En una exposición sobre el futuro futurista, la asociación de investigación y cultura "Dresden-Concept" presentó sus visiones del futuro en una muestra de estelas al aire libre. El autor explora la cuestión de cómo se desarrollará y utilizará en el futuro la tecnología de sensores junto con la comunicación rápida y el procesamiento de datos mediante inteligencia artificial en redes neuronales (que funcionan de forma similar al cerebro humano).
Con la pregunta "¿Cómo será nuestro futuro?" en mente, científicos de la red de instituciones culturales y de investigación Dresden-Concept crearon en octubre una interesante exposición futurista al aire libre. "El cambio climático, el cambio demográfico, las pandemias y las megaciudades son sólo algunos de los grandes retos a los que se enfrenta nuestra sociedad", señalaron los comisarios. En la muestra de estelas, presentaron los actuales proyectos de investigación cooperativa y las innovaciones de los científicos de Dresde en los campos de la digitalización, la movilidad, los materiales del futuro y las soluciones para una vida sana, los bienes culturales, el clima y el agua.
Sensor optoplasmónico para el análisis de la leche
Olfateando como un perro
En estos momentos, nos interesa especialmente cómo avanza la pandemia. Los temas clave son las pruebas. En los aeropuertos de Helsinki y Dubai se están utilizando perros rastreadores Corona. Se supone que deben olfatear a las personas infectadas en el aeropuerto. Los expertos afirman que los perros rastreadores especialmente adiestrados pueden oler el virus con una certeza de casi el 100%, incluso antes de que las personas muestren síntomas. Se sabe que los perros adiestrados no sólo siguen el olor de las personas, los explosivos o las drogas, sino que también pueden olfatear y reconocer en una fase temprana diversos cánceres de pulmón o intestino causados por bacterias o células cancerosas. Incluso los perros no adiestrados reconocen la aparición de hipoglucemia diabética en su amo y le avisan con reacciones inusuales. Identifican compuestos orgánicos volátiles como la acetona en el aire que respiran o en la orina excretada. En un estudio piloto realizado por investigadores finlandeses, los perros fueron capaces de distinguir quién estaba infectado por coronavirus por el olor de su orina y fueron tan precisos como en las pruebas clásicas de Covid-19, e incluso a veces obtuvieron mejores resultados. En la Universidad de Medicina Veterinaria de Hannover, los investigadores colaboran con la Escuela Canina de las Fuerzas Armadas alemanas para investigar si se podría adiestrar a los perros de asistencia para que olfateen el inicio de una infección por coronavirus antes de que aparezcan síntomas graves.
Científicos de todo el mundo llevan tiempo trabajando para aprovechar el agudo olfato de los perros para los humanos y reproducirlo mediante tecnología de sensores. Biólogos moleculares del Instituto Max Planck de Biología Celular Molecular y Genética de Dresde han desarrollado un método para analizar las antenas celulares rígidas (cilios), microscópicamente pequeñas e importantes para nuestra percepción sensorial, según anunció el instituto en octubre.
En la conferencia "Narices inteligentes" celebrada en Dresde, 25 científicos de Alemania, Suiza, Francia, Gran Bretaña, Israel, Italia y EE.UU. debatieron hasta qué punto es posible utilizar medios técnicos para determinar si una persona padece la enfermedad de Covid-19 en el aire que exhala. Los investigadores de la Universidad Técnica de Dresde quieren utilizar la tecnología de sensores químicos adaptativos (perceptrónica olfativa) para desarrollar narices rastreadoras artificiales que puedan competir con el sensible sentido del olfato de un perro rastreador, explicó el coordinador del proyecto, el profesor Gianaurelio Cuniberti, de la Cátedra de Gestión de Materiales y Nanotecnología. Y subrayó: "El visionario concepto de nariz artificial aúna aspectos fisiológicos y psicológicos de la percepción con los últimos avances en electrónica". Las narices artificiales ya existen, pero el gran avance de la perceptrónica se logrará mediante un esfuerzo concertado de la ciencia, la tecnología y la medicina, basado en los últimos avances de la nanotecnología y la inteligencia artificial. En el futuro será posible construir narices artificiales especialmente baratas, pequeñas y rápidas, del tamaño de un chip de ordenador. Sería concebible integrar estos chips nasales en los teléfonos inteligentes. En el futuro, cualquiera podría utilizar su teléfono móvil para detectar comida en mal estado, aire viciado en la oficina o autobuses infestados de virus. También podrían ayudar a las personas que han perdido temporal o permanentemente el sentido del olfato debido a una enfermedad. La Universidad Técnica de Dresde y el Ministerio de Economía de Sajonia anunciaron en agosto que los investigadores están trabajando en el desarrollo de un sensor bioelectrónico de detección rápida de los virus SARS-CoV2 en fase inicial.
Utilizando una nueva generación de diodos orgánicos emisores de luz (OLED), los investigadores del Instituto Fraunhofer de Dresde quieren combinar la electrónica orgánica y la tecnología de sensores orgánicos para crear módulos que reconozcan rápidamente la contaminación bacteriana en productos lácteos. En el marco del proyecto MOLOKO, financiado por la Comisión Europea, los investigadores del Fraunhofer FEP colaboran con otros socios en el desarrollo de un sensor optoplasmónico que permitirá analizar rápidamente in situ los parámetros de calidad y seguridad de los alimentos. El sistema de alerta temprana debería contribuir a reducir drásticamente en el futuro los costes, el tiempo y el desperdicio de productos, así como a optimizar la producción en la cadena de suministro. Fraunhofer ENAS desarrolló un chip microfluídico para el sistema completo, Fraunhofer FEP un fotodetector orgánico y un transistor orgánico emisor de luz (OLET) y el sensor, una rejilla plasmofotónica nanoestructurada, el CNR-ISMN italiano y Plasmore Srl. El Dr. Michael Törker explicó el principio: la rejilla recubierta de anticuerpo se irradia con luz generada por el transistor y el fotodetector mide el índice de refracción mínimamente alterado (resonancia de plasmón superficial) causado por las moléculas adheridas de la sustancia investigada. "La particularidad de nuestro chip es su reutilización: desprendemos las moléculas diana de los anticuerpos inmovilizados utilizando un tampón de regeneración para poder reutilizar estos últimos". Utilizando estaño transparente y conductor y óxido de aluminio y zinc, los investigadores del Fraunhofer FEP, junto con el Instituto DLR de Tecnología de Alta Frecuencia y el Fraunhofer ILT, integraron antenas de radar, sensores y electrónica adicional en el cristal de los faros de los coches. Esto permite integrar en el coche más sensores para la conducción automatizada de lo que era posible hasta ahora en la parrilla del radiador, lo que hace que el coche sea más autónomo.
En 2018, el Dr. Bernhard Siegmund fue galardonado con el Premio a la Innovación del Industrieclub Sachsen e. V. por los innovadores sensores de radiación infrarroja cercana (NIR) para la determinación sin contacto de composiciones químicas desarrollados como parte de su disertación en el Instituto de Física Aplicada de TU Dresden y construidos a partir de microsistemas orgánicos. La empresa Senorics GmbH es una spin-off de la Universidad Técnica de Dresde que desarrolla miniespectrómetros de electrónica orgánica para la industria alimentaria y la tecnología médica. Estos diminutos dispositivos irradian alimentos, bebidas o ropa con luz de la gama NIR y luego utilizan el espectro de los rayos reflejados para determinar la composición química de una camiseta, un tipo de cerveza o una manzana, por ejemplo. Hasta ahora, las mediciones NIR comparables sólo podían realizarse con espectrómetros caros, grandes y sensibles en el laboratorio, explica Hannah Szynal. En cambio, el sensor monolítico desarrollado tiene el tamaño aproximado de un sello de correos y es bastante robusto frente a influencias externas, ya que no necesita piezas móviles. La tecnología puede miniaturizarse hasta tal punto que puede integrarse en smartphones. La empresa fue galardonada con el Premio a la Innovación 2019 por un sensor utilizado en la elaboración de cerveza. Este septiembre, se anunció que Senorics había firmado un contrato con el gran grupo chino de electrodomésticos Haier Cosmoplat para equipar lavadoras y frigoríficos con sus miniespectrómetros infrarrojos orgánicos. La empresa quiere averiguar qué electrodomésticos son adecuados para estos chips de análisis a distancia y lanzar después la tecnología al mercado en China y Europa. Se sabe que los consumidores chinos prueban y adoptan muy rápidamente las últimas tecnologías si reconocen un valor añadido para su vida cotidiana.
Debido a la fuerte demanda internacional de sus cámaras térmicas de precisión, sensores infrarrojos para análisis de gases y otros sistemas de detección, InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik de Dresde vuelve a invertir, tras ampliar su fábrica de optoelectrónica. Está prevista otra inversión de un millón de euros en la producción de sensores para aumentar un tercio la capacidad de producción. La empresa también utiliza los sensores infrarrojos especialmente precisos desarrollados y producidos en sus salas blancas para fabricar cámaras de alta tecnología que se emplean en drones o como dispositivos de medición de la fiebre corona, para supervisar sistemas térmicos solares y reactores de prueba de fusión nuclear, como dispositivos de visión nocturna o para dispositivos de termografía que registran las pérdidas de energía de calefacción en edificios.
Infratec GmbH Dresden
Un equipo dirigido por el Dr. Richard Gloaguen y el Dr. Axel Renno está desarrollando una nueva máquina de análisis de residuos para reducir las montañas mundiales de residuos electrónicos, según ha anunciado el Instituto Helmholtz de Tecnología de Recursos de Freiberg. Mediante sistemas de cámaras multisensor adaptables, inteligencia artificial y numerosos sensores, la máquina es capaz de reconocer metales, plásticos, cerámicas y materiales compuestos en los flujos de residuos para que otras máquinas puedan después desmontar automáticamente esta avalancha de desechos. Ya se han logrado los primeros éxitos en el laboratorio y a mediados de 2021 se construirá una planta de demostración para realizar pruebas prácticas.
Prof. Gerhard Fettweis TU Dresden
Hace tiempo que se investiga la posible construcción de sensores basados en nanotubos y nanocables. Para los análisis de gases, se utiliza el cambio de conductividad en las nanopartículas. Para los análisis de líquidos, la superficie de la puerta de los FET de CNT se recubre con una capa semipermeable que sólo es permeable a iones de un tipo muy específico. Cuando el FET se sumerge en la solución, estos iones migran a través de la puerta y desplazan su potencial eléctrico. También se está investigando el análisis de sustancias biológicas. También se está investigando en lab-on-chips, que permiten medir muchos parámetros en paralelo. Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe han desarrollado un sensor de olores de bajo coste basado en nanocables. Esta micronasa de Karlsruhe (Kamina) está pensada para ser de uso cotidiano y olfatear peligros potenciales como cables humeantes o comida en mal estado antes que un ser humano. Consiste en un chip sensor en el que se fijan nanocables de dióxido de estaño a muchos sensores individuales. El chip calcula patrones de señal específicos mediante el cambio de resistencia en los sensores individuales, que a su vez depende de las moléculas del aire ambiente. Las resistencias son características y reconocibles. Si el patrón se ha memorizado previamente en el chip, el sensor de olores puede reconocerlo en cuestión de segundos. ¿Podría entonces oler también las enfermedades Covid-19?
Respuesta táctil como los humanos y los animales
El procesamiento más rápido de los datos y su transmisión a humanos y máquinas a la velocidad del rayo son esenciales para una tecnología de sensores tan avanzada. La empresa berlinesa Hyperspecs forma parte de la primera promoción de un nuevo programa de incubación de Samsung en Dresde. Su fundador, Diwaker Jha, y sus colegas están desarrollando una especie de red de ojos que todo lo ven para anticipar accidentes en plantas industriales y avisar a los trabajadores de gases tóxicos en tuberías con fugas o peligros de tropiezos. Para ello, Hyperspecs combina un gran número de cámaras digitales con inteligencia artificial y conecta todo ello en red utilizando el nuevo estándar de comunicaciones móviles de 5ª generación, ya que éste puede reaccionar muy rápidamente (táctilmente) a las entradas de los sensores y además es capaz de gestionar numerosos dispositivos en paralelo. En el sistema de incubadora, Hyperspecs también recibe apoyo tecnológico para su concepto 5G del 5G-Lab Germany de TU Dresden, una de las principales instituciones alemanas de investigación sobre nuevas generaciones de comunicaciones móviles.
La tecnología de enseñanza de Wandelbots también permite a personas no expertas enseñar a un robot y colaborar con sus colegas humanos. Demostrado en el 13º Silicon Saxony Day 2018 (PLUS 7/2018) por Christian Piechnick y Jan Falkenberg (aquí todavía con la funda del sensor, un dispositivo de mano similar a un bolígrafo 'Trace-Pen' está en el mercado desde octubre).
En la feria digital Fraunhofer 'Fraunhofer Solution Days' a finales de octubre, Fraunhofer IPMS estuvo representado por el Fraunhofer Project Centre for Microelectronic and Optical Systems for Biomedicine y el Research Fab Microelectronics Germany con los temas de atención médica y movilidad. El IPMS presentó tecnologías relacionadas con productos para nodos sensores en el rango de LF a UHF con circuitos RFID para la integración sencilla de diversos sensores analógicos y digitales, así como la aplicación del actuador inchworm NED para microscopía móvil o el análisis de gases respiratorios mediante espectrometría de movilidad iónica. Este último y un análisis espirométrico del aliento basado en ultrasonidos utilizando un sistema de ultrasonidos basado en MEMS se están desarrollando como parte del proyecto M3 Infect. Este proyecto Fraunhofer está creando un sistema modular para el registro móvil de bioseñales relevantes de pacientes que no han recibido cuidados intensivos previamente con el fin de reconocer exacerbaciones agudas de la enfermedad.
Los investigadores de TU Dresden han desarrollado moduladores innovadores para 5G que reaccionan diez veces más rápido que los dispositivos más modernos hasta la fecha. "Hemos construido un módem 5G que reduce la latencia a un milisegundo", afirma el profesor Gerhard Fettweis, de la Cátedra Vodafone de Sistemas de Comunicación Móvil y uno de los coordinadores del laboratorio interdisciplinar 5G Lab Germany de la TU Dresde. El plan es fundar una empresa que lleve esta tecnología innovadora a la madurez de mercado y la comercialice. Junto con socios prácticos, investigadores de TU Dresden y Fraunhofer están estableciendo campos de prueba en Lusatia, donde se ensayará la agricultura altamente automatizada y en red 5G en la práctica agrícola. Al mismo tiempo, esta empresa va a seguir desarrollando los módems 5G ultrarrápidos. La nueva tecnología de un milisegundo permite una comunicación ultrarrápida y de baja latencia (URLLC) y está destinada a ampliar el estándar 5G a partir de 2022 como etapa intermedia hacia las comunicaciones móviles 6G, en las que se está trabajando en todo el mundo, también en Dresde. El "Centro de Excelencia para Internet Táctil" de la TU Dresde ha escindido la empresa "Campus Genius", que ahora desarrolla, vende y da soporte a núcleos de red de campus y contenedores para la Industria 4.0. Originalmente diseñadas para fines de demostración, sus estaciones móviles de transmisión 5G pueden transportarse a cualquier lugar utilizando un remolque especial para automóviles, donde pueden utilizarse para probar las últimas soluciones de automatización y robótica durante períodos más largos. En una panadería de Görlitz, que no podía encontrar aprendices para hornear panecillos a primera hora de la mañana, se instaló una red 5G móvil de este tipo y se formó a robots como panaderos de panecillos utilizando la tecnología de formación de Wandelbots GmbH. Si es necesario, también pueden trabajar codo con codo con compañeros humanos. "Un robot como este puede colocar de 2.000 a 3.000 piezas de masa en las bandejas por turno y nunca llega tarde al trabajo ni desaparece para fumar".
La empresa Metirionic GmbH (cofundadora, Prof. Bernd Junghans), con sede en Dresde, desarrolla una sofisticada tecnología de posicionamiento. El software mide la distancia y el ángulo entre dos o más chips que transmiten según el estándar Zigbee o Bluetooth. Esto permite una localización muy precisa. A diferencia de otras tecnologías como el GPS, la tecnología funciona también en el interior de edificios y a través de muchos muros con una precisión de 20 a 50 cm y grandes alcances de hasta 100 metros (hasta 5 km en terreno abierto). La atención se centra en la transferencia a la próxima generación Bluetooth (integración en smartphones) u otros estándares de radio (UWB). Se está estudiando la posibilidad de transformar la GmbH en un AG.
Pensar como un ser humano
Científicos de la Universidad Técnica de Dresde y del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR) han conseguido imitar por primera vez el funcionamiento de las neuronas del cerebro utilizando materiales semiconductores. Han publicado los resultados de su investigación en la revista Nature Electronics. Uno de los enfoques sigue el modelo del cerebro y combina el procesamiento de datos con su almacenamiento en una neurona artificial. El profesor Gianaurelio Cuniberti (catedrático de Ciencia de Materiales y Nanotecnología de la Universidad Técnica de Dresde), su colega de Dresde, el profesor Ronald Tetzlaff (Fundamentos de Ingeniería Eléctrica) y el profesor Leon Chua de la Universidad de California, que ya habían postulado componentes similares a principios de los años 70, son considerados los padres intelectuales del neurotransistor. El Prof. Cuniberti y su equipo se centran menos en los problemas convencionales, ya que los ordenadores basados en sus procesadores de chip son menos precisos y prefieren hacer estimaciones que cálculos matemáticos, pero son más inteligentes. Gracias a su denominada plasticidad, similar a la del cerebro humano, estos ordenadores "neuromórficos" construidos a partir de diminutos transistores de nanocables pueden adaptarse a tareas cambiantes durante su funcionamiento y también resolver problemas para los que no estaban programados originalmente, según ha demostrado el equipo. Los ordenadores neuromórficos son necesarios, por ejemplo, para la inteligencia artificial, en los coches autoconducidos, en el reconocimiento de imágenes y para otras tareas de análisis para las que los ordenadores convencionales consumen demasiado tiempo y energía.
Demostrador de contenedores de campus 5Gen la Cumbre 5G de octubre de 2019
Uno de los temas de investigación del HZDR es la tecnología cuántica. La computación y la comunicación cuánticas se consideran tecnologías clave importantes para las próximas décadas. Esto se debe a que los ordenadores basados en la mecánica cuántica pueden resolver muchos cifrados que antes se consideraban irresolubles. La comunicación cuántica se considera a prueba de escuchas porque entrelaza fotones a través de distancias de tal forma que el emisor y el receptor pueden ver inmediatamente si un espía está pirateando la línea. Para ello, los físicos han construido un nuevo tipo de fuente de partículas de luz (fotones) dosificadas con precisión. Aunque ya existen fuentes de fotones para la comunicación cuántica, suelen estar hechas de costosos diamantes y tienen dificultades para utilizar las redes normales de fibra óptica. En cambio, los cuantos de luz infrarroja también viajan a través de las fibras de vidrio convencionales. Y las fuentes para ello se crean utilizando métodos y materiales probados de la microelectrónica. Al bombardear silicio con átomos de carbono, se crearon centros G: dos átomos de carbono vecinos que forman una especie de átomo artificial junto con un átomo de silicio. Bajo bombardeo láser, estos centros emiten corrientes de partículas de luz con una longitud de onda adecuada para las fibras de vidrio. Hasta ahora, sin embargo, el sistema sólo funciona a temperaturas extremadamente bajas.
Neurotransistor: del chip de silicio a la arquitectura neuromórfica (fuente HZDR)
En el EAS Fraunhofer de Dresde se ha creado un centro de investigación sobre comunicación cuántica con financiación del gobierno estatal para desarrollar dispositivos capaces de esta tecnología y trasladar los resultados de la investigación básica a aplicaciones prácticas. Para ello se está creando una pista de pruebas local. "Sajonia puede beneficiarse considerablemente como emplazamiento empresarial y de investigación en microelectrónica", subraya el jefe de la Cancillería del Estado, Oliver Schenk. "Hay grandes oportunidades, sobre todo en el desarrollo de los componentes electrónicos necesarios". Una nueva exposición y un portal experimental sobre tecnología cuántica en el "Technische Sammlungen Dresden" ofrecerán a los visitantes una impresión de los destacados proyectos de investigación de las instituciones de investigación universitarias y no universitarias de la ciudad, afirmó el director del museo, Roland Schwarz.
Para conectar células y nervios del cerebro humano con un ordenador, un equipo internacional de neurocientíficos de las universidades de Sheffield, San Petersburgo y Dresde ha aprovechado las posibilidades de la impresión 3D para acercar un paso más a la realidad la tecnología de producción de implantes neuronales. La tecnología de prueba de concepto ha demostrado en el estudio que también se adapta bien a la superficie del cerebro, la médula espinal, los nervios periféricos y los músculos, abriendo así nuevas posibilidades para las enfermedades neurológicas. Estos implantes de sensores orgánicos podrían utilizarse para avisar a los epilépticos de ataques inminentes.
Implante nervioso en tecnología orgánica de ensamblaje y conexión (fuente TU Dresden)
Sobre la persona
El Dr. Rolf Biedorf escribe para Leuze Verlag desde 1994 y lleva 10 años informando sobre la actualidad de la microelectrónica sajona en PLUS. Tras estudiar química, trabajó en la industria electrónica y, sobre todo, en la TU Dresden en investigación y docencia en los campos de las tecnologías de capas y envasado en electrónica.
Dr Rolf Biedorf
Fuente:
Comunicaciones de los institutos de investigación
Portal de noticias Oiger, computer-oiger.de
