TECNOLOGÍA

Sistemas bioinspirados: los sentidos artificiales

En un futuro no muy lejano los ordenadores tendrán sentidos y serán capaces de interpretar las expresiones humanas; podrán oler, sentir, oír, ver y gustar. Estas funciones inspiradas en sus homólogas biológicas podrán incorporarse a una serie de objetos y sistemas muy diversos, como los equipos de diagnosis médica, el tráfico, los procesos industriales de control automático, la planificación o la seguridad.

Los seres vivos son máquinas complejas, dotadas de una gran variedad de instrumentos de medición, de análisis, de recepción de estímulos y de reacción y respuesta. Los cinco sentidos, esas ventanas que nos conectan con el mundo exterior y a través de las cuales percibimos importante información sobre todo cuanto nos rodea, nos permiten ejercer nuestra capacidad de selección en el proceso de la información. Así, a un ser humano no le cuesta ningún esfuerzo identificar y evaluar las cosas por medio de sus percepciones sensoriales en combinación con su memoria. La vista, el oído, el olfato... trabajando por separado o en combinación constituyen literalmente nuestra conexión con el mundo, una conexión que se erige como el gran misterio a desvelar por la ciencia actual.

Crear máquinas que se parezcan a cerebros humanos, capacitadas para observar un comportamiento inteligente, es el campo de investigación de la robótica y la inteligencia artificial (AI). Dentro de ese comportamiento inteligente se encuentran tanto las actividades relacionadas con el raciocinio, es decir, planeamiento y estrategia, como con la percepción y reconocimiento de imágenes, sonidos, olores, etc.

Así, las llamadas tecnologías bioinspiradas nacen de la aplicación de conceptos de inspiración biológica al diseño de sistemas analíticos. El objetivo, en suma, es comprender e imitar la forma en que los sistemas biológicos aprenden y evolucionan. Para diseñar estos sistemas, además de utilizar la computación tradicional numérico-simbólica, se usan otras metodologías tales como las redes neuronales artificiales, la lógica difusa y la computación evolutiva. Por ello, este intento de emulación del funcionamiento de los seres vivos se debe apoyar en un entorno multidisciplinar que agrupa físicos, informáticos, electrónicos, microelectrónicos y áreas de la ingeniería, como la biomédica o la neuromórfica, y aspira a conseguir auténticos sistemas electrónicos dotados de sentidos artificiales que permitan facilitar un sinfín de tareas y resolver problemas hasta ahora no resueltos


La construcción de sentidos artificiales

Visión artificial, reconocimiento del habla, capacidad olfativa... son algunos de los campos en los que trabaja esta nueva forma de computación, inspirada en modelos biológicos, cuyo objetivo es reproducir artificialmente muchas de las funciones neuronales y desarrollar así nuevos tipos de ordenadores aplicables fundamentalmente al campo de los implantes biónicos, aunque también y cada vez más a otros aspectos de la vida como la producción industrial.

La visión artificial trata de traducir el mundo visual a un sistema informático que sea capaz de interactuar con el medio a partir de la información recibida. Los dispositivos electrónicos para la visión se llevan probando en seres humanos desde 1996. Los primeros prototipos eran capaces de crear leves sensaciones de luminosidad en las retinas de personas completamente ciegas; en la actualidad se trabaja con chips y sensores de píxeles similares a los de las cámaras fotográficas digitales. La visión artificial se enfoca fundamentalmente a facilitar la vida a las personas invidentes o tetrapléjicas y aunque la implantación de conexiones biomecánicas es un arduo y delicado trabajo, ya se han realizado numerosos experimentos en esta dirección. Uno de los más famosos fue el que consiguió que un paciente tetrapléjico hiciera moverse el ratón del ordenador sólo con "desearlo" y gracias a unas conexiones biomecánicas intercerebrales entre el área del cerebro que rige el movimiento de las extremidades y el área que gobierna la percepción.

Por su lado, en el desarrollo del oído artificial, los implantes cocleares son hasta el momento el sistema más extendido y más antiguo ya que fueron los primeros implantes de sentidos biónicos realizados y desde 1979 se vienen colocando estos aparatos que permiten recuperar parte de su capacidad auditiva a personas totalmente sordas. La técnica consiste básicamente en reparar las células receptoras de vibraciones sonoras que se ubican en la base de la cóclea sustituyéndolas por electrodos microscópicos que envían información al cerebro en forma de impulsos eléctricos. Los primeros implantes utilizaban un sólo electrodo y en la actualidad estos dispositivos, llamados multicanal, llegan a integrar hasta 22 electrodos.


Narices electrónicas

Aunque no tan desarrollados como los sistemas inteligentes de visión y de reconocimiento de voz, los sistemas bioinspirados comprenden también los dispositivos conocidos como narices y lenguas electrónicas que se empezaron a investigar en la década de los ochenta. El olfato humano está dotado de decenas de millones de receptores y, aunque tiene una cierta limitación, nuestra capacidad para distinguir entre olores muy relacionados es muy elevada estando, además, sujeta a aprendizaje por medio del refinamiento. Estos receptores generan una especie de códigos olfativos para una gran variedad de olores que son transmitidos y almacenados en el cerebro. Por otro lado, el olor está constituido por una multitud de compuestos gaseosos con propiedades distintas, lo que añade aún más dificultades al proceso de imitación de la capacidad olfativa humana.

La llamada nariz electrónica esta formada por una red de sensores químicos que detecta esos compuestos gaseosos y los identifica a través de un sistema inteligente que trata las señales y deduce las características del olor medido. En el tratamiento de los datos intervienen distintos elementos, como el análisis estadístico de los olores, correlación con los datos de la emisión y discriminación de los diferentes olores.

En la actualidad, tanto los mecanismos de captación de muestras, los sensores o hardware del sistema, como el software encargado de transformar las señales captadas, programas con capacidad de aprendizaje basados en redes neuronales y lógica difusa, están lo suficientemente evolucionados para que las narices electrónicas tengan ya aplicaciones en una amplia variedad de sectores y sean comercializadas por un buen número de compañías. A pesar de ello, aún queda mucho camino por recorrer en cuanto a la capacidad de discriminación específica de los sensores, que a su vez dará lugar a nuevas capacidades de proceso de información que permitirán comparar y distinguir aromas de distintas mezclas, lo que ampliaría los campos de aplicación de estos dispositivos de olfato artificial.

En otro orden, parece ser que pasar de la percepción de olores a la emisión de los mismos por parte de dispositivos es sólo cuestión de tiempo, ya que muy pronto el ordenador conectado a Internet empezará a emitir olores. Esa es al menos la propuesta de varias empresas, como DigiScents, TriSenx o AromaJet ,que trabajan en la "digitalización" de los aromas. Para conseguir su objetivo se basan en tecnologías muy similares a las de las narices electrónicas, es decir, haciendo uso de los mismos elementos: sensores, análisis de datos, etc con la salvedad de que nuestro ordenador deberá ir provisto de una paleta de esencias para identificar el olor emitido.


Mil y una aplicaciones

Los sensores de aromas tienen numerosas aplicaciones en el control de mezclas complejas como lo son las esencias, perfumes o alimentos; del mismo modo las narices electrónicas muestran su utilidad en campos como la detección de bacterias causantes de enfermedades, lo que permitiría diagnósticos rápidos y fiables. En ese sentido, Osmetech, una empresa británica especializada en la detección de enfermedades ha diseñado un "olfateador electrónico" capaz de oler seis de los siete tipos de bacterias que causan infecciones urinarias. Esta misma técnica se puede aplicar a la detección de bacterias en enfermos de pulmón, hígado y riñón, con lo que un simple soplido del paciente sobre un detector analizaría en cuestión de horas su estado.

Sin embargo, la industria alimentaria es el sector que se perfila como uno de los que más se beneficiarán de esta tecnología donde las narices electrónicas se emplearían para la detección de volátiles desprendidos por alimentos en mal estado, contaminados o con determinados alergenos, aditivos y conservantes. También se podrán utilizar en todo tipo de catas de alimentos, como aceite, vino, jamón, para su posterior clasificación o concesiones de denominación de origen, por ejemplo.

En el terreno de la contaminación ambiental y la detección de sustancias químicas, toxinas, minas antipersonas y un amplio abanico de otras posibilidades, el olfato artificial tienen un importante papel como herramienta de control y prevención de riesgos. Así, por ejemplo, en caso de escape de compuestos químicos, el detector daría la alerta antes de que se produjeran intoxicaciones. De hecho, la Nasa está probando prototipos de estos dispositivos en la Estación Espacial Internacional (ISS) que detectan hasta 10 sustancias y miden la concentración de humedad, oxígeno y compuestos contaminantes dentro del habitáculo de la estación. Las aplicaciones de esta tecnología se multiplicarán, sin duda, a medida que los dispositivos se reduzcan y se abaraten sus precios.


El estado de la investigación

A pesar de que estos dispositivos se venden en el mercado desde hace más de cinco años, expertos de varios países europeos y de Estados Unidos trabajan en el desarrollo y perfeccionamiento de la nariz electrónica. En Europa se cuenta con un buen número de investigaciones punteras en este terreno y desde enero de 1999 comenzó un foro europeo que trabaja de manera multidisciplinar en el intercambio de información entre todos los sectores implicados en el desarrollo del olfato artificial (AO): usuarios, investigadores desarrolladores y productores de dispositivos y de sistemas y dentro del programa NOSE (Network on artificial Olfactory Sensing), del que forma parte nuestro país con la aportación particular del Departamento de Electrónica de la Universidad de Barcelona (UB), ciudad en la que tuvo lugar el año pasado uno de los encuentros de este foro internacional, coordinado por los responsables de dicho departamento y donde se presentaron los últimos avances en narices electrónicas.

Autor: Elvira Fernández | 2001