nº 01 Diagnósticos de papel

Herramientas de diagnóstico de fabricación económica, que son simples de usar y lo suficientemente fuertes como para usarlas en áreas rurales, podrían salvar miles de vidas en zonas con pocos recursos. Para crear semejantes dispositivos, George Whitesides, profesor de la Universodad de Harvard, está asociando microfluídica avanzada con una de las tecnologías más antiguas de la humanidad: el papel. El resultado es una prueba versátil y descartable que puede analizar una cantidad pequeña de orina o sangre buscando rastros de enfermedades infecciosas o afecciones crónicas.

Los dispositivos terminados son cuadrados de papel con un tamaño semejante a los sellos postales. El borde del papel se pone en contacto con una muestra de orina o se presiona contra una gota de sangre, y el líquido se desplaza a través de canales hasta los hoyos de prueba. Dependiendo del elemento químico presente, se producen distintas reacciones y el papel se vuelve azul, rojo, amarillo o verde. Para interpretar los resultados, se utiliza una clave con las referencias.

nº 02 Bateria Líquida

Sin una buena manera de almacenar electricidad a gran escala, la energía solar es inútil durante la noche. Una opción de almacenamiento prometedora es una nueva clase de batería fabricada con materiales activos que son todos líquidos. Los prototipos nos llevan a deducir que estas baterías líquidas costarán menos de un tercio respecto de las mejores baterías actuales y podrían durar mucho más tiempo.

La batería es diferente de todas las demás. Los electrodos son metales fundidos, y el electrolito que conduce la corriente entre ellos es de sal fundida. Esto da como resultado un dispositivo inusualmente maleable que puede absorber grandes cantidades de electricidad rápidamente. Los electrodos pueden funcionar bajo corrientes eléctricas que son "decenas de veces mayores a la de cualquier batería que jamás se haya medido", asegura Donald Sadoway, profesor de química de materiales del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y uno de los inventores de la batería. Además, los materiales son económicos y el diseño permite que la fabricación sea simple.

El primer prototipo se compone de un envase rodeado de material aislante. Los investigadores añaden materias primas fundidas: antimonio en la parte inferior, un electrolito como el sulfuro sódico en el medio y magnesio en la parte superior. Dado que cada material tiene una densidad diferente, se mantienen en capas distintas, lo que simplifica la fabricación. El envase hace de colector de corriente, repartiendo los electrones de una fuente de alimentación, como paneles solares, o transportándolos a una red eléctrica para suministrar electricidad a casas y comercios.

nº 03 HashCache

En los países en vías de desarrollo, la escasez de acceso a internet es un aspecto de la brecha digital más conspicuo y persistente que la escasez de ordenadores. "En la mayoría de lugares, la creación de redes es más cara - no sólo en términos relativos, sino incluso en términos absolutos - que en Estados Unidos", afirma Vivek Pai, informático de la Universidad de Princeton (Estados Unidos). A menudo, incluso las universidades de los países con menos recursos sólo pueden costearse las conexiones de ancho de banda bajo y los usuarios individuales reciben el equivalente a una fracción de una conexión por red telefónica. Para mejorar la utilidad de estas conexiones, Pai y su grupo crearon HashCache, un método para el almacenamiento en caché muy eficiente - es decir, almacenar el contenido de la Web al cual se accedió con frecuencia en un disco duro en lugar de utilizar el preciado ancho de banda para recuperar la misma información en forma repetitiva.

A pesar de la naturaleza variable de la red, una cantidad sorprendente de su contenido no cambia con frecuencia. Pero las tecnologías de almacenamiento en caché actuales exigen no sólo grandes discos duros para almacenar datos, sino también gran cantidad de memoria de acceso aleatorio (RAM) para almacenar un índice que contiene la "dirección" de cada pieza de contenido en el disco. La RAM es cara en relación con la capacidad del disco duro y sólo está funcionando cuando lo está la electricidad (lo que, al igual que el ancho de banda, a menudo es oneroso y escaso en los países en vías de desarrollo).

HashCache suprime el índice, rebaja drásticamente la RAM y las necesidades de energía eléctrica en aproximadamente un factor de 10. Comienza transformando el URL de cada “objeto” de web almacenado - una imagen, gráfico, o bloque de texto en una página web - en un número más corto, usando las matemáticas llamada función resumen (hash). Si bien la mayoría de los otros sistemas de almacenamiento en caché lo hacen, también almacenan cada número de hash en una tabla acaparadora de RAM que lo correlaciona con la dirección en la memoria del disco duro. La tecnología de Pai puede puentear este paso, ya que utiliza una función hash novedosa: el número que produce la función define el punto en el disco, donde se puede encontrar el objeto correspondiente de la web. "Al utilizar el hash para calcular directamente la ubicación, podemos deshacernos del índice por completo" señala Pai.

Para asegurarse, se sigue necesitando algo de RAM, pero sólo lo suficiente para ejecutar la función hash y para recuperar realmente un objeto web, según Pai. Aunque todavía se encuentra en una fase de desarrollo muy temprana, HashCache se está sometiendo a prueba en el Kokrobitey Institute en Ghana y la Universidad Obafemi Awolowo en Nigeria.

nº 04 Nano-piezoelectrónica

Los sensores a nanoescala son exquisitamente sensibles, consumen poca energía, y son, por supuesto, diminutos. Podrían ser útiles para detectar señales moleculares de enfermedad en la sangre, cantidades diminutas de gases venenosos en el aire, y rastrear contaminantes en los alimentos. Sin embargo, las baterías y los circuitos integrados necesarios para impulsar estos dispositivos dificultarían que se puedan miniaturizar plenamente. El objetivo de Zhong Lin Wang, un científico de materiales de Georgia Tech, es llevar energía al nano-mundo con generadores diminutos que aprovechan la piezoelectricidad. Si tiene éxito, los nano-sensores biológicos y químicos serán capaces de auto-propulsarse.

El efecto piezoeléctrico - en el que materiales cristalinos bajo tensión mecánica producen un potencial eléctrico – es conocido desde hace más de un siglo. Pero en 2005, Wang fue el primero en demostrarlo a nanoescala al doblar nanocables de iones de zinc y óxido con la sonda de un microscopio de fuerza atómica. A medida que los cables se doblan y vuelven a su forma original, el potencial producido por los iones de zinc y óxido generan una corriente eléctrica. La corriente que Wang obtuvo de los cables en sus experimentos iniciales fue pequeña: el potencial eléctrico alcanzó un máximo de unos pocos milivoltios. Pero Wang, sospechó correctamente que con suficiente manipulación, podría diseñar una fuente de energía práctica a nanoescala utilizando las vibraciones pequeñas que nos rodean, las ondas sonoras, el viento, e incluso la turbulencia del flujo sanguíneo sobre un dispositivo implantado. Estos movimientos sutiles doblarían a los nanocables, generando electricidad.

nº 05 Máquinas biológicas

Un escarabajo de flores gigante revolotea, vira hacia arriba y hacia abajo, hacia la izquierda y a la derecha. Pero el insecto no es una plaga, y no está decidiendo su propia trayectoria. Un receptor implantado, un microcontrolador, una microbatería y seis electrodos cuidadosamente conectados (una carga útil más pequeña que una moneda de 10 centavos de dólar y con un peso menor al de un chicle), permiten que un ingeniero controle al insecto por medios inalámbricos. Al transmitirle impulsos eléctricos al cerebro y a los músculos de las alas, el ingeniero logra que el escarabajo levante vuelo, vire o se detenga a mitad del trayecto.

Michel Maharbiz, el creador del escarabajo, espera que un día sus insectos lleven sensores u otros dispositivos a lugares que sean de acceso difícil para humanos o que los trasporten robots terrestres como los que se utilizan en misiones de búsqueda y rescate. Los dispositivos son baratos (cuestan tan solo 5 dólares) y los componentes electrónicos son fáciles de construir con materiales disponibles en el mercado.

“Volando, pueden atravesar pequeñas fisuras y se les pueden poner sensores de calor diseñados para buscar supervivientes heridos. Algo que todavía no es posible hacer con sistemas completamente sintéticos”, comenta Maharbiz, profesor adjunto de la Universidad de Berkeley, en California (Estados Unidos).

La especialidad de Maharbiz es diseñar interfaces entre máquinas y sistemas vivientes, desde células individuales a organismos enteros. Su meta es crear “máquinas biológicas novedosas” que aprovechen la capacidad de las células vivientes para realizar movimientos, comunicación y computación exquisitamente precisos con un gasto mínimo de energía.

El profesor imagina dispositivos que puedan recolectar, manipular, almacenar y actuar a partir de la información de sus entornos. Un ejemplo puede ser el tejido para reemplazar órganos dañados, o mesas que se reparan a sí mismas o reconfiguran sus formas a base de datos del entorno. Maharbiz asegura que en 100 años, “estoy seguro de que habrá máquinas así por todas partes, derivadas de células pero completamente manipuladas”.

Los escarabajos a control remoto son la historia de un éxito temprano. Esos escarabajos integran información visual, mecánica y química para controlar el vuelo y realizan todo con un ápice de energía (un desafío casi imposible de realizar desde cero). A fin de utilizar al escarabajo como una herramienta sofisticada y útil como “robot” de búsqueda y recate, el equipo de Maharbiz tuvo que crear mecanismos de entrada y salida que pudieran comunicarse eficientemente con el sistema nervioso del insecto y controlarlo. Dichas interfaces ahora son posibles gracias a avances en las técnicas de micro-fabricación, la disponibilidad de fuentes de energía cada vez más pequeñas y la sofisticación creciente de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Estos son dispositivos mecánicos diminutos que pueden ensamblarse para crear radios y microcontroladores.

nº 06 El reactor de Onda en Movimiento

Enriquecer uranio para combustible de reactores y abrir el reactor periódicamente para reabastecerlo e suno de los pasos más complicados y pesados en el funcionamiento de una central nuclear. Y después de haber sacado el combustible agotado del reactor, reprocesarlo para recuperar materiales utilizables tiene sus desventajas, además de dos más: los riesgos de la proliferación de las armas nucleares y la contaminación ambiental.

Estos problemas suelen aceptarse como un hecho, pero no les ha sucedido así a un grupo de investigadores de Intelectual Ventures, una empresa de invención e inversión de Bellevue, WA, Estados Unidos. Los científicos idearon un diseño preliminar de un reactor que sólo necesita una pequeña cantidad de combustible enriquecido, es decir, el tipo cuyos átomos pueden fisionarse en una reacción en cadena. Se lo conoce como reactor de onda en movimiento. Y mientras que los investigadores del gobierno aparecen con diseños de reactores nuevos en forma intermitente, el reactor de onda en movimiento es digno de mención por haber surgido de algo que casi no existe en la industria nuclear: una empresa de investigación de financiación privada.

Durante su funcionamiento, el núcleo de un reactor de onda en movimiento convierte al material no-fisible gradualmente en el combustible que necesita. Los reactores nucleares basados en esos diseños "en teoría, podrían funcionar durante un par de cientos de años", sin reabastecerse, según John Gilleland, gerente de programas nucleares de Intelectual Ventures.

El objetivo de Gilleland es lograr que un reactor nuclear funcione a base de lo que ahora se considera desecho. Los reactores convencionales utilizan uranio-235, que se fisiona con facilidad para ejecutar una reacción en cadena, pero que escasea y es molesto. Sedebe separar del uranio-238, que es no fisible y más común, en centrales de enriquecimiento especial. Cada 18 a 24 meses hay que abrir el reactor, eliminar cientos de paquetes de combustible, añadir otros cientos y reorganizar el resto para abastecerlo con todo el uranio fisionable necesario para que vuelva a funcionar. Esto plantea preocupaciones relativas a la proliferación, ya que una central de enriquecimiento diseñada para obtener uranio poco enriquecido para que funcione un reactor difiere poco de una que hace material altamente enriquecido para una bomba.

Pero el reactor de onda en movimiento sólo necesita una capa fina de U-235 enriquecido. La mayor parte del núcleo es de U-238, del que hay toneladas almacenadas en todo el mundo como sobras del uranio natural después de haberle extraído el U-235. El diseño ofrece "el ciclo de combustible más simple posible", comenta Charles W. Forsberg, director ejecutivo del Nuclear Fuel Cycle Proyect del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), “y requiere sólo una central de enriquecimiento de uranio por planeta”.

nº 07 La conexión de redes definida por el software

Durante años, los informáticos han imaginado formas de mejorar la velocidad, fiabilidad, seguridad y bajo consumo de la conexión de redes. Pero sus esquemas generalmente terminaron como proyectos de laboratorio, debido a que ha sido imposible probarlos en una escala lo suficientemente grande como para ver si funcionaban. Los routers e interruptores en el núcleo de Internet están vedados, su software es propiedad intelectual de Cisco y Hewlett-Packard.

Frustrados por esta imposibilidad de juguetear con las asignaciones de ruta de Internet en la vida real, el informático de Stanford Nick McKeown y sus colegas desarrollaron un estándar llamado OpenFlow que, esencialmente, abre Internet a los investigadores. Les permite definir el flujo de datos mediante software, una especie de “conexión de redes definida por software”. Al instalar un componente de firmware (software alojado en el hardware) de OpenFlow, los ingenieros tienen acceso a tablas de flujo, reglas que le indican a los routers y a los interruptores cómo direccionar el tráfico de la red. Sin embargo, protege las instrucciones de asignación de ruta patentadas que diferencian el hardware de cada empresa.

Con OpenFlow instalado en routers y en los interruptores, los investigadores pueden utilizar el software de sus ordenadores para acceder a las tablas de flujo y controlar esencialmente la disposición y la cantidad de tráfico haciendo clic en el ratón. Este acceso basado en el software permite a los científicos probar protocolos nuevos para los interruptores y la asignación de rutas de un modo económico y fácil. “Actualmente, la seguridad, las asignaciones de ruta y la administración de energía están predeterminados y es algo muy difícil de cambiar", asegura McKeown. "Es por eso que la infraestructura no ha cambiado durante 40 años".

Normalmente, cuando un paquete de datos llega a un interruptor, el firmware comprueba el destino del paquete y lo remite de acuerdo a reglas predefinidas sobre las que los operadores de red carecen de control. Todos los paquetes que van al mismo lugar se encaminan por la misma ruta y se tratan del mismo modo.

En una red que ejecuta OpenFlow, los científicos de informática pueden añadir, quitar y entrometerse con estas reglas. Esto significa que los investigadores podrían, digamos, dar prioridad al vídeo sobre el correo electrónico, y reducir la molestia del vídeo en directo que comienza y se detiene una y otra vez. Podrían establecer normas para el tráfico procedente de, o con destino a un determinado punto que les permita poner en cuarentena el tráfico de un ordenador sospechoso de albergar virus.

OpenFlow también se puede utilizar para mejorar las redes de telefonía móvil. Los proveedores de telefonía móvil han comenzado a ampliar sus redes utilizando productos de hardware elaborados para internet. Pero este hardware es poco recomendable si se pretente mantener la conexión cuando un usuario está en movimiento: basta con pensar en la forma casi imperceptible en que la conexión de datos de un ordenador portátil se transfiere desde una estación de base inalámbrica a otra. OpenFlow, según McKeown, ofrece a los proveedores de servicios una manera de probar soluciones nuevas para el problema de la movilidad.

El grupo de McKeown recibe financiación y equipamiento de empresas de redes como Cisco, Juniper, HP y NEC, así como de proveedores de telefonía móvil como T-Mobile, Ericsson y NTT DoCoMo. Las ideas probadas en interruptores que ejecutan OpenFlow podrían integrarse en el firmware de los nuevos routers, o podrían añadirse a los viejos a través de actualizaciones del firmware. McKeown espera que este año una o más de estas empresas comercialicen productos con OpenFlow incorporado.

nº 08 Memoria de circuito

Cuando IBM le vendió su negocio de discos duros a Hitachi en abril de 2002, el socio de IBM, Stuart Parkin se preguntó cuál sería su próximo paso. Había pasado su carrera estudiando la física fundamental de los materiales magnéticos, y realizó una serie de descubrimientos que multiplicaron miles de veces la capacidad de almacenamiento de los discos duros. Así que Parkin optó por desarrollar una manera completamente nueva de almacenar información: un chip de memoria con la capacidad de almacenamiento de un disco duro magnético, la durabilidad de una memoria flash electrónica, y con una velocidad superior a ambos. Llamó a la tecnología nueva “memoria de circuito”.

Parkin afirma que las tecnologías existentes de discos duros magnéticos como así también las memorias a transistores son esencialmente bidimensionales, y dependen de bits magnéticos o de transistores. “Ambas tecnologías evolucionaron durante los últimos 50 años, pero lo hicieron reduciendo los tamaños de los dispositivos o desarrollando medios nuevos para acceder a los datos” según Parkin, quien considera que ambas tecnologías llegarán al límite de sus tamaños en las próximas décadas. “Nuestra idea es totalmente distinta a cualquier memoria jamás creada ya que es tridimensional”, agrega.

La clave radica en un conjunto de nanocables magnéticos con forma de U, dispuestos verticalmente como árboles en un bosque. Los nanocables tienen regiones con distintas polaridades magnéticas, y los límites entre las regiones representan 1s o 0s, dependiendo de las polaridades de cada lado. Cuando una corriente de giro polarizado (una en la que el “giro” quántico-mecánico se orienta en una dirección específica) pasa a través del nanocable, todo el patrón magnético queda arrastrado, como los automóviles que atraviesan un circuito. Los límites magnéticos se encuentran con un par de dispositivos pequeños que leen y escriben los datos en la base de la U.

nº 09 Genoma por 100 dólares

En un rincón de un pequeño laboratorio pequeño hay una puerta con llave en la que está pegado un cartel colorido que dice: “Habitación del genoma por 100 dólares. Sólo para personal autorizado”. BioNanomatrix, la startup que dirige al laboratorio, está en la búsqueda de lo que muchos creen que es la clave de la medicina personalizada: tecnología de secuenciación tan rápida y económica que todo el genoma humano pueda descifrarse en 8 horas a un valor de 100 dólares (o menos). Con la ayuda de una herramienta tan poderosa, el tratamiento médico podría ajustarse al perfil genético de cada paciente.

A pesar de la duda de muchos expertos de poder secuenciar íntegramente al genoma por 1.000 dólares y menos aún por su décima parte, BioNanomatrix cree que puede llegar a la meta de 100 dólares en cinco años. La razón de su optimismo: Han Cao, el fundador de la empresa, creó un chip que utiliza nanofluídica y una serie de canales cada vez más estrechos que se van bifurcando que, por primera vez, permitirá a los investigadores aislar y obtener la imagen de hebras muy largas de moléculas individuales de ADN.

Si la empresa tiene éxito, un médico podría realizar la biopsia de un tumor de cáncer de un paciente, secuenciar el ADN y utilizar la información para determinar un pronóstico y recetar un tratamiento, todo por un coste menor al de una radiografía de tórax. Por ejemplo, si la enfermedad fuera cáncer de pulmón, el médico podría determinar los cambios genéticos particulares en las células del tumor y prescribir la quimioterapia más adecuada para esa variante.

El chip de Cao, que alinea cuidadosamente el ADN, es esencial para una secuenciación más económica debido a que la hebra doble de ADN, aislada, se enrolla en ovillos compactos imposibles de analizar. Para secuenciar hasta a los cromosomas más pequeños, los investigadores tuvieron que fragmentar el ADN en millones de porciones más pequeñas, con una longitud de 100 a 1.000 pares de bases. Estas hebras, más pequeñas, se pueden secuenciar más fácilmente, pero después hay que volver a unir los datos como si fuera un rompecabezas. El método es oneroso y consume tiempo. Además, se transforma en un problema cuando el rompecabezas es tan grande como el genoma humano, que consta de alrededor de tres mil millones de pares de nucleótidos. Aún con los algoritmos más sofisticados, algunas partes se cuentan varias veces, mientras que otras se omiten por completo. La secuencia resultante tal vez no incluya los datos más importantes referidos a una enfermedad en particular.

En contraste con esto, el chip de Cao desenrolla tramos de moléculas delicadas de la hebra doble de ADN, de hasta 1.000.000 de pares de bases de longitud (una tarea que los investigadores antes creían imposible). La serie de canales que se bifurcan, incitan, de forma sutil, a que las moléculas se aflojen un poco más en cada bifurcación, mientras que a su vez actúa como esclusa para que se distribuyan de modo más uniforme. Una carga eléctrica suave los impulsa a través del chip y a la larga se logra que ocupen espacios con un grosor menor a 100 nanómetros. Con decenas de miles de canales, uno junto a otro, el chip permite que todo el genoma humano lo atraviese en alrededor de 10 minutos. Todavía queda unir los datos, pero el rompecabezas es mucho más pequeño (imaginen un rompecabezas de alrededor de 100 piezas versus 10.000) y queda menos espacio para errores.

nº 10 Asistente Inteligente de Software

La búsqueda es la puerta de entrada a internet para la mayoría de la gente. Para muchos, separar una tarea en un conjunto de palabras clave que llevará a las herramientas necesarias y la información se ha convertido en una segunda naturaleza. Pero Adán Cheyer, cofundador de Siri, una startup de Silicon Valley (Estados Unidos), prevé una forma nueva para que las personas interactúen con los servicios disponibles en internet: un "motor de hacer" en vez de un motor de búsqueda. Siri está trabajando en software de asistente personal virtual que ayudaría a los usuarios a realizar tareas en vez de limitarse a recabar información.

Cheyer, el vicepresidente de ingeniería de Siri, informa que el software tiene en cuenta el contexto del usuario, por lo que es muy útil y flexible. "Con el fin de obtener un sistema que puede actuar y razonar, necesitas obtener un sistema que puede interactuar y comprender", añade.

Siri tiene sus orígenes en un proyecto de inteligencia artificial financiado por los militares llamado CALO, las siglas de "asistente cognitivo que aprende y organiza", con sede en el instituto de investigación SRI International. Los líderes del proyecto - incluído Cheyer - combinaron métodos tradicionalmente aislados de la inteligencia artificial para tratar de crear un programa de asistente personal que mejora al interactuar con su usuario. Mientras que estuvo en el SRI, Cheyer apartó un equipo de ingenieros y elaboró una versión comercial de muestra; los colegas finalmente lo convencieron para que inicie una empresa basada en el prototipo. Siri obtuvo la licencia de su tecnología esencial del SRI.

Conscientes de los fracasos a veces espectaculares de los intentos anteriores de crear un asistente personal virtual, los fundadores de Siri se han fijado metas de un modo conservador. La versión inicial, que se lanzará este año, se destinará a los usuarios de elementos móviles y realizarán sólo determinado tipo de funciones, como ayudar a hacer reservas en restaurantes, comprobar el estado de los vuelos o planificar las actividades de fin de semana. Los usuarios pueden escribir o pronunciar oraciones simples y el software decifra su intención por el contexto. Siri está conectado a varios servicios en línea, por lo que una rápida interacción puede lograr varias tareas pequeñas que normalmente requerirían visitar varia páginas de web. Por ejemplo, un usuario le puede pedir a Siri que encuentre un restaurante de precio intermedio en una parte específica de la ciudad y hacer una reserva allí.

Las mejoras recientes en la potencia del procesador, han sido fundamentales para lograr este nivel de sofisticación en un producto de consumo, aclara Cheyer. Muchas de las habilidades de CALO aún no se pueden compactar en esos productos. Pero la capacidad creciente de los teléfonos móviles y el aumento de la velocidad de las redes posibilitan la administración de parte del procesamiento en la sede de Siri y reenviar los resultados a los usuarios, permitiendo que el software asuma tareas que antes, simplemente, no podía realizar.

"La búsqueda realiza lo que las búsquedas hacen muy bien y eso no va cambiar por el momento", afirma Dag Kittlaus, presidente ejecutivo y cofundador de Siri. "Pero creemos que en cinco años, todo el mundo va a tener un asistente virtual en el que delegarán muchas tareas menores".

Si bien el software será inteligente y útil, la empresa no tiene ninguna aspiración de hacer que parezca humano. "Creemos que podemos crear una experiencia increíble que te ayudará a ser más eficiente en tu vida, a resolver tus problemas y las tareas que haces", expresa Cheyer. "Pero Siri siempre va a ser sólo una herramienta, no un rival de la inteligencia humana: "Tenemos una mentalidad práctica".