jueves, 3 de octubre de 2013

Olfato artificial

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Agosto 10 de 2009

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 conectan a las personas con el mundo exterior, y a través de las cuales se percibe importante información sobre todo cuanto rodea a las personas, permiten ejercer capacidades de selección autónomas 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. De los cinco sentidos de las personas, la vista, el oído y el olfato, trabajando por separado o en combinación constituyen literalmente la única conexión de los seres humanos 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. 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. De este modo, 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 agrupe a profesionales químicos, físicos, informáticos, electrónicos, microelectrónicos y a otros de áreas de la ingeniería, como la biomédica o la neuromórfica, aspirando a conseguir auténticos sistemas electrónicos dotados de sentidos artificiales que permitan facilitar un sinfín de tareas y resolver problemas hasta ahora no resueltos.

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, la capacidad para distinguir olores es muy elevada siendo, además, sujeta a un proceso de 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 está 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.

Los orígenes de la nariz electrónica se remontan a los años 1960, cuando la compañía Bacharac Inc., construyó un dispositivo conocido con el nombre de Sniffer, el cual constaba de un solo sensor de gas y por lo tanto, no se consideró como una nariz electrónica propiamente dicha. En la década de los años 1980, surgen dos grupos de investigadores, en la Universidad de Warwick en Gran Bretaña y en el Laboratorio Nacional Argonne de los Estados Unidos. Krishna Persaud y George Dodd, realizaron la primera publicación relacionada con las narices electrónicas el año 1982, orientaron sus estudios en entender los procesos del olfato biológico, utilizando un conjunto de sensores semiconductores de óxidos metálicos, y luego ampliaron su investigación a sensores basados en polímeros conductores, mientras que, el otro grupo propuso un aparato para detectar, identificar y medir una amplia variedad de productos químicos y mezclas transportadas por ferrocarriles, barcos y camiones. Posteriormente en Japón se comenzó a investigar la frescura de los pescados utilizando matrices de sensores semiconductores de óxido metálico. Por lo tanto, en los tres continentes se inició el desarrollo de la tecnología de matrices de sensores olfativos aproximadamente en los años 1980. Es precisamente en esta época cuando el concepto de nariz electrónica como sistema inteligente aparece realmente. Una de sus primeras y más populares definiciones es la que establecen Gardner y Barlett el año 1999: “Instrumento que comprende una agrupación de sensores químicos con sensibilidades parcialmente solapadas junto a un sistema de reconocimiento de patrones, capaz de analizar y reconocer aromas simples o complejos”.

La idea misma de nariz electrónica se base en intentar imitar el sentido de olfato de los humanos, usando una matriz de sensores de gases que simula los receptores en la nariz y unos algoritmos de procesamiento de señales que intentan simular el funcionamiento del cerebro en la tarea de reconocer y cuantificar olores. De todos modos, hay que reconocer que hoy en día la realidad de narices electrónicas se aleja bastante del sistema biológico del olfato, uno de los sistemas más complejos del organismo humano. El sentido del olfato es uno de los más antiguos y primitivos de los sentidos, pero nadie sabe todavía con exactitud cómo funciona. Lo que sí se sabe, es que en seres humanos el sistema olfativo es controlado por cerca de cuatrocientos genes, y en perros con cerca de mil genes, lo que es testamento de su complejidad. Hasta ahora, la barrera principal para estudiar el sentido del olfato es la capacidad de crear suficientes receptores artificiales, y poder purificarlos para asegurarse de su homogeneidad, pero ahora, gracias al avance realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, este paso ahora es posible lo que abre las puertas a un torrente de investigaciones que sin duda traerán narices artificiales de un nivel inimaginable.

Una “nariz electrónica” es un instrumento que puede oler, es decir, es capaz de realizar análisis cualitativos o cuantitativos de una mezcla de gases, vapores y olores. La nariz electrónica es un instrumento de olfato artificial que permite distinguir y reconocer aromas utilizando sensores de gas. Un dispositivo de este tipo tiene al menos cuatro partes con diferentes funciones: la primera realiza la adecuación de la mezcla gaseosa y el muestreo, el conjunto de sensores de gas hace la detección, la electrónica de control se dedica a la gestión del conjunto de sensores y adecuación de la señal, y finalmente, la computadora, con adecuados algoritmos de clasificación de patrones, extrae los rasgos característicos o “huellas” de cada aroma y presenta los resultados en la interfaz con el usuario.

En la práctica, el proceso de identificación de olores comprende tres estados durante el muestreo del olor: el primero es de limpieza de la cámara de medición y sensores mediante enjuagues realizados con “aire limpio” para barrer las moléculas de mediciones anteriores, el segundo es la toma de la muestra, en la que se reciben en la cámara cantidades controladas de “aire con olor” exponiendo a los sensores al mismo, y finalmente, un segundo enjuague de la cámara y sensores con “aire limpio” previo a la próxima toma de muestras. Es necesaria la estabilización térmica de la muestra y de la cámara en todas estas etapas. Del mismo modo, debido a que la humedad afecta tanto la medición como la muestra misma, sólo se deben comparar resultados tomados en condiciones de humedad y temperatura normalizadas.

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 la computadora conectada 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 bastante similares a las narices electrónicas, es decir, haciendo uso de los mismos elementos: sensores, análisis de datos, etc. con la salvedad de que la computadora deberá ir provista de una paleta de esencias para identificar el olor emitido.

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