Tecnología - X (Diez) Curiosidades

Arena que se auto-esculpe

Algoritmo arena esculpida — Imagen: M. Scott Brauer

Nuevos algoritmos podrían permitir que montones de granos de “arena inteligente” asuman cualquier forma, permitiendo la formación espontánea de nuevas herramientas o la duplicación de partes mecánicas rotas.

Larry Hardesty, MIT News Office. Original (en inglés)

Imagina que tienes una gran caja de arena en la que entierras un pequeño modelo de un taburete. Unos pocos segundos más tarde, metes la mano en la caja y sacas un taburete de tamaño completo: La arena se ha ensamblado a sí misma en una réplica a escala completa del modelo.

Eso podría sonar como una escena de una novela de Harry Potter, pero es la visión que anima un proyecto de investigación en el Laboratorio de Robótica Distribuida (DRL) en el Laboratorio de Ciencia Computacional e Inteligencia Artificial del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts). En la Conferencia Internacional sobre Robótica y Automatización del IEEE en mayo – la conferencia principal de robótica del mundo – investigadores del DRL presentaran una revista académica describiendo algoritmos que podrían permitir dicha “arena inteligente”. También describen experimentos en los que probaron el algoritmo en partículas algo más grandes – cubos de alrededor de 10 milímetros de borde, con microprocesadores rudimentarios dentro e imanes muy inusuales en cuatro de sus lados.

A diferencia de muchos otros acercamientos a los robots reconfigurables, la arena inteligente usa un método sustractivo, similar a esculpir en piedra, en lugar de uno aditivo, similar a romper piezas de lego juntas. Un montón de arena inteligente sería análogo a un bloque de piedra en bruto con el que un escultor comienza. Los granos individuales pasarían mensajes entre uno y otro y selectivamente se pegarían uno al otro para formar un objeto tridimensional; los granos no necesarios para construir ese objeto simplemente caerían. Cuando el objeto ha servido a su propósito, sería regresado al montón. Sus granos constituyentes se despegarían uno del otro, volviéndose disponibles para participar en la formación de una nueva forma.

Inteligencia distribuida

Algorítmicamente, el principal desafío desarrollando arena inteligente es que los granos individuales tendrían muy pocos recursos computacionales. “¿Como desarrollas algoritmos eficientes que no desperdicien ninguna información en el nivel de la comunicación y en el nivel del almacenamiento?” pregunta Daniela Rus, una profesora de ciencia computacional e ingeniería en el MIT y coautora de la nueva revista académica, junto con su estudiante Kyle Gilpin. Si cada grano pudiera simplemente guardar un mapa digital del objeto a ser ensamblado, “entonces podría sacar un algoritmo de una manera muy sencilla”, dice Rus. “Pero nos gustaría resolver el problema sin ese requerimiento, porque ese requerimiento sería simplemente irrealista cuando hablamos de módulos a esta escala”. Además, dice Rus, de uno al siguiente, los granos en el montón estarán revueltos juntos de una manera completamente diferente. “Nos gustaría no tener que saber antes de tiempo como se verán nuestros bloques”, dice Rus.

Darle información de forma al montón con un simple modelo físico – como el pequeño taburete – ayuda con ambos problemas. Para obtener una idea de como funcionan los algoritmos de los investigadores, probablemente sea más fácil considerar un caso bi-dimensional. Imagina cada grano de arena como un cubo en una malla bidimensional. Ahora imagina que algunos de los cuadros – digamos, en la forma de un taburete- faltan. Ahí es donde el modelo físico entra.

De acuerdo a Gilpin – autor de la nueva revista académica, los granos primero se pasan mensajes el uno al otro para determinar cuales tienen vecinos perdidos. (En el modelo de malla, cada cuadro puede tener hasta ocho vecinos.) Los granos con vecinos perdidos están en uno de dos lugares: el perímetro del montón o el perímetro de la figura que se introdujo.

Una vez que los granos que rodean a la figura introducida se identifican, simplemente pasan mensajes a los otros granos a una distancia fija aparte, lo que los identifica a si mismos como definiendo el perímetro del duplicado. Si el duplicado se supone que sea 10 veces el tamaño del original, cada cuadro que rodea la figura introducida mapea hasta 10 cuadros del perímetro del duplicado. Una vez que el perímetro del duplicado es establecido, los granos fuera pueden desconectarse de sus vecinos.

Prototipos rápidos

El mismo algoritmo puede ser variado para producir copias múltiples con una forma similar al de una muestra de ejemplo, o producir una sola copia más grande de un objeto grande. “Digamos que la rueda en tu auto se ha roto”, dice Gilpin. “Podrías pegarla con cinta adhesiva, ponerla en el sistema, y obtener una nueva”.

Los cubos – o “piedras inteligentes” – que Gilpin y Rus construyeron para probar su algoritmo actuan una versión bidimensional simplificada del sistema. Cuatro caras de cada cubo tienen imanes electropermanentes, materiales que pueden ser magnetizados o desmagnetizados con una sola corriente eléctrica. A diferencia de los imanes permanentes, pueden encenderse y apagarse; a diferencia de los electroimanes, no requieren de una corriente constante para mantener su magnetismo. Las piedras usan los imanes no solo para conectarse una con la otra sino también para comunicarse o compartir energía. Cada piedra también tiene un microprocesador, que puede guardar apenas 32 kilobytes de código de programa y solo tiene dos kilobytes de memoria funcional.

Las piedras tienen imanes en solo cuatro caras, explica Gilpin, porque, con la adición del microprocesador y los circuitos para regular la energía, “no había suficiente espacio para dos imanes más”. Pero Gilpin y Rus realizaron simulaciones de computadoras mostrando que sus algoritmos funcionarían con un bloque de cubos tridimensional, tratando cada capa del bloque como su propia malla bidimensional. Los cubos descartados de la forma final simplemente se desconectan de los cubos encima de y debajo de ellos, así como de aquellos junto a ellos.

Verdadera arena inteligente, por supuesto, requeriría granos mucho más pequeños que cubos de 10 milímetros. Pero de acuerdo a Robert Wood, un profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Universidad de Harvard, ese no es un obstáculo que no se pueda superar. “Toma la funcionalidad básica de sus piedras”, dice Wook, quien dirige el Laboratorio de Microrobótica de Harvard. “Tienen la habilidad de pegarse una con la otra y con sus vecinos; tienen la habilidad de hablar con sus vecinos; tienen la habilidad de realizar algo de computación. Todas esas son cosas en las que es posible pensar en hacer en paquetes más pequeños”.

“Requeriría mucha ingeniería hacer eso, por supuesto”, advierte Wood. “Es un conjunto de desafíos de ingeniería bien propuestos pero muy difícil que se puedan continuar abordándose en el futuro”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

El Hubble ve una galaxia espiral de canto

Hubble espiral — Imagen: ESA / Hubble & NASA

El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA ha encontrado la “UFO Galaxy”. NGC 2683 es una galaxia espiral vista casi de canto, dándole la forma de un clásico de ciencia ficción espacial. Esto es porque los astrónomos del Observatorio y Planetario Memorial astronauta, en Cocoa, Florida, le dieron este apodo para llamar la atención.

Aunque a vista de pájaro nos permite ver la estructura detallada de una galaxia, una vista lateral tiene sus propias ventajas. En particular, se da a los astrónomos una gran oportunidad para ver los carriles polvorientos delicados de la silueta de los brazos espirales contra la bruma dorada del núcleo de la galaxia. Además, los grupos brillantes de jóvenes estrellas azules que resplandecen dispersas por todo el disco, la cartografía de las regiones de formación estelar de la galaxia.

Quizá sorprendentemente, las vistas laterales de galaxias como ésta no impide a los astrónomos deducir sus estructuras. Los estudios de las propiedades de la luz provenientes de NGC 2683 sugieren que ésta es una galaxia espiral barrada, incluso aunque el ángulo que vemos menos no nos deja ver esto de manera directa.

NGC 2683, descubierta el 5 de febrero de 1788, por el famoso astrónomo William Herschel, se encuentra en la constelación Norte de Lynx. Una constelación no nombrada por su parecido con animal felino, sino porque es bastante débil, requiriendo la “sensibilidad de los ojos de un gato” para distinguir. Y cuando logras conseguir una mirada de ella, puedes encontrar tesoros como éste, por lo que hace que valga la pena el esfuerzo.

Esta imagen es producida desde dos campos adyacentes observados en luz visible e infrarroja por la cámara avanzada de Hubble para exploración. Una estrecha franja que aparece ligeramente borrosa y cruza la mayor parte de la imagen en sentido horizontal es el resultado de una brecha entre los detectores de Hubble. Esta franja ha sido parcheada usando imágenes a partir de observaciones de la galaxia hechas por telescopios terrestres, que muestran significativamente menos detalles. El campo de visión es de aproximadamente 6.5 por 3.3 minutos de arco.

Fuente
http://www.nasa.gov/ (en inglés)

Munich ha ahorrado 4 millones de Euros tras cambiar a Linux

Christian Ude, presidente municipal de la ciudad de Munich, Alemania, reportó el día de hoy que la ciudad de Munich ha ahorrado hasta ahora 4 millones de euros (5.3 millones de dólares) al cambiar su infraestructura de Windows NT y Office a Linux y OpenOffice. Al mismo tiempo, el número de tickets de soporte se redujo de 70 a 46 al mes. Los ahorros fueron de 2.8 millones de euros (3.7 millones de dólares) en licencias de software y de 1.2 millones de euros (1.6 millones de dólares) en hardware ya que las demandas de éste son más bajas para Linux comparadas con Windows 7.

En el cálculo de los costos ahorrados se tomó en consideración que habrían sido necesarias 15,000 licencias de Microsoft Office y 7,500 licencias de Microsoft Windows. Adicionalmente, 7,500 nuevas computadoras habrían tenido que comprarse para cubrir los requerimientos de sistema de las versiones actuales de Windows. En los cálculos se incluyó el costo de la migración a Linux, y el costo del entrenamiento en su uso.

Más información
http://www.golem.de/ (en alemán)

Moviendo microfluídicos de la mesa de laboratorio a la fábrica

El Centro de Microfabricación de Polímeros diseña procesos de manufactura para una nueva generación de herramientas de diagnóstico.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

En el futuro no tan distante, chips plásticos del tamaño de memorias USB podrían rápida y precisamente diagnosticar enfermedades como el SIDA y el cáncer, así como detectar toxinas y patógenos en el entorno. Dicha tecnología de laboratorio-en-un-chip – conocida como microfluídica – trabaja por medio de hacer pasar fluidos como la sangre a través de canales microscópicos grabados en la superficie de polímeros. Los científicos han desarrollado maneras de manipular el flujo a microescalas y nanoescalas para detectar ciertas moléculas o marcadores que señalizan enfermedades.

Los dispositivos microfluídicos tienen el potencial de ser herramientas de diagnóstico rápidos, baratos y portátiles. Pero la tecnología aún no ha llegado al mercado. Mientras que los científicos han hecho prototipos exitosos en el laboratorio, los dispositivos microfluídicos – particularmente para uso clínico – todavía tienen que ser manufacturados a gran escala.

David Hardt del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) está trabajando en mover los microfluídicos del laboratorio a la fábrica. Hardt dirige el Centro para Microfabricación de Polímeros – un grupo de investigación multidisciplinario con fondos de la Alianza Singapur-MIT – que está diseñando procesos de manufactura para microfluídicos comenzando desde cero. El grupo analiza el comportamiento de polímeros bajo condiciones de fábrica, construyendo nuevas herramientas y máquinas para hacer chips basados en polímeros a niveles de producción, y diseñando procesos de control de calidad para revisar la integridad de un chip a escalas submicrónicas – todo mientras se minimiza el costo de manufactura.

“Estos son dispositivos que la gente quiere hacer por millones, por unos pocos centavos cada uno,” dice Hardt, el Profesor de Ingeniería Mecánica en el MIT. “El costo material es cercano a cero, no hay suficiente plástico aquí por el cual enviar una factura. Entonces tienes que reducir el costo de manufactura.”

Micromáquinas

Hardt y sus colegas encontraron que al hacer chips microfluídicos, muchos grupos de investigación y emprendedores han adoptado equipo principalmente de la industria semiconductora. Hardt dice que este equipo – como máquinas de nano-indentación y unión – es increíblemente caro, y nunca fue diseñado para trabajar en materiales basados en polímeros. En su lugar, el equipo de Hardt buscó formas de diseñar equipo más barato que es más apropiado para construir con polímeros.

El grupo se enfocó en una técnica de impresión llamada “micro grabado en relieve” (microembossing), en la que un polímero es calentado, entonces estampado con un patrón de pequeños canales. En experimentos con máquinas existentes, los investigadores descubrieron una falla en el proceso de grabado en relieve: Cuando trataron de soltar la herramienta de estampado del chip enfriado, mucho del plástico se arrancó con ella.

Para prevenir fallas del grabado en relieve en un establecimiento de manufactura, el equipo estudió las interacciones entre el enfriado del polímero y la herramienta de grabado en relieve, midiendo las fuerzas mecánicas entre las dos. Los investigadores usaron entonces las mediciones para construir máquinas de grabado en relieve específicamente diseñadas para minimizar la “pegajosidad” del polímero. En experimentos, el grupo encontró que las máquinas fabricaban chips rápida y precisamente, “a un costo muy bajo”, dijo Hardt. “En muchos casos tiene sentido construir tu propio equipo para la tarea a la mano”, añadió.

Adicionalmente a construir equipo microfluídico, Hardt y su equipo están diseñando innovadoras técnicas de control de calidad. A diferencia de las partes de automóviles en una línea de ensamblado que pueden ser rápidamente inspeccionadas a simple vista, los chips microfluídicos tienen pequeñas características, algunas de las cuales solo pueden ser vistas por un microscopio de alta resolución. Revisar cada característica en tan solo un chip es un ejercicio que toma mucho tiempo.

Hardt y sus colegas idearon una manera rápida y confiable de estimar la “salud” de un proceso de producción de chips. En lugar de revisar si cada canal en un chip ha sido grabado en relieve, el grupo agregó una característica adicional – una pequeña X – al patrón del chip. Diseñaron la característica para que fuera más difícil de grabar que el resto del chip. Hardt dice que la claridad con la que la X fue estampada es una buena indicación de si el resto del chip fue creado precisamente.

Iniciando una industria de golpe

La última meta del equipo es cambiar como se hace la manufactura. Típicamente, una industria construye sus procesos de producción gradualmente, realizando ajustes y mejoras con el tiempo. Hardt dice que la industria de los semiconductores es un claro ejemplo del proceso iterativo de manufactura.

“Ahora lo que ellos hacen en manufactura es imposiblemente difícil, pero ha sido una serie de pequeñas mejoras incrementales con el paso de los años”, dice Hardt. “Estamos tratando de iniciar de golpe y no esperar hasta que la industria identifique todos esos problemas cuando están tratando de hacer un producto”.

El grupo está ahora investigando formas de diseñar una “fábrica auto-correctiva” en la que productos son automáticamente probados. Si el producto no funciona, Hardt imagina los procesos de manufactura cambiando en respuesta, ajustando configuraciones en máquinas para corregir el proceso. Por ejemplo, el equipo está buscando maneras de evaluar cómo los fluidos fluyen a través de un chip manufacturado. El punto en el que dos fluidos se mezclan dentro de un chip debe ser exactamente el mismo en cada chip producido. Si ese punto de mezcla se desplaza de chip a chip, Hardt y sus colegas han desarrollado algoritmos que ajustan el equipo para que corrija el desplazamiento.

Holger Becker, cofundador de Microfluidic ChipShop, una compañía de producción de laboratorios-en-un-chip en Jena, Alemania, dice que el centro de investigación juega un papel importante en entender los diferente procesos involucrados en la producción a gran escala de microfluídicos.

“La mayoría del trabajo académico en microfluídicos se concentra en aplicaciones, y desafortunadamente solo muy poco se concentra en las tecnologías de manufactura adecuadas para la industrialización”, dice Becker. “El equipo de David Hardt toma un acercamiento integral viendo todos los diferentes pasos del proceso y el proceso de manufactura completo en lugar de tecnologías individuales”.

“Estamos llegando a una etapa donde nos gustaría que la industria supiera lo que estamos haciendo”, dice Hardt. “Hemos estado laborando en el viñedo por años, y ahora tenemos esta base, y podría llegar al punto donde estemos por delante del grupo”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Investigadores crean un chip que actúa como intestino viviente

En un esfuerzo por proveer una alternativa más precisa al cultivo de células convencional y a los modelos animales, investigadores del Instituto Wyss para la Ingeniería Inspirada Biológicamente en la Universidad de Harvard desarrollaron un dispositivo que imita la estructura, fisiología y mecánica del intestino humano. Este dispositivo podría ayudar a estudiar enfermedades intestinales y a encontrar tratamientos potenciales.

El dispositivo tiene una cámara central con una capa de tejido epitelial de un intestino humano que crece en una membrana porosa y flexible que recrea la barrera intestinal. La membrana imita los movimientos ondulatorios que hacen pasar la comida al estar unida a unas paredes que se estiran y se recogen usando un controlador de vacío. Los investigadores pueden hacer crecer y sustentar los microbios intestinales comunes.

Más información
http://www.gizmag.com/ (en inglés)
http://wyss.harvard.edu/ (en inglés)

Una nueva dimensión para la energía solar

Páneles solares — Imagen: Allegra Boverman

Diseños inovativos tridimensionales de un equipo del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) pueden más que doblar la energía solar generada de un área dada.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Investigación intensiva alrededor del mundo se ha enfocado en mejorar el rendimiento de las celdas solares fotovoltaicas y reducir su costo. Pero muy poca atención ha sido prestada a las mejores maneras de acomodar esas celdas, que típicamente se colocan planas en un techo u otra superficie, o a veces se unen a estructuras motorizadas que mantienen las celdas apuntando hacia el sol según cruza el cielo.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha encontrado un acercamiento muy diferente: construir cubos o torres que extienden las celdas solares hacia arriba en configuraciones tridimensionales. Increíblemente, los resultados de las estructuras que han probado muestran una salida de energía que va desde el doble hasta más de 20 veces aquella de paneles planos fijos con la misma área de la base.

Los mayores incrementos de energía fueron vistos en las situaciones donde las mejoras eran más necesitadas: en lugares lejos del ecuador, en los meses de invierno y en días nublados. Los nuevos hallazgos, basados en modelado con computadora y pruebas al aire libre de módulos reales, han sido publicados en el diario Energy and Environmental Science (Ciencia de Energía y Ambiental).

“Pienso que este concepto podría convertirse en una parte importante del futuro de la fotovoltaica”, dice el autor principal de la revista académica, Jeffrey Grossman, el profesor asociado de Desarrollo de Carreras de Ingeniería de Energía en el MIT.

El equipo del MIT inicialmente usó un algoritmo computacional para explorar una enorme variedad de configuraciones posibles, y desarrolló software analítico que puede probar cualquier configuración dada bajo un rango completo de latitudes, temporadas y clima. Entonces, para confirmar las predicciones de su modelo, construyeron y probaron tres diferentes acomodos de celdas solares en el techo de un edificio de laboratorios del MIT por varias semanas.

Mientras que el costo de una cantidad de energía dada generada por dichos modelos tridimensionales excede en los paneles planos ordinarios, el costo es parcialmente balanceado por una salida de energía mucho más alta de un área dada, así como una salida de energía mucho más uniforme en el curso del día, en las temporadas del año, y en presencia de bloqueo de nubes y sombras. Estas mejoras vuelven la salida de energía más predecible y uniforme, lo que podría hacer la integración con la red de energía más fácil que los sistemas convencionales, dicen los autores.

La razón física baja para las mejoras en la salida de energía – y para la salida más uniforme en el tiempo – es que las superficies verticales de las estructuras tridimensionales pueden recolectar mucha más luz del sol por las mañanas, tardes e inviernos, cuando el sol es más cercano al horizonte, dice el coautor Marco Bernardi, un estudiante graduado en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería (DMSE) del MIT.

El tiempo es perfecto para dicha inovación, agrega Grossman, por que las celdas solares se han vuelto más económicas que las estructuras que las soportan, el cableado y la instalación. Conforme el costo de las mismas celdas continua declinando más rápidamente que estos otros costos, dicen, las ventajas de los sistemas tridimensionales crecerán de la misma manera.

“Incluso hace 10 años, esta idea no habría sido económicamente justificable por que los módulos costarían demasiado,” dice Grossman. Pero ahora, agrega, “el costo de las celdas de silicio es una fracción del costo total, una tendencia que continuará bajando en el futuro cercano”. Actualmente, hasta 65 por ciento del costo de la energía fotovoltaica (PV) está asociada con la instalación, permisos para uso del suelo y otros componentes además de las celdas mismas.

Aunque el modelado por computadora de Grossman y sus colegas mostró que la mayor ventaja sería obtenida de formas complejas – como un cubo donde cada cara está curveada hacia adentro – estás serían difíciles de construir, dice el coautor Nicola Ferralis, un científico investigador en DMSE. Los algoritmos también pueden ser usados para optimizar y simplificar formas con poca pérdida de energía. Resulta ser que la diferencia de salida de energía entre dichas formas optimizadas y un cubo simple es solo de 10 a 15 por ciento – una diferencia que es eclipsada por la gran mejora de rendimiento de las formas tridimensionales en general, dice. El equipo analizó las simples formas cúbicas y las formas más complejas similares a un acordeón en las pruebas experimentales en su tejado.

Al principio, los investigadores estuvieron afligidos cuando pasaron casi dos semanas sin un día claro y soleado para sus pruebas. Pero entonces, viendo los datos, se dieron cuenta de que habían aprendido importantes lecciones de los días nublados, que mostraron una mejora enorme en la salida de energía sobre los paneles planos convencionales.

Para la torre similar a un acordeón – la estructura más amplia que el equipo probó – la idea era simular una torre que “pudieras enviar plana, y entonces pudiera desdoblarse en el lugar”, dice Grossman. Dicha torre podría ser instalada en un estacionamiento para proveer una estación de recarga de vehículos eléctricos, dijo.

Hasta ahora, el equipo ha modelado módulos individuales tridimensionales. Un próximo paso es estudiar una colección de dichas torres, tomando en cuenta las sombras que una torre podría crearle a las otras a diferentes horas del día. En general, formas tridimensionales podrían tener una gran ventaja en cualquier lugar donde el espacio es limitado, como instalaciones de techos planos o en entornos urbanos, dicen. Dichas formas también podrían ser usadas en aplicaciones de gran escala, como granjas solares, una vez que los efectos entre las torres sean cuidadosamente minimizados.

Algunos otros esfuerzos – incluyendo incluso un proyecto de una feria de ciencia de escuela media el año pasado – han intentando acomodos tridimensionales de celdas solares. Pero, dice Grossman, “nuestro estudio es diferente en naturaleza, ya que es el primer acercamiento al problema con un análisis sistemático y predictivo”.

David Gracias, un profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad John Hopkins quien no estuvo involucrado en esta investigación, dice que Grossman y su equipo “han demostrado evidencia teórica y una prueba de concepto de que elementos fotovoltaicos tridimensionales podrían proveer beneficios significativos en términos de capturar la luz en diferentes ángulos. El desafío, sin embargo, es el producir masivamente estos elementos de una manera efectiva en cuanto a costos”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

La NASA lanzó hoy 5 cohetes ATREX

Como se dijo a principios de Marzo sobre el lanzamiento de 5 cohetes en 5 minutos, hoy la NASA lanzó con éxito cinco cohetes suborbitales de su Centro de Vuelo Wallops en Virginia como parte de un estudio del nivel superior de la corriente de chorro. El primer cohete fue lanzado a las 4:58 am EDT (8:58 am GMT), y cada cohete fue lanzado después de 80 segundos de diferencia. Cada cohete lanzó un trazador químico que creó nubes lechosas de color blanco, en el borde del espacio.

El Experimento Cohete de Transporte Anómalo (ATREX – Anomalous Transport Rocket Experiment) es una misión de cohetes de sondeo Heliofísico que reunirá información necesaria para entender mejor el proceso responsable de la corriente de chorro a gran altitud situada entre 60 y 65 kilómetros sobre la superficie de la Tierra.

Fuente
http://www.nasa.gov/ (en inglés)

Ingenieros crean estructura que se pandea

Inspirado por un juguete, el “buckliball” – una estructura colapsable fabricada de una sola pieza de material – representa una nueva clase de estructura tridimensional similar al origami.

Denise Brehm, Civil and Environmental Engineering. Original (en inglés).

Motivados por el deseo de determinar la estructura tridimensional más simple que pudiera tomar ventaja de la inestabilidad mecánica para colapsarse reversiblemente, un grupo de ingenieros del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y de la Universidad de Harvard estuvieron frustrados – hasta que uno de ellos encontró un juguete colapsable y esférico que se asemejaba a las estructuras que habían estado explorando, pero con un diseño complejo de 26 elementos sólidos movibles y 48 bisagras rotatorias.

El juguete inspiró a los ingenieros a crear un objeto hueco esférico hecho de caucho suave que no contenía ninguna parte móvil, pero vestido con 24 cavidades cuidadosamente espaciadas. Cuando el aire se extrae de la buckliball con una jeringa, los delgados ligamentos que forman columnas entre las cavidades laterales colapsan. Este es el equivalente en ingeniería de aplicar una carga similar en todas las vigas de una estructura simultáneamente para inducir el pandeo, un fenómeno que fue estudiado por primera vez por el matemático Leonhard Euler en 1757.

Cuando los delgados ligamentos de la buckliball se pandean, los ligamentos más gruesos que forman filas entre las cavidades pasan por una serie de movimientos a los que los investigadores se refieren como “cascada cooperativa de pandeo”. Algunos de los ligamentos más gruesos rotan en el sentido del reloj, otros en sentido contrario – pero todos se mueven de manera simultanea y armoniosa, volviendo las cavidades originales y circulares en elipses verticales y horizontales en patrones que se alternan antes de cerrarse completamente. Como resultado, la buckliball se transforma en un rombicuboctaedro de alrededor de la mitad del tamaño (46 por ciento) de la esfera original.

Los investigadores nombraron su nueva estructura por su uso del pandeo (buckling en inglés) y su parecido a las buckybolas, moléculas esféricas de carbono puro cuyo nombre fue inspirado por los domos geodésicos creados por el arquitecto e inventor Buckminster Fuller. La buckliball es la primer estructura transformable que incorpora el pandeo como un elemento deseable de la ingeniería del diseño. El proceso de pandeo induce el doblado de la esfera en porciones – similar a la manera en que el papel se dobla en el origami – así los investigadores colocan su buckliball en un marco más grande de trabajo de origami inducido por pandeo al que ellos llaman “buckligami.”

Por que su colapso es completamente reversible y puede ser alcanzado sin partes móviles, las estructuras transformables como la de la buckliball tienen el potencial para amplias aplicaciones, desde la micro hasta la macroescala. Podrían ser usadas para crear edificios más grandes con techos o muros colapsables, pequeñas cápsulas de entrega de drogas o articulaciones suaves móviles que no requieran piezas mecánicas. También tienen el potencial de transformar Transformers y otros tipos de juguetes. (El juguete que les provocó a los investigadores su epifanía es el Twist-O).

Los investigadores – Jongmin Shim, un posdoctorado en Harvard; Claude Perdigo, estudiante visitante en el MIT; Elizabeth Chen, un reciente graduado de la Universidad de Michigan quien se unirá a Harvard para un posdoctorado en el otoño; Katia Bertoldi, una profesora asistente de Ingeniería Civil y Ambiental, Pedro Reis, Esther y Harold E. Edgerton profesor Adjunto de Ingeniería Civil y Ambiental y de Ingeniería mecánica en el MIT – escribieron una revista académica sobre su trabajo que aparece esta semana en el Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

“En ingeniería civil, el pando es asociado comúnmente con una falla que debe ser evitada. Por ejemplo, uno típicamente quiere calcular el criterio de pandeo para columnas y aplicar un factor adicional de seguridad, para asegurarse de que el edificio se sostenga”, dice Reis. “Estamos tratando de cambiar este paradigma al convertir la falla en funcionalidad en estructuras mecánicas suaves. Para nosotros, la buckliball es el primero de dichos objetos, pero habrá muchos otros”. Por ejemplo, un brazo robótico podría ser construido de una sola pieza de material usando un patrón de cavidades diseñada precisamente en los puntos donde se quiere que se doble, que cuando se activa por una señal de presión se doble.

“La buckliball no solo abre caminos para el diseño de estructuras doblables en un gran rango de escalas de longitud, también podría ser usada como un bloque de construcción para crear nuevos materiales con propiedades inusuales, capaz de contracciones dramáticas en todas las direcciones”, dice Bertoldi.

La investigación de Reis utiliza pruebas de laboratorio precisas y análisis matemáticos para determinar la física básica detrás del comportamiento mecánico de materiales. El grupo de investigación de Bertoldi usa herramientas de mecánica computacional para descifrar la mecánica de estructuras suaves. Los dos equipos colaboraron en la buckliball: El equipo de Reis realizó los experimentos de laboratorio con la ayuda de técnicas de fabricación digital (como una impresora tridimensional) para crear objetos con geometría precisa, y el grupo de Bertoldi usó computación para analizar más profundamente las mecánicas detalladas del proceso.

Chen, quien estaba visitando Harvard en el momento, determinó que solo cinco estructuras esféricas geométricas tienen el potencial para el colapso reversible inducido por pandeo. (El ejemplo específico del rombicuboctaedro de 12 agujeros de Fuller que se colapsa en un cuboctaedro es una de estas cinco). Los parámetros de diseño para las buckliballs incluyen el tamaño de la cavidad, lo grueso del delgado caparazón dentro de la cavidad y la rigidez del material usado para fabricar la buckliball.

La naturaleza, según parece, ya había resuelto esto. Los virus inyectan sus ácidos nucleicos dentro de un anfitrión a través de una transformación estructural reversible en la que 60 agujeros se abren o se cierran basados en cambios en la acidez del entorno de la célula, un mecanismo diferente que logra un colapso reversible similar a una nanoescala.

“Lo que es emocionante sobre este trabajo es que usa inestabilidades para básicamente amplificar presiones pequeñas o moderadas en movimientos dramáticos”, dice Carmel Majidi, una profesora asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad Carnegie Mellon cuya investigación en robótica suave se enfoca en materiales estirables similares a la piel que contienen sensores. “Una limitación de trabajar robótica de materiales suaves es que son suaves; no pueden producir las altas presiones que obtienes con máquinas pesadas, así que lo que queda son máquinas que proveen solo presiones moderadas. Esto hace difícil el alcanzar deformaciones dramáticas. Si unes una piel robótica como un dispositivo médico asistente en un humano, puede monitorear el movimiento. Pero con avances como la buckliball, la piel podría incluso ser capaz de cambiar activamente su forma y ayudar directamente con las tareas motoras.

El trabajo fue patrocinado a través de una beca de la Fundación Nacional de Ciencia al Centro de Ciencia de Investigación de Materiales e Ingeniería de Harvard y por fondos de la Universidad de Harvard y el MIT.

Reimpreso con permiso de MIT News.

http://web.mit.edu/ (en inglés)

Una forma más rápida de sondear proteínas

La espectroscopía infrarroja le permite a los científicos analizar la estructura de proteínas en una escala temporal ultrarápida.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Las proteínas pueden tomar muchas formas diferentes, y esas formas ayudan a determinar la función de cada proteína. Analizando esas estructuras puede decirle a los científicos mucho sobre cómo se comporta una proteína, pero muchos de los métodos utilizados ahora para estudiar la estructura requieren que las proteínas sean cristalizadas o alteradas de otra manera a partir de su estado natural.

Ahora, investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) han desarrollado una forma de analizar proteínas que no requiere de ningún tratamiento previo. La técnica es además extremadamente rápida, permitiéndole a los científicos ver, por vez primera, como una proteína cambia su forma en picosegundos, o billonésimas de segundo.

Los investigadores, liderados por el profesor de química Andrei Tokmakoff y el posdoctorado Carlos Baiz, describen la nueva técnica este mes en el diaro Analyst. Su acercamiento está basado en una tecnología conocida como espectroscopía infrarroja bidimensional, que trabaja enviando pulsos de luz infrarroja a una molécula y mide las vibraciones moleculares resultantes. En la nueva revista, los investigadores encontraron una manera de analizar esos datos y correlacionarlos a elementos estructurales comunes encontrados en proteínas.

Una vez ensambladas, las proteínas tienden a doblarse en una o dos estructuras secundarias, conocidas como hélices alfa (hélice α) y beta-láminas (u hoja plegada β). En este estudio, los investigadores distinguieron entre esas dos estructuras examinando como los enlaces entre el carbono y el oxígeno – encontrado en cada uno de los amino-ácidos que forman las proteínas – vibraban cuando eran expuestos a luz infrarroja.

En una hélice alfa, los enlaces carbono-oxígeno van paralelos al esqueleto de la proteína; en una beta-lámina, esos enlaces son perpendiculares a la hoja. Debido a esa diferencia, los enlaces vibran a frecuencias diferentes cuando son golpeadas por luz infrarroja. Esto le permite a los desarrolladores calcular el porcentaje de los amino-ácidos que pertenecen a la estructura de hélice y el porcentaje que forma una beta-lámina.

Los investigadores confirmaron la precisión de sus cálculos analizando un grupo de proteínas cuya estructura ya era conocida. Su método no revela realmente la estructura exacta de una proteína, pero los investigadores están trabajando en maneras de determinar los arreglos de las láminas y hélices de los datos espectroscópicos.

“En principio, la estructura completa de la proteína es representada en el espectro. El truco es como sacar la información”, dice Baiz, autor líder de la revista académica.

Una forma de hacerlo es analizar datos de un amplio rango de longitudes de onda infrarrojas. Los investigadores también están desarrollando métodos para obtener información sobre otros enlaces de los amino-ácidos.

Gracias a que el nuevo método puede ser realizado en millonésimas de segundo, puede ser usado para estudiar como las proteínas se doblan y desdoblan cuando son desnaturalizadas por el calor. Después de golpear una proteína con un rayo láser para calentarla, los investigadores pueden capturar una serie de tomas sobre como la proteína se desdobla en este muy corto período de tiempo.

“Este es el primer método que nos permitirá capturar tomas de la estructura de la proteína siendo desnaturalizada”, dice Baiz. “Usualmente la manera en la que la gente ve las proteínas es que comienzan con el estado desdoblado y terminan con el estado doblado, así que tienes dos estructuras estáticas. Lo que podemos hacer ahora es ver todas las estructuras en el camino”.

Munira Khalil, un profesor asistente de química en la Universidad de Washington, dice que la habilidad para rastrear los cambios estructurales en el tiempo es la más grande fortaleza de la técnica. “Una gran pregunta es ¿cómo se doblan las proteínas – en que punto pasan de ser una estructura completamente desordenada a una estructura ordenada?” dice Khalil, quien no estuvo involucrada en esta investigación.

Esto sería particularmente útil para estudiar proteínas que causan enfermedades cuando se doblan incorrectamente, como la proteína Tau encontrada en pacientes con la enfermedad de Alzheimer y el prión que causa la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob.

El método también puede medir los cambios estructurales que ocurren conforme las proteínas se unen una con la otra. “Si la proteína es como una roca, y no cambia, entonces realmente nunca va a unirse a su objetivo o hacer nada. Esos son los tipos de procesos que podemos ver – los cambios conformacionales que conducen la función biológica”, dice Baiz.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Investigadores demuestran que las memorias residen en células específicas en el cerebro

Memoria células específicas — Imagen: Nikon Small World Gallery

Simplemente activando un pequeño número de neuronas puede evocar una memoria entera.

Cathryn Delude, Picower Institute for Learning and Memory. Original (En inglés).

Nuestras memorias apreciadas o temidas – ese primer beso o un golpe en la noche – dejan rastros de memorias que podemos evocar de tiempos pasados, completos con tiempo, lugar y todas las sensaciones de la experiencia. Neurocientíficos llaman a estos rastros engramas de memoria.

Pero, ¿son los engramas conceptuales, o son una red física de neuronas en el cerebro? En un nuevo estudio del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), los investigadores usaron optogenética para mostrar que las memorias realmente residen en células del cerebro muy específicas, y que simplemente activando una pequeña fracción de células del cerebro pueden recordar una memoria entera – explicando, por ejemplo, como Marcel Proust puede recapitular su niñez a partir del aroma de una galleta.

“Demostramos que el comportamiento basado en la cognición de alto nivel, como la expresión de una memoria específica, puede ser generada en un mamífero por una activación física altamente específica de una pequeña subpoblación de células cerebrales, en este caso por luz”, dice Susumu Tonegawa, el Profesor de Biología y Neurociencia en el MIT y autor líder del estudio reportado en línea en el diario Nature. “Esta es la prueba del siglo 21 rigurosamente diseñada que el neurocirujano canadiense Wilder Penfield ideó a principios del siglo pasado mediante una observación accidental que sugirió que la mente esta basada en materia”.

En aquella famosa cirugía, Penfield trató a pacientes de epilepsia al sacar partes del cerebro donde se originaban los ataques. Para asegurarse de que destruyó solamente las neuronas problemáticas, Penfield estimuló el cerebro con pequeñas descargas de electricidad mientras que los pacientes, que estaban bajo anestesia local, reportaban lo que experimentaban. Notablemente, algunos recordaron vívidamente eventos complejos enteros cuando Penfield estimuló solo unas pocas neuronas en el hipocampo, una región que ahora se considera esencial para la formación y el recordar memorias episódicas.

Los científicos han continuado explorando el fenómeno pero, hasta ahora, nunca se había probado que la reactivación directa del hipocampo era suficiente para causar el recordar memorias.

Arrojando luz en el asunto

Adelantándonos a la introducción, hace siete años, de la optogenética, que puede estimular neuronas que son genéticamente modificadas para expresar proteínas activadas por luz. “Pensamos que podríamos utilizar esta nueva tecnología para probar directamente la hipótesis sobre el cifrado de memorias y el almacenamiento en un experimento de mímica”, dice el coautor Xu Liu, un postdoctorado en el laboratorio de Tonegawa.

“Queríamos activar artificialmente una memoria sin la experiencia sensorial requerida, que provee evidencia experimental de que aún fenómenos efímeros, como memorias personales, residen en la maquinaria física del cerebro”, agrega el coautor Steve Ramirez, un estudiante graduado en el laboratorio de Tonegawa.

Los investigadores identificaron primero un grupo específico de células cerebrales en el hipocampo que solo estaban activas cuando un ratón estaba aprendiendo sobre un nuevo entorno. Determinaron qué genes fueron activados en esas células, y los mezclaron con un gen para channelrhodopsin-2 (ChR2), una proteína activada por luz usada en la optogenética.

Después, estudiaron a ratones con esta copla genética en las células de la circunvolución dentada del hipocampo, usando pequeñas fibras ópticas para entregar pulsos de luz a las neuronas. La proteína activada por luz solo se expresaría en las neuronas involucradas con el aprendizaje de experiencias – una manera ingeniosa de permitir el etiquetado de la red física de neuronas asociadas con un engrama de memoria específico para una experiencia específica.

Finalmente, el ratón entró en un entorno y, después de unos pocos minutos de exploración, recibió un pequeña descarga, aprendiendo a temer el entorno en particular donde ocurrió la descarga. Las células cerebrales activadas durante este condicionamiento de miedo se volvieron etiquetadas con ChR2. Más tarde, cuando fue expuesto a pulsos de luz desencadenantes en un entorno completamente diferente, las neuronas involucradas en la memoria de miedo se activaron – y el ratón rápidamente entró en un agazapo defensivo e inmóvil.

Memoria falsa

Este congelamiento inducido por luz sugirió que los animales estaban recordando la memoria de recibir una descarga eléctrica. El ratón aparentemente percibió este recuerdo de una memoria de miedo – pero la memoria fue reactivada artificialmente. “Nuestros resultados muestran que las memorias realmente residen en células cerebrales muy específicas”, dijo Liu, “y simplemente al reactivar esas células por medios físicos, como la luz, una memoria entera puede ser recordada”.

Refiriéndose al filósofo francés del siglo 17 que escribió, “pienso, por lo tanto existo,” Tonegawa dice, “René Descartes no creía que la mente pudiera ser estudiada como una ciencia natural. Estaba equivocado. Este método experimental es la manera de demostrar que la mente, como los recuerdos de memorias, están basados en cambios en la materia”.

“Este trabajo notable exhibe el poder de combinar las últimas tecnología para atacar uno de los problemas centrales de la neurobiología”, dice Charles Stevens, un profesor en el Laboratorio de Neurobiología Molecular en el Instituto Salk quien no estuvo involucrado en esta investigación. “Mostrando que la reactivación de esas células nerviosas que estuvieron activas durante el aprendizaje pueden reproducir el comportamiento aprendido es realmente un logro”.

El método también podría tener aplicaciones en el estudio de las enfermedades neurodegenerativas y neuropsiquiátricas. “Mientras más sepamos sobre las piezas móviles que forman nuestros cerebros”, dice Ramirez, “estaremos mejor equipados para encontrar lo que sucede cuando las piezas del cerebro se rompen”.

Otros contribuyentes a este estudio fueron Karl Deissenroth de la Universidad de Stanford, cuyo laboratorio desarrollo la optogenética, y Petti T. Pang, Corey B. Puryear y Arvind Govindarajan del Centro RIKEN-MIT para Genética de Circuitos Neurales en el Instituto Picower para el Aprendizaje y la Memoria en el MIT. El trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto RIKEN de Ciencia del Cerebro.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)