16/Mar/09

Revista Axxón Axxón en facebook Lectores de Axxón en facebook

Diez tecnologías emergentes en el 2009

Technology Review presenta su lista anual de las diez tecnologías que pueden cambiar la forma en que vivimos

Diagnósticos de papel

George Whitesides ha creado una prueba diagnóstica de papel que es económica y fácil de usar.

Cambio de color: Las pruebas de papel, semejantes a las que aparecen aquí,
podrían servir para diagnosticar una cantidad de enfermedades en
forma rápida y económica. Una pequeña gota de líquido, tal como sangre u orina
ingresa a través del borde o el dorso del papel y pasa a través de canales hasta
zonas de pruebas especiales. Las substancias de estas zonas reaccionan con elementos
químicos específicos de la muestra e indican distintas afecciones; los resultados aparecen en
distintos colores. Estas pruebas son pequeñas, simples y económicas.

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.

Genoma por 100 dólares

Han Cao ha diseñado un chip nanofluídico con el que podría reducir espectacularmente los gastos de secuenciación.

Clasificación a nanoescala: Un chip nanofluídico pequeño es la clave
del proyecto de BioNanomatrix para secuenciar el
genoma humano por sólo $ 100.

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.

Clasificación a nanoescala: Un chip nanofluídico pequeño es la clave del proyecto de BioNanomatrix para secuenciar el genoma humano por sólo $ 100.

Secuenciación de ADN: Miles de canales que se bifurcan con un grosor
de pocos nanómetros (a la izquierda) desenrollan hebras muy largas de ADN;
los marcadores fluorescentes brillantes hacen que los investigadores puedan
visualizar estas moléculas con facilidad (a la derecha).

El chip sólo cubre la mitad del desafío de los 100 dólares: desenrolla al ADN pero no lo secuencia. Para lograrlo, la empresa está trabajando con Complete Genomics, ubicada en Silicon Valley (Estados Unidos), que desarrolló sondas marcadas con elementos fluorescentes que se acoplan a las 4.096 combinaciones posibles de las ‘palabras" de 6 letras del ADN. Junto con el chip de BioNanomatrix, las sondas podrían lograr la secuenciación a la velocidad del rayo, necesaria para el genoma de 100 dólares. Pero las sondas no se adhieren a la hebra doble de ADN, por lo que Complete Genomics deberá hallar un medio para abrir secciones pequeñas del ADN sin desacoplar toda la molécula.

BioNanomatrix está abierta a varias opciones. "En este punto no tenemos lazos exclusivos con ninguna química de secuenciación. Queremos poner nuestro chip a disposición de los secuenciadores y sentimos que es un componente esencial para reducir el precio al nivel de 100 dólares. No podemos hacerlo solos, pero sentimos que ellos no lo podrán lograr sin este componente crítico", asegura Gary Zweiger, vicepresidente de desarrollo de la empresa.

Al margen de que BioNanomatrix alcance su meta de secuenciar por 100 dólares en ocho horas, su tecnología podría jugar un rol importante en medicina.

Como los chips pueden procesar porciones largas de ADN, las moléculas retienen información respecto de la localización de los genes; de ese modo pueden utilizarse para identificar virus nuevos o bacterias que pueden causar una epidemia de forma rápida, o trazar mapas de genes nuevos asociados con enfermedades específicas. A medida que los investigadores aprenden más de las variaciones genéticas implicadas en las distintas enfermedades, podría resultar posible realizar biopsias de tejidos y secuenciar sólo aquellos genes con variantes conocidas por causar la enfermedad, opina Colin Collins, un profesor en el Prostate Center del Vancouver General Hospital (Canadá), que tiene planes de utilizar los chips de BioNanomatrix en su laboratorio. "De repente, puedes secuenciar de forma muy rápida y económica, darle al paciente un diagnóstico y pronóstico y, con optimismo, una medicación", concluye Collins.

Memoria de circuito

Stuart Parkin está utilizando nanocables para crear un chip de memoria fuerte y ultra-denso.

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.

Bits con exceso de velocidad: En una implementación de la memoria de circuito,
la información se almacena en un nanocable con forma de U como patrón de
regiones magnéticas de polaridades distintas. Aplicar una corriente de giro polarizado
hace que el patrón magnético atraviese el nanocable rápidamente;
los datos pueden desplazarse en cualquiera de las dos direcciones, dependiendo de la
dirección de la corriente. Un nanocable separado que está perpendicular al "circuito"
con forma de U escribe los datos al cambiar la polaridad de las regiones magnéticas.
Un segundo dispositivo en la base de la "pista" lee los datos. Así es como los datos
se escriben y leen en menos de un nanosegundo. Una memoria de circuito que
utilice cientos de millones de nanocables tendría el potencial de almacenar cantidades inmensas de datos.

Este diseño simple tiene el potencial de combinar las mejores cualidades de otras tecnologías de memorias y a su vez evitar sus inconvenientes. Debido a que la memoria de circuito almacena los datos en nanocables verticales, teóricamente puede almacenar 100 veces más datos en la misma área que utiliza un transistor de un chip de flash, y al mismo precio. No tiene partes mecánicas, por lo tanto podría ser más fiable que un disco duro. La memoria de circuito es rápida, como la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) que se utiliza en los ordenadores para retener datos a los que se accede frecuentemente, y puede almacenar datos aún estando apagada. Esto se debe a que no se mueven átomos en el proceso de lectura y escritura de datos y se elimina el desgaste del cable.

Del mismo modo en que la memoria flash dio lugar a dispositivos ultra-pequeños que pueden almacenar miles de canciones, fotografías y otro tipo de datos, la de circuito promete dar lugar a categorías completamente nuevas de electrónica. "Una memoria más pequeña, aun más densa, haría que los ordenadores fueran mas compactos y consumieran menos energía", comenta Parkin. Además, chips con una capacidad enorme de datos podrían reducirse al tamaño de una mota de polvo y distribuirse por el ambiente dentro de sensores pequeños o implantarse en los pacientes con el fin de registrar signos vitales.

Parkin comenta que cuando propuso, por primera vez, la memoria de circuito en 2003, "las personas pensaron que era una gran idea que jamás funcionaría". Antes de abril de 2008, nadie había podido alterar los dominios magnéticos del cable sin modificar sus orientaciones. Sin embargo, en un artículo publicado ese mes en Science, el equipo de Parkin demostró que una corriente de giro polarizado preservaría el patrón magnético original.

El artículo de Science demostró que el concepto de la memoria de circuito es sólido, aunque en ese momento, los investigadores habían desplazado sólo tres bits de datos a través del nanocable. En Diciembre 2008, el equipo de Parkin desplazó seis bits por el nanocable con éxito. Él espera llegar pronto a los 10 bits, lo que haría que la memoria de circuito pudiera competir con el almacenamiento flash. Si su equipo pudiera administrar 100 bits, la memoria de circuitos podría reemplazar a los discos duros.

Parkin ya encontró la forma de aumentar la cantidad de bits que puede administrar un cable, controlando el diámetro con precisión: cuanto más estrecho y uniforme sea el cable, más bits podrá almacenar. Otro desafío es el de hallar el material más adecuado para la tarea: debe ser uno que sobreviva al proceso de la fabricación y que permita que los dominios magnéticos se trasladen rápidamente por el cable, con la menor cantidad de corriente posible.

Si el diseño tiene éxito, la memoria de circuito podría reemplazar todas las formas restantes de memorias y Parkin reforzará su status de genio de la memoria magnética. Después de todo, su trabajo con magnetorresistencia, que condujo a los discos duros actuales de alta capacidad, transformó a la industria de la computación. Con la memoria de circuito, Parkin podría cambiar la computación una vez más.

La conexión de redes definida por el software

Nick McKeown cree que controlar remotamente el hardware de red mediante software puede acelerar internet.

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.

El reactor de Onda en Movimiento

Una nueva forma de alimentar reactores podría hacer que la energía nuclear fuera más segura y más económica, según John Gilleland.

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.

Onda del futuro: A diferencia de los reactores actuales, un reactor de onda en movimiento requiere muy poco uranio enriquecido, reduciendo el riesgo de la proliferación de armas. El reactor utiliza combustible de uranio agotado contenido dentro de cientos de pilares hexagonales (que aparecen en negro y verde). En una "onda" que se mueve a través del núcleo, a sólo un centímetro por año, este combustible se transforma en (o engendra) plutonio, que luego se somete a fisión. La reacción requiere una cantidad pequeña de uranio enriquecido (no aparece) para iniciarse y podría funcionar durante décadas sin reabastecimiento. El reactor utiliza sodio líquido como refrigerante, (las temperaturas del núcleo son extremadamente altas, alrededor de 550 °C, frente a los 330 °C de los reactores típicos convencionales). A. Bombas de refrigerante B. Área de expansión para los gases de fisión C. Combustible (uranio agotado) en el interior de los pilares hexagonales; el verde representa combustible sin uso, el combustible gastado es el negro D. Onda de Fisión (rojo) E. Onda de generación (color amarillo) F. Líquido refrigerante de sodio

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".

El truco está en que el reactor mismo convertirá al uranio-238 en combustible utilizable, el plutonio-239. Los reactores convencionales también producen P-239, pero usarlo requiere la eliminación del combustible agotado, fragmentarlo, y extraer el plutonio por medios químicos (un proceso sucio y pesado que también es el paso principal hacia la construcción de una bomba atómica). El reactor de onda en movimiento produce plutonio y lo utiliza inmediatamente, eliminando la posibilidad de que se desvíe para armas. Una región activa con menos de un metro de espesor se desplaza a lo largo del núcleo del reactor, generando plutonio nuevo delante de sí.

La idea de la onda en movimiento es de principios de los años 90. Sin embargo, el equipo de Gilleland es el primero en desarrollar un diseño práctico. Intelectual Ventures ha patentado la tecnología. La empresa comenta que está negociando la cuestión de las patentes con los fabricantes de reactores, pero no los nombra. Aunque todavía quedan algunos temas básicos de diseño por resolver (por ejemplo, modelos precisos de cómo se comportaría el reactor en caso de accidente), Gilleland cree que una unidad comercial podría estar funcionando para principios de la década del 2020.

Mientras que Intelectual Ventures ha atraído la atención de los académicos, la industria comercial (que espera estimular el interés sobre una fuente de energía que no contribuye al calentamiento global), se concentra en la venta de sus primeros reactores en Estados Unidos en 30 años. Los diseños que propone, sin embargo, son esencialmente actualizaciones de los modelos que funcionan actualmente. Intelectual Ventures considera que el diseño de onda en movimiento tendrá más aceptación en el futuro, cuando un renacimiento nuclear está en pleno desarrollo y el suministro de combustible comience a escasear.

"Necesitamos un poco más de entusiasmo en el ámbito nuclear", comenta Forsberg. "Tenemos mucha gente trabajando sobre la décima parte de un cambio del 1 por ciento."

Instantánea atómica - Cómo está progresando la energía nuclear

Máquinas biológicas

Las interfaces novedosas de Michel Maharbiz entre máquinas y sistemas vivientes podrían dar lugar a una nueva generación de dispositivos cyborg

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. Artículo completo.

Nano-piezoelectrónica

Zhong Lin Wang cree que los nanocables piezoeléctricos podrían impulsar dispositivos médicos que se podrían implantar y servir de sensores diminutos.

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. Cables piezoeléctricos: La tensión mecánica producida al doblar un nanocable de óxido de zinc crea un potencial eléctrico que atraviesa el cable. La conversión de energía mecánica en energía eléctrica se llama efecto piezoeléctrico.

Nanogenerador: (izquierda, en sentido horario) Conjuntos de nanocables de óxido de zinc agrupados en una película delgada de polímero generan una corriente eléctrica cuando se flexionan. El nanogenerador podría incorporarse a prendas y utilizarlo para convertir el crujido de la tela en corriente para impulsar dispositivos portátiles como teléfonos móviles. Audífono: Un conjunto de nanocables piezoeléctricos alineados verticalmente podría servir de audífono. Cuando las ondas sonoras los alcanzan, los alambres se curvan, generando un potencial eléctrico. La señal eléctrica entonces puede amplificarse y enviarse directamente al nervio auditivo. Verificación de firmas: una cuadrícula de cables piezoeléctricos debajo de una almohadilla de firmas podría registrar el patrón de presión aplicada por cada persona que firma. Combinado con una base de datos de dichos patrones, el sistema podría autenticar firmas. Controlador de la pérdida ósea: Una malla de nanocables piezoeléctricos podría supervisar la tensión mecánica indicativa de pérdida ósea. El estrés peligroso a los huesos, generaría una corriente eléctrica en los cables, esto causaría que el dispositivo transmita una señal de alerta fuera del cuerpo. El sensor podría implantarse mediante un procedimiento mínimamente invasivo.

En noviembre 2008, Wang incorporó nanocables de óxido de zinc a una capa de polímero; las láminas resultantes produjeron 50 milivoltios al flexionarlas. Este es un paso importante hacia impulsar sensores diminutos. Y Wang espera que estos generadores eventualmente se puedan incorporar a las telas; el crujido de una camisa podría generar suficiente energía como para cargar las baterías de dispositivos como iPods. Por ahora, la producción de un nanogenerador es demasiado pequeña para eso. "Tenemos que llegar a 200 milivoltios o más", comenta Wang. Él va a llegar a esa cantidad creando capas de cables, agrega, a pesar de que podría tomar entre cinco y diez años más de ingeniería cuidadosa.

Mientras tanto, Wang ha demostrado los primeros componentes de una clase nueva de sensores a nanoescala. Nano-piezotrónica, como él llama a esta tecnología, aprovecha el hecho de que los nanocables de óxido de cinc no sólo muestran el efecto piezoeléctrico, sino que también son semiconductores. La primera propiedad les permite actuar como sensores mecánicos, porque producen una respuesta eléctrica a la tensión mecánica. La segunda significa que pueden utilizarse para hacer los componentes básicos de los circuitos integrados, incluso transistores y diodos. A diferencia de los componentes electrónicos tradicionales, la nano-piezotrónica no necesita una fuente externa de electricidad. Genera la propia cuando se expone al mismo tipo de estrés mecánico que impulsa a los nano-generadores. Liberar a la nano-electrónica de fuentes de energía externas permite todo tipo de posibilidades. Un audífono nanopiezotrónico integrado con un nanogenerador podría utilizar un conjunto de nanocables, cada uno sintonizado para vibrar en una frecuencia diferente cubriendo una gama amplia de sonidos. Los nanocables convertirían a los sonidos en señales eléctricas y las procesaría para que puedan transmitirse directamente a las neuronas en el cerebro. Esa prostética neuronal implantada, no sólo sería más compacta y más sensible que los audífonos tradicionales, sino que no necesitarían quitarse para cambiar sus baterías. Los sensores nano-piezotrónicos también podrían utilizarse para detectar tensiones mecánicas en el motor de un avión; con sólo unos pocos componentes de nanocable se podrían controlar el estrés, procesar la información y, a continuación, comunicar los datos importantes al ordenador de un avión. Ya sea dentro del cuerpo o en el aire, los nano-dispositivos finalmente andarían sueltos en el mundo a todo nuestro alrededor.

HashCache

El nuevo método de Vivek Pai para almacenar el contenido de la Web podría hacer más asequible el acceso a Internet en todo el mundo.

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 universidadesde 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.

Cerrando la brecha: Los estudiantes navegan por la web en el Ghana Kokrobitey Instituto,
un centro de conferencias con conexión a Internet sólo cuatro veces
más rápido que una conexión por acceso telefónico. Él vínculo
se ve respaldado por la tecnología Hash Cache de bajo costo y consumo de Princeton,
que almacena el contenido de la web frecuentemente visitado.

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.

La tecnología acaba con una larga sequía en los avances fundamentales de cache, según Jim Gettys, coautor de la especificación HTTP que sirve como base de la comunicación de internet. Si bien es cada vez más factible que una escuela en un país de pocos recursos económicos pueda comprar cientos de gigabytes de memoria de disco duro, opina Gettys, esas mismas escuelas – de utilizar el mejor software actualmente disponible - pueden permitirse normalmente sólo suficiente memoria RAM para el apoyo de decenas de gigabytes de contenido de cache. Mediante HashCache, un aula equipada con prácticamente cualquier tipo de ordenadores, incluso PCs abandonados, podría almacenar y acceder económicamente a un terabyte de datos web. Eso es suficiente como para almacenar todos los contenidos de la Wikipedia, por ejemplo, o todos los trabajos prácticos de acceso público disponibles de facultades como la Universidad de Rice y MT.

Incluso con los cables nuevos de fibra óptica que conectan a África oriental con Internet, miles de estudiantes de algunas universidades africanas comparten conexiones que tienen aproximadamente la misma velocidad que una línea DSL casera, según indica Ethan Zuckerman, un socio del Berkman Center for Internet and Society en la Universidad de Harvard (Estados Unidos). "Estas universidades tienen un de ancho de banda muy limitado", comenta. "Todos sus estudiantes quieren tener ordenadores, pero casi nunca tienen suficiente ancho de banda. Esta innovación hace que administrar un servidor de caché muy grande sea muchísimo más económico".

Pai planea patentar HashCache de modo que sea gratuito para las organizaciones sin fines de lucro pero deja la puerta abierta a la futura comercialización. Y eso significa que puede democratizar el acceso a internet en los países ricos, también.

Cache Cow: Un disco duro de un terabyte podría dar a estudiantes de países con pocos recursos un acceso mucho más rápido al contenido de la Web. Pero esto podría ser bastante caro. HashCache ofrece una manera de reducir los costes.

Batería líquida

Donald Sadoway ha ideado una novedosa batería que podría permitir que las ciudades funcionen con energía solar durante la noche.

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.

Descargada, cargando, con carga: Los componentes activos fundidos (las bandas de colores: azul, magnesio; verde, electrolito; amarillo, antimonio), de la batería nueva de almacenamiento a escala de red de almacenamiento se hallan dentro de un envase que transporta y recoge corriente eléctrica (a la izquierda). Aquí, la batería está lista para cargarse, con iones positivos de magnesio y negativos de antimonio disueltos en el electrolito. A medida que ingresa corriente eléctrica a la pila (centro), los iones de magnesio del electrolito ganan electrones y forman metal de magnesio, que se une al electrodo de magnesio fundido. A su vez, los iones de antimonio ceden electrones para formar átomos de metal en el otro electrodo. A medida que se forma el metal, el electrolito se empequeñece y los electrodos aumentan de tamaño (a la derecha), una propiedad inusual en una batería. Durante la descarga, el proceso se invierte, y los átomos de metal se transforman en iones de nuevo.

A medida que fluye energía en la batería, se genera metal a partir del antimoniuro de magnesio disuelto en el electrolito. Cuando la pila se descarga, los metales de los dos electrodos se disuelven nuevamente para formar antimoniuro de magnesio, que se disuelve en el electrolito, causando que el electrolito aumente de tamaño y que se reduzca el tamaño de los electrodos (ver arriba).

Sadoway imagina conectar pilas grandes mediante cables para formar conjuntos enormes de baterías. Uno lo suficientemente grande como para satisfacer la demanda pico de electricidad en la ciudad estadounidense de Nueva Cork (alrededor de 13.000 megavatios) abarcaría casi 60.000 metros cuadrados.

Cargarla exigiría un parque de energía solar de un tamaño sin precedentes, para que genere, no sólo la electricidad suficiente como para satisfacer las necesidades energéticas diurnas, sino también el excedente suficiente para cargar las pilas para la demanda nocturna. Los primeros sistemas probablemente almacenarán la energía producida durante los períodos de baja demanda de electricidad para su uso durante el pico de la demanda, reduciendo la necesidad de nuevass centrales eléctricas y líneas de transmisión.

Se han propuesto muchas otras formas de almacenar energía a partir de fuentes de energía intermitente, y algunas han sido objeto de un uso limitado. Desde las pilas de baterías de ácido o plomo hasta sistemas de bombeo de agua cuesta arriba durante el día para dejar que fluya de vuelta para que funcionen generadores durante la noche. La batería líquida tiene la ventaja de ser económica, de larga duración y, a diferencia de opciones como el bombeo de agua, útil en una gran cantidad de lugares. "Nadie ha sido capaz de resolver el problema de almacenamiento de energía a escala masiva para la red eléctrica", opina Sadoway. "Literalmente, estamos frente a una batería capaz de almacenar la red".

Desde la creación de los primeros prototipos, los investigadores han ido cambiando los metales y sales que usaban; no fue posible disolver el antimoniuro de magnesio en el electrolito en altas concentraciones, por lo que los primeros prototipos eran demasiado grandes para ser prácticos. (Sadoway no menciona los nuevos materiales, pero asegura que funcionan según los mismos principios). El equipo espera que una versión comercial de la batería esté a la venta en cinco años.

Asistente Inteligente de Software

Adam Cheyer es el encargado del diseño de un potente software que actúa como un asistente personal.

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.

Planes de fin de semana: Adam Cheyer participa en una conversación con el software.

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".

Planes de fin de semana

El cofundador de Siri, Tom Gruber, le ofreció a Cheyer Adam que participara en una conversación con el software (que se muestra arriba). Gruber explica las tareas de inteligencia artificial, detrás de las respuestas.

1. ("¿Qué puedo hacer este fin de semana?") "El usuario puede realizar una pregunta amplia como esta, porque Siri tiene información de pautas sobre lo que quiere el usuario. Por ejemplo, el software puede almacenar datos acerca de la ubicación del usuario, sus horarios y las actividades pasadas. Siri puede hacer frente a preguntas abiertas dentro de áreas específicas como entretenimiento o viajes. "

2. ("Parece que será bueno el clima para este fin de semana cerca de tu casa en San Francisco. Habrá un festival de música en la ciudad, algunos parques y playas buenos y un partido en el estadio") "Siri extrae la información pertinente a la pregunta del usuario de una variedad de herramientas y servicios de la web. En este caso, coteja el clima, los listados de eventos y las guías de lugares de interés, y utiliza el aprendizaje automático para seleccionar algunas opciones basadas en las preferencias del usuario en el pasado. Siri se puede conectar a varias aplicaciones web y luego integrar los resultados a una sola respuesta".

3. ("Música") "Siri interpreta esta respuesta en el contexto de la conversación actual, utilizándolo para detectar la petición del usuario."

4. ("OK, hay un festival de blues en el parque y Latin rock está actuando en el Warfield, y algunas bandas locales están tocando en algunos clubes. Te puedo conseguir entradas para estos") "El software ofrece sugerencias concretas sobre la base de las preferencias personales del usuario y su capacidad de categorizar. Debido a que Siri está orientado a las tareas, en lugar de un motor de búsqueda se ofrece a comprar las entradas que el usuario selecciona".

5. ("La función de Latin rock" haciendo un click.) "A esta altura, la conversación se ha especificado lo suficiente para que todo lo que tenga que hacer el usuario sea hacer clic en su elección."

6. ("La banda se llama Voices of Latin Rock. El show de las 20 está todo vendido. Te puedo conseguir entredas para el show de las 22. ¿Cuántas personas van?") "Siri recopila información sobre el evento (como miembros de la banda, direcciones y precios), y las estructura de una manera lógica. También se ocupa de la tarea de averiguar lo que está disponible y conseguir las entradas".

Fuente: Technology Review. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard