TECNOLOGÍA

Sensores para todo

Lo mismo se encuentran sobre un iceberg, en el fondo del mar, en las tripas metálicas de un robot industrial o en el interior de una célula microscópica. Hablamos de los sensores, pequeños dispositivos electrónicos que nos mantienen informados en todo momento de cualquier cambio en el medio en que se encuentran.

Antes de que existieran los sensores, la electrónica era comparable a un "ser" ciego, sin olfato, oído, gusto ni tacto, incapaz de percibir la temperatura, la velocidad, la humedad o cualquier otro estímulo externo. Su capacidad se limitaba a actuar dando respuestas tras ser activado, ignorante de lo que sucedía a su alrededor.

La aparición de los sensores y su progresiva expansión permitió poner en contacto a los aparatos electrónicos con el mundo exterior, dotando de "sentidos" a la tecnología. Con ellos, las máquinas comenzaban a recibir del medio las entradas o inputs de información que, una vez procesada, permite generar la respuesta más adecuada en un momento concreto, ya sea abriendo una puerta, haciendo saltar una alarma, alertando de un movimiento sísmico o poniendo en funcionamiento un aspersor de agua en un invernadero, entre otros muchos ejemplos. Todo ello sin necesidad de ser activadas por la mano del hombre.

Pero, como era de esperar, la tecnología ha llegado aún más lejos que nuestro sistema sensorial. Los sensores se han convertido en "sentidos ultraperfeccionados" que llegan a lugares a los que nosotros no tenemos acceso, captan imágenes y movimientos con una resolución inimaginable para el ojo humano, y detectan estímulos que nosotros no percibimos, como las ondas electromagnéticas o los ultrasonidos. La información que aportan ha cobrado un valor extraordinario en todos los ámbitos de la actividad humana, desde la Alimentación y la Medicina hasta la Seguridad Nuclear o la búsqueda de vida en otros planetas.


Traductores de información

Los sensores no son otra cosa que elementos capaces de captar señales físicas o químicas de su entorno y convertirlas en señales eléctricas. La información así transformada puede ser cómodamente cuantificada, manipulada y procesada por sistemas electrónicos e informáticos. Esto ha llevado a colocarlos allí donde hay algo que medir, incluyendo los lugares más corrientes y los más inaccesibles. La amplia variedad de dispositivos que se agrupan bajo el nombre común de 'sensores' hace difícil su clasificación. Una opción bastante frecuente es tomar como criterio el tipo de estímulos físicos o químicos que miden: luz, temperatura, humedad, presión, sonido, velocidad, campos magnéticos, sustancias químicas, etc.

Cuando los estímulos captados son las vibraciones sonoras, los sensores se convierten en eficaces "oídos" mecánicos en cualquier medio. Usados bajo el océano, han sido empleados para detectar movimientos sísmicos, localizar minas submarinas o, más recientemente, para tratar de salvar a las gigantescas vacas marinas de la Costa de Florida de una muerte accidental por el cierre de las compuertas portuarias. Sobre tierra firme, se han creado sensores capaces de detectar ondas sonoras de baja frecuencia muy por debajo del rango de audición humana. Esto incluye, por ejemplo, la 'escucha' de explosiones extremadamente pequeñas en la atmósfera terrestre. Valiéndose de esta misma tecnología, el Laboratorio Nacional de los Álamos está creando un sistema para detectar posibles ataques con mísiles y explosiones nucleares en cualquier parte del mundo, que podría ser empleado para garantizar el cumplimiento del Tratado de Prohibición Completa de Pruebas Nucleares. Y, en la esfera de los ultrasonidos, un ingeniero oceanográfico y su grupo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han desarrollado un sensor que pretenden usar para escuchar la existencia de agua en Europa, la luna helada del planeta Júpiter.

En el terreno de la visión, los sensores han permitido crear "ojos electrónicos" de gran precisión. La llamada "Percepción Remota" utiliza sensores para obtener información sobre objetos o fenómenos que ocurren a gran distancia, sin que exista contacto directo. La imagen final se construye a partir de las ondas electromagnéticas recogidas por los sensores, que hacen una "lectura" de la energía reflejada o emitida por los objetos distantes. Esta tecnología, continuamente perfeccionada, ha sido empleada para la obtención de imágenes de la Tierra desde el espacio, con gran resolución, a través de satélites tan famosos como los LANDSAT de la NASA, en el espectro visible e infrarrojo, o el RADARSAT, que emplea microondas para ofrecer imágenes tanto de día como de noche. (Más sobre Percepción remota en el artículo "Información por todo lo alto" publicado en mayo de 2001). A nivel doméstico, los sensores de imagen más precisos se utilizan en las modernas cámaras digitales, videocámaras, etc.

Más recientes y menos conocidos son los sensores 'olfativos' que conforman las e-noses o "narices electrónicas". Su mecanismo se basa en captar los compuestos químicos que se desprenden en ciertos aromas, volatilizados en el aire. Compañías alimentarias como Nestle ya planean desarrollar instrumentos para el control de calidad, que la empresa chocolatera utilizará para comprobar la calidad de los materiales utilizados en el empaquetado de las barras de chocolate, evitando que afecten a su sabor final. En el sector clínico, la empresa Osmetech, especializada en el diagnóstico de enfermedades, ha diseñado un aparato capaz de oler seis tipos distintos de bacterias causantes de enfermedades urinarias, con uso extensible a otras patologías. Por su parte, la industria minera y otras en contacto con gases tóxicos empiezan a ver salir al mercado los primeros productos para la detección inmediata de todo tipo de escapes peligrosos.

El problema de la clasificación de los sensores puede abordarse también atendiendo a la tecnología empleada para obtener información del medio externo (láser, ultrasonidos, semiconductores, infrarrojos, etc.) De hecho, el flagrante desarrollo actual de las apodadas como "nuevas tecnologías" ha estimulado el mercado de los sensores, multiplicando aún más sus posibilidades y potenciales aplicaciones.


Datos químicos a la velocidad de la luz

Utilizando las señales luminosas y el recién conquistado 'dominio' del fotón de luz, surgían los sensores basados en fibra óptica. "Podría decirse que los sensores de fibra óptica son tan antiguos como el desarrollo de la propia fibra óptica moderna por Keck y Schultz en los laboratorios de la empresa Corning en los EE.UU., en 1970 - nos cuenta el investigador y director del Laboratorio de Fotoquímica Aplicada de la Universidad Complutense, Guillermo Orellana -. Además de la increíble posibilidad que ofrecían los conductores de luz de transmitir ésta a grandes distancias con mínimas pérdidas, inmediatamente se reconoció la posibilidad de que alguna o varias de las mencionadas propiedades de la radiación luminosa de viaje por la fibra óptica variaran de manera predecible y controlada ante los cambios en las condiciones físicas del medio. Así surgieron, rápidamente, los sensores de fibra óptica para dichos parámetros fijos, hoy en pleno auge comercial". Entre los muchos ejemplos se encuentran los sensores que, en febrero de 2001, desarrollaba un grupo de investigadores en la Universidad de Illinois para detectar desperfectos en las vías ferroviarias y las ruedas de los trenes, lo que permitiría evitar muchos de los accidentes que afectan a este medio de transporte. Con un amplio uso en aviónica, industria espacial, construcción, transporte, centrales nucleares, transformadores eléctricos, etc., se estima que el mercado de los sensores de fibra óptica en Europa alcanzará cifras cercanas a los 130 millones de dólares a finales de 2004.

Si la utilidad de los dispositivos de fibra óptica cobró rápidamente importancia en la medición de parámetros físicos en el medio, su incorporación al análisis químico tampoco se hizo esperar. La atractiva posibilidad de realizar los análisis in situ en lugar de recoger y, posteriormente, analizar las muestras en el laboratorio, impulsó el nacimiento de los sensores químicos de fibra óptica. Desde aquel momento el científico dispone de la opción de permanecer en el laboratorio mientras se reciben, a gran velocidad y de manera continua, todos los datos del análisis químico del medio a controlar.

Frente a otros tipos de sensores químicos, los basados en fibra óptica ofrecen una ventaja fundamental: pueden miniaturizarse con facilidad a bajo coste. "Esto resulta de extrema utilidad en lugares confinados, en pequeños volúmenes de muestra, o cuando se desea hacer una medición en organismos vivos a través de catéteres", explica el doctor Orellana. Las posibilidades parecen infinitas. Los nanosensores del Laboratorio estadounidense Oak Ridge, por ejemplo, pueden introducirse en células individuales para medir su contenido molecular para diagnosticar o tratar enfermedades con una invasión mínima en el organismo. También compañías como OceanOptics han utilizado la ubicuidad de la fibra óptica para crear microsensores en zonas de líquenes sobre roca, interfaces de sedimentos y zonas angostas o de difícil acceso en las costas para medir el oxígeno disuelto sin consumir el gas.

Al reducido tamaño se añaden otras ventajas propias de la naturaleza de la fibra óptica. Este material permite su utilización segura en ambientes con riesgo de explosión, inflamables, en presencia de radiciones ionizantes e incluso en células y tejidos in vivo. Además, el material de las fibras ópticas, generalmente sílice o vidrio, no se corroe ni se deteriora y resiste la radiactividad, con lo que resultan más duraderos y robustos que sus competidores no ópticos. Si tenemos en cuenta también la capacidad de conducir información de las fibras, no resulta extraño que mercados como la industria petroquímica, las centrales nucleares, la medicina y la bioquímica clínica o la monitorización medioambiental hayan abierto sus puertas de par en par a la incorporación de estos dispositivos en sus modernas tecnologías.


Sensores y biosensores en España

La participación española en el desarrollo actual de sensores de fibra óptica es muy fructífera. El Laboratorio de Fotoquímica Aplicada del Departamento de Química Orgánica de la UCM, que dirige Guillermo Orellana, en colaboración con el Grupo de Sensores Ópticos de la misma universidad, lleva más de diez años dedicado a la creación de estos dispositivos. Los sensores se desarrollan "a medida", en función a las demandas de empresas e instituciones españolas activas en sus cuatro principales áreas de aplicación: la monitorización ambiental, el control de procesos industriales, la biomedicina y la defensa. "Hemos desarrollado ya con éxito sensores ópticos para la monitorización de oxígeno molecular, dióxido de carbono, pH, hierro, sulfuro, alcoholes, humedad, temperatura, detergentes, aceites, pesticidas, glucosa, acetil colina y colesterol", enumera el profesor Orellana.

En el Centro Nacional de Microelectrónica (CNM) los sensores ópticos se combinan con moléculas biológicas (enzimas, anticuerpos, ADN,...) para desarrollar los llamados biosensores. "El biosensor no existe sin la unión de estos dos componentes tan diferentes - nos explica la Doctora Laura M. Lechuga, directora del Grupo de Biosensores del CNM -. De hecho, la 'parte inorgánica' del sensor es la que confiere la sensibilidad al dispositivo y la 'parte biológica' es la responsable de su alta selectividad. Se trata de la unión de dos mundos aparentemente dispares, un mundo vivo con un mundo inerte, y este nexo de unión es una de las claves para conseguir un dispositivo que realmente funcione".

Desde la creación del primer biosensor de glucosa en 1962, usado actualmente de forma masiva por los enfermos diabéticos para controlar sus niveles de azúcar de forma rápida y sin necesidad de análisis de sangre en el laboratorio, estos dispositivos han extendido sus aplicaciones a otros usos en la clínica, el ámbito medioambiental, veterinario, farmacéutico, genético, espacial e incluso en la guerra química o biológica. El grupo dirigido por Laura M. Lechuga se centra fundamentalmente en las aplicaciones medioambientales y genéticas. "En medioambiente desarrollamos biosensores para un tipo de contaminante químico denominado perturbador endocrino, presente en todos los entornos (agua potable, latas de comida, suelos, ríos, lagos, mares,..) y de los que se sospecha que interfieren con el sistema hormonal humano y animal. Aunque no hay pruebas concluyentes, todo apunta a que estas sustancias podrían ser responsables de los graves trastornos reproductivos observados en animales y la alta incidencia de cierto tipos de cáncer en humanos (mama, próstata, etc.), que se manifiestan fundamentalmente en el mundo industrializado".

En el ámbito de la genética, la investigadora y su equipo trabajan en el desarrollo de microchips de ADN, para lo cual han iniciado una nueva y ambiciosa línea de trabajo encuadrada dentro de la nanotecnología, con el objetivo de crear biochips a escala nanométrica. "Algún día habrá biosensores por todas partes (incluido el cuerpo humano) - vaticina la doctora Lechuga -... Si se consiguen superar todos los problemas tecnológicos que aún quedan por resolver".


Un mundo interactivo

Pero, como apuntábamos al principio, los sensores no sólo son una fuente inagotable de información, sino que con ellos la tecnología se "dota" de sentidos. Esto permite desarrollar multitud de aplicaciones de estos dispositivos para la interacción hombre-máquina.

Ted Selker trabaja desde hace dos años en el MIT MediaLab en esta campo. "Lo realmente interesante es que la máquina sea capaz de percibir las intenciones y reacciones del ser humano", asegura. Combinando perfeccionados sensores con los últimos avances en inteligencia artificial, los investigadores del MediaLab creaban recientemente una Cama Electrónica capaz de detectar cuando su ocupante abre o cierra los ojos, así como sus movimientos sobre el colchón. Una pantalla de proyección sobre esta cama interactiva ofrece un cielo estrellado mientras el usuario se duerme, que desaparece cuando detecta que éste ha logrado conciliar el sueño. Y por la mañana lo complace con un amanecer nada más abrir los ojos. Durante la noche, la cama vela los sueños de su ocupante y, en caso de detectar una parada respiratoria, avisa a través de un sistema de alarmas.

Altos grados de interacción alcanzan también quienes pisan el Suelo Social, un ingenio desarrollado por Selker que detecta y controla los movimientos de quienes se desplazan sobre él, haciendo sagaces indicaciones sobre a donde dirigirse si lo considera oportuno. Tampoco faltan imaginación e ingenio en el Umbral electrónico, un sistema que permite detectar los movimientos de alguien al otro lado de la puerta y conocer sus movimientos e intenciones, coordinando así la entrada y salida de personal y, por qué no, detectando a posibles "fisgones".

Extensión de nuestros sentidos en cualquier lugar imaginable o herramientas para la comunicación 'inteligente' con la tecnología que nos rodea, los sensores están ganando terreno en todos los sectores. Que formen parte de nuestros aparatos eléctricos, de los controles de salud rutinarios e incluso de nuestro propio cuerpo parece sólo cuestión de tiempo.

Autor: Elena Sanz | 2001