecanismos de detección y computación integrados en dispositivos portátiles vivos22,23,24,25, nuestro objetivo es evaluar los tapetes zoogleales de kombucha como dispositivos portátiles ciberfísicos potencialmente integrados con propiedades eléctricas no lineales y no triviales. Para lograr el objetivo, probamos si los componentes básicos de los circuitos eléctricos podrían fabricarse en esteras de kombucha seca.

Los circuitos eléctricos modernos requieren conexiones eléctricas confiables entre los componentes electrónicos (incluidos los sensores) y las señales externas para su construcción y operación continua26,27,28. Las placas de circuito impreso (PCB) generalmente se construyen con serigrafía, máscara de soldadura, cobre y sustrato29,30. La selección de materiales es crucial para el buen funcionamiento de las placas de circuito impreso, especialmente el comportamiento térmico. La mayoría de los sustratos de PCB se clasifican en una de dos categorías: duro/rígido o blando/flexible. Los materiales a base de cerámica suelen proporcionar una excelente conductividad térmica, buenas propiedades dieléctricas, una alta temperatura de funcionamiento y un bajo coeficiente de expansión. El material rígido más popular es el FR-4, un laminado de epoxi reforzado con vidrio que es económico y versátil31,32. Por encima de unos pocos GHz, la pérdida dieléctrica sustancial (factor de disipación) del FR-4 lo hace inadecuado para circuitos analógicos de alta frecuencia o digitales de alta velocidad33,34.

Los PCB para dispositivos portátiles deben ser mecánicamente flexibles, impermeables y a prueba de golpes y, por defecto, livianos35,36,37,38,39. Tradicionalmente, se basan en plástico, aunque normalmente carecen de sostenibilidad y rentabilidad. Los materiales blandos poliméricos ofrecen una resistencia superior a los ciclos de estiramiento, flexión y lavado40. Además, los dispositivos portátiles están destinados a interactuar estrechamente con su usuario, por lo que la biocompatibilidad es ventajosa, o al menos la resistencia al entorno químico activo que ofrece la piel humana. Por lo tanto, la combinación de PCB de base biológica y componentes biodegradables (incluidos los circuitos integrados) es especialmente ventajosa para los dispositivos portátiles.

Se ha demostrado que las esteras de kombucha son resistentes al desgarro y no se destruyen incluso si se sumergen en agua durante varios días. El tapete sobrevivió a la temperatura del horno hasta 200C pero se quemó cuando se expuso a una llama abierta. Hemos demostrado que es posible (1) cortar con precisión los tapetes de kombucha con láser, (2) imprimir circuitos PODOT:PSS con chorro de aerosol en tapetes de kombucha, (3) imprimir en 3D TPU y compuestos de metal y polímero en tapetes de kombucha, (4) dibujar pistas conductoras y organice los elementos funcionales con pinturas conductoras.

Alfombrillas de kombucha cortadas con cortador láser (a) letras y agujeros de diferentes tamaños, (b) agujero nominal de 1 mm cortado a \(\sim\)1,1 mm de diámetro con \(\sim\)25 W de potencia láser, (c) nominal Orificio de 1 mm cortado a \(\sim\)1,0 mm de diámetro con \(\sim\)18 W de potencia de láser, (d) orificios nominales de 1 mm solo parcialmente cortados a \(\sim\)1,0 mm de diámetro con \( \sim\)10 W de potencia láser.

El corte por láser demostró ser un procedimiento sin problemas. En la Fig. 1 se muestran ejemplos de esteras de kombucha cortadas con un cortador láser. Se encontró que la configuración del láser (p. ej., velocidad de movimiento, potencia del haz y número de pulsos láser por pulgada) era crítica para un corte preciso. Se encontró que la configuración óptima para un espesor de 0,45 ± 0,1 mm era de 80 pulgadas por segundo, \(\sim\)18 W y 500 pulsos por pulgada, como se muestra en la Fig. 1c. Si la potencia del haz se eleva por encima del nivel óptimo, el corte se vuelve más ancho de lo deseable, como se muestra en la Fig. 1b. Por el contrario, si la potencia del haz es inferior al nivel óptimo, la malla solo se corta parcialmente, como se muestra en la Fig. 1d. Con configuraciones optimizadas, se descubrió que las esteras de kombucha cortaban bien con un mínimo de humo. Algunas secciones cortadas necesitaban ser agitadas para removerlas.

Los conductores eléctricos orgánicos han sido impresos por Aerosol Jet Printing (AJP) con el objetivo de crear circuitos sobre tapetes de kombucha, explotados como posibles sustratos en dispositivos electrónicos portátiles. Los circuitos sobre kombucha pueden actuar en perspectiva como sensores o biosensores, junto con antenas impresas para la comunicación inalámbrica de datos y el almacenamiento en las nubes. En este documento, vamos a explorar las propiedades básicas de las huellas impresas sobre la superficie de la kombucha.

Aerosol Jet Printing es especialmente adecuado para imprimir sobre superficies irregulares, sustratos flexibles y/o estirables hechos de materiales naturales (biopolímeros) porque funciona en modo sin contacto a una distancia fija del sustrato. Los principios y mecanismos básicos de las técnicas AJP se han discutido en la literatura41,42,43,44. Esta tecnología pertenece al sector de la fabricación aditiva y ofrece ventajas respecto a otras tecnologías muy conocidas y ampliamente distribuidas, como la impresión por chorro de tinta (normalmente referida a tintas líquidas inyectadas mediante boquillas térmicas o piezoeléctricas45).

Se utilizó una formulación de PEDOT:PSS altamente conductiva como tinta: se cargaron 2 ml de tinta en el atomizador ultrasónico de AJP 200, ajustando los flujos de gas a 30 y 25 sccm para el atomizador y el gas envolvente, respectivamente. Se montó una boquilla de tamaño de 200 um en el cabezal impreso. La tirada de impresión se realizó en condiciones frías para evitar la exposición de la kombucha a los tratamientos térmicos. Los elementos elementales del circuito fueron impresos en primer lugar, 3 electrodos circulares (2 mm de diámetro) a una distancia fija, actuando como electrodo de trabajo, contraelectrodo y de referencia, para la evaluación de la impedancia de la interfase electrodo-kombucha, mediante análisis de Espectroscopía Electroquímica de Impedancia (EIS). .

Ejemplos de deposición de circuitos de PEDOT:PSS y mediciones de propiedades eléctricas (a) almohadillas redondas de PEDOT:PSS a una distancia fija entre sí con pistas interconectadas (b) Boquilla de impresión por chorro de aerosol (c) espacio definido entre pistas (d) accionado por resorte electrodos en almohadillas PEDOT:PSS (e) electrodos con resorte en la superficie de kombucha (f) hidratación de PEDOT:PSS.

Propiedades eléctricas de la esterilla de kombucha con y sin circuitos PEDOT:PSS (a) impedancia frente a frecuencia (b) ajustes de espectroscopia.

En la Fig. 2 se muestran ejemplos de deposición de circuitos PEDOT:PSS y mediciones de propiedades eléctricas. La figura muestra los datos adquiridos de EIS sobre (1) tres puntos libres sobre la superficie de kombucha; (2) tres electrodos PEDOT:PSS utilizados como electrodos de trabajo (RE), contador (CE) y de referencia (RE), colocados a distancias fijas y al igual que los puntos libres de (1); (3) las mismas medidas de (2) después de la hidratación, donde la hidratación se realizó colocando 20 \(\upmu L\) de gotas de agua en el área circundante de los electrodos sobre la superficie de kombucha. Al ser la kombucha un material a base de celulosa, es muy sensible a la absorción de agua, y la absorción de agua en la columna vertebral de la kombucha hace que la lámina de kombucha sea más conductora. Las mediciones de impedancia aumentan casi instantáneamente después de la caída del agua y se estabilizan rápidamente; las mediciones después de 30 minutos de la caída del agua muestran una señal más estable. Las propiedades eléctricas de la esterilla de kombucha con y sin circuitos PEDOT:PSS se muestran en la Fig. 3.

Impresión 3D de pistas de TPU flexible (con un 15 % de relleno de carbono) sobre una estera de kombucha.

En la Fig. 4 se muestra un ejemplo de pistas de TPU (con un 15 % de relleno de carbono) impresas en 3D sobre un tapete de kombucha. Se encontró resistencia a las pistas de TPU (con un 15 % de relleno de carbono) y Electrifi (compuesto de metal y polímero: poliéster y cobre biodegradables). para variar con el ancho y el grosor, como se resume en la Tabla 1. Se midieron pistas de 100 mm de longitud con un medidor LCR (891, BK Precision, Reino Unido). Se encontró que la flexibilidad de las pistas variaba con el grosor. El rendimiento de cada método de fabricación está vinculado a las capacidades de los materiales constituyentes utilizados. Por ejemplo, el TPU es un elastómero flexible que ofrece alta resistencia mecánica, buena resistencia química y excelente resistencia a la abrasión. Además, el TPU tiene una fuerte adherencia a una variedad de sustratos y se puede procesar fácilmente utilizando una variedad de técnicas como el moldeo por inyección y la extrusión. Al mezclarse con carbono, puede volverse eléctricamente conductor. Sin embargo, la conductividad eléctrica del TPU sigue siendo más baja de lo deseable a pesar de la carga de carbono. Por el contrario, Electrifi tiene una buena conductividad eléctrica pero peores propiedades mecánicas. Las tintas cargadas con plata brindan una conductividad aceptable para algunas aplicaciones, una excelente adhesión a una variedad de sustratos y un costo modesto. Sin embargo, existen algunos inconvenientes en el uso de tintas cargadas con plata, como la tendencia a oxidarse cuando se exponen al aire, lo que resulta en una disminución de la conductividad con el tiempo. A pesar de estos inconvenientes, la tinta cargada de plata sigue siendo una opción popular para la electrónica impresa debido a su facilidad de procesamiento e impresión. Además, se ha avanzado en el desarrollo de tinta basada en nanopartículas de plata con conductividad eléctrica mejorada que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones, como biosensores y electrónica estirable.

Tanto las pistas de TPU como las de Electrifi permanecieron adheridas a la kombucha después de un par de días de inmersión en agua. Su unión puede ser 'mecánica' en lugar de química, ya que los polímeros líquidos (derretidos) se 'inyectan' efectivamente en/sobre la superficie de la kombucha rellenando de manera efectiva cualquier irregularidad de la superficie que luego actúa como 'agarre' que mantiene la pista en su posición. La formulación de tintas flexibles y estirables es un área activa de investigación en la que se están realizando muchos esfuerzos. Recientemente se han propuesto nuevas formulaciones experimentales de tintas metálicas con propiedades elásticas y flexibles, aplicadas en la impresión por inyección de tinta y por inyección de aerosol. Las pistas impresas con estas nuevas tintas tendrían el potencial de adaptarse y seguir el estiramiento y la flexión de los sustratos inferiores. Estamos en progreso para probar algunas de estas nuevas formulaciones y también para hacer tintas caseras.

Pintura conductora de electricidad, conjunto de datos de Bare Conductive (Reino Unido).

Con respecto a la pintura eléctricamente conductora, los experimentos demostraron que 'Bare Conductive'46 se adhiere bien a las esteras de kombucha y mantiene cierto grado de flexibilidad. La conductividad eléctrica típica para las pistas se muestra en la Fig. 5. La resistencia de la pista de las pistas de pintura conductora en las esteras de kombucha varió entre 20 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) y 200 \(\Omega \hbox { cm}^{-1}\). Estos valores se alinean aproximadamente con la hoja de datos 46 'Conductiva desnuda' con pistas 'gruesas'. También se encontró que la resistencia al seguimiento de la tinta de plata conductora XD-120 en la estera de kombucha variaba. Rango típico de 1,5 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\) a 10 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)

Se exploraron cuatro tecnologías para la fabricación de PCB a base de kombucha: impresión por chorro de aerosol de PODOT:PSS, impresión 3D de TPU y compuesto de metal y polímero, adición de tinta con relleno conductor y corte por láser. Cada uno ofrecía ventajas y desventajas en comparación con otras tecnologías.

Como se demuestra en la Fig. 6, es factible construir circuitos eléctricos sobre esteras de kombucha. Se muestran dos anchos de pista (\(\sim\)3 y \(\sim\)5 mm) y dos paquetes (3020 y 5050) de dispositivos de montaje en superficie (SMD). Se aplicó manualmente un epoxi de dos partes conductor cargado de plata (Chemtronics CW240047) para unir mecánicamente y conectar eléctricamente los SMD a las pistas de polímero. Para la fabricación en volumen, los SMD se montarían automáticamente utilizando una máquina de recoger y colocar y el epoxi conductor se dispensaría de manera precisa y automática con dispensadores en línea.

Ejemplar de pistas compuestas de metal y polímero (Electrifi) sobre tapete de kombucha (a) \(\sim\)pista de 3 mm de ancho con SMD LED (paquete 3020) color verde (b) \(\sim\)pista de 5 mm de ancho con SMD LED (paquete 5050) color blanco (escala de regla en mm).

En la Fig. 7 se ilustran dos posibles métodos para formar conexiones cruzadas en los tapetes de kombucha a través de la impresión 3D de material conductor: puentes cruzados de un solo lado y orificios pasantes de dos lados a través del corte de orificios con láser.

Métodos de conexión cruzada en esteras de kombucha (a) puente cruzado de un solo lado con aislante entre (b) orificio pasante de doble lado con corte de orificio con láser.

Los tapetes de kombucha muestran propiedades que se pueden explotar para visualizar dispositivos basados ​​en kombucha potenciales y futuros. La conducción eléctrica dependiente de la hidratación de la kombucha permite extender el rango de frecuencia operativa potencial de los electrodos de superficie sobre las esteras de kombucha, así como explotar la estera de kombucha como un dispositivo de conmutación resistivo en una celda electroquímica plana. La producción de esteras de kombucha de alta calidad requiere medidas de control de calidad para garantizar la pureza y la consistencia. Una de las medidas de control de calidad más importantes para la producción de celulosa bacteriana es garantizar que el medio de cultivo utilizado para la producción esté libre de contaminantes. Los contaminantes pueden tener un impacto significativo en la calidad de la celulosa bacteriana, lo que genera resultados inconsistentes. Otra medida importante de control de calidad es el uso de protocolos estandarizados para la recolección y purificación de celulosa bacteriana. Esto incluye monitorear el pH, la temperatura y el crecimiento bacteriano durante el proceso de fabricación. La calidad de las esteras de kombucha producidas se puede controlar ajustando la temperatura del líquido y la concentración de nutrientes, siguiendo los protocolos publicados48,49,50.

La investigación futura se centrará en la impresión de circuitos funcionales avanzados, capaces de detectar y reconocer estímulos mecánicos, ópticos y químicos, implementando fusión sensorial y procesamiento de información distribuida.

(a) Recipiente con estera viva de kombucha en la superficie del cultivo líquido. (b) Estera seca.

La zooglea de kombucha se obtuvo comercialmente (Freshly Fermented Ltd, Reino Unido) para cultivar esteras de kombucha in situ. La infusión se preparó como sigue; 2 % de té (PG Tips, Reino Unido), 5 % de azúcar (Silver Spoon, Reino Unido) y 1 L de agua corriente hervida. Los recipientes con kombucha (Fig. 8) se almacenaron a temperatura ambiente (20–23\(\,^{\circ }\)C) en la oscuridad. La solución se refrescó cada semana. Las esteras de kombucha se retiraron del recipiente de cultivo y se secaron al aire sobre plástico o papel a temperatura ambiente (se probaron varias técnicas).

Se exploraron cuatro tecnologías de fabricación para agregar pistas conductoras, unir componentes electrónicos y cortar perfiles de tapetes de kombucha.

La impresión por chorro de aerosol de PODOT:PSS se implementó de la siguiente manera. Los electrodos de base orgánica y las líneas de interconexión fueron impresos por Aerosol Jet Printing (AJP200, Optomec, US51) utilizando una formulación de inyección de tinta de alta conductividad de PEDOT:PSS (Clevios P ​​JET N V2, Heraeus, US52). Los parámetros de impresión se optimizaron para lograr trazas conductivas sobre la superficie de las esteras de kombucha utilizadas como sustrato. Las mediciones electroquímicas se realizaron mediante un potenciostato (PalmSens4, PalmSens BV, NL53).

Para imprimir en 3D TPU con un 15 % de relleno de carbono y un compuesto de metal y polímero (poliéster y cobre biodegradables), se extruyeron en caliente dos composiciones de filamento (2,85 mm de diámetro) sobre esteras de kombucha a través de una boquilla de 0,4 mm en una impresora 3D (S5, Ultimaker, Reino Unido54). Los filamentos de la composición fueron 'Conductive Filaflex Black' con una clasificación de 3,9 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)55 y 'Electrifi Conductive Filament' con una clasificación de 0,006 \(\Omega \hbox {cm}^{-1} \)56.

Las vías conductoras se dibujaron en tapetes de kombucha con dos composiciones de tinta conductora, incluida la 'Conductora desnuda' con una clasificación de 55 \(\Omega \hbox {sq}^{-1}\) a 50 \({\upmu }\hbox {m} \) de espesor57 y 'tinta plateada conductiva XD-120' con una clasificación nominal de 0,00003 \(\Omega \hbox {cm}^{-1}\)58.

Cuando se trataba de dar forma, las esteras de kombucha de \(0.45{\pm 0.1}\) mm de espesor se cortaron con un cortador láser CNC de 75 W (Legend 36EXT, Epiloglasers, EE. UU., 59) mientras que los parámetros (velocidad de movimiento, potencia del haz, pulsos por pulgadas) se ajustaron para determinar la configuración óptima.

Los conjuntos de datos sin procesar obtenidos en este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Agradecemos a Geoff Sims por el corte láser de las esteras de kombucha. Agradecemos al soporte técnico de Ultimaker/MakerBot por su orientación sobre cómo optimizar la configuración de impresión con Ultimaker S5. Agradecemos al Dr. Shengrong Ye (Multi3D) por su orientación sobre la impresión 3D de filamentos Electrifi.

Laboratorio de Computación No Convencional, Universidad del Oeste de Inglaterra, Bristol, Reino Unido

Andrew Adamatzky, Neil Phillips, Alessandro Chiolerio, Anna Nikolaidou y George Ch. Sirakoulis

Instituto de Materiales para Electrónica y Magnetismo, Consejo Nacional de Investigación (IMEM-CNR), Parma, Italia

Giuseppe Tarabella y Passquale D'Angelo

Instituto Italiano de Tecnología, Centro de Tecnologías Convergentes, Robótica Bioinspirada Suave, Via Morego 30, 16165, Génova, Italia

Alejandro Chiolerio

Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Demócrito de Tracia, Xanthi, Grecia

Andrew Adamatzky y George Ch. Sirakoulis

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Correspondencia a Andrew Adamatzky.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Adamatzky, A., Tarabella, G., Phillips, N. et al. Electrónica de kombucha: circuitos electrónicos sobre esteras de kombucha. Informe científico 13, 9367 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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Recibido: 08 febrero 2023

Aceptado: 31 de mayo de 2023

Publicado: 09 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36244-8

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