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Crean un chip con plenas capacidades biológicas

"Integra los componentes de evolución, desarrollo y aprendizaje presentes
en los sistemas vivos".

Científicos europeos han conseguido un chip a partir del cual se puede construir
un tejido electrónico del tamaño necesario para resolver una aplicación
específica. El chip es un substrato electrónico multicelular con capacidades
inspiradas en las propiedades de evolución, desarrollo y aprendizaje presentes
en sistemas biológicos. Se ha probado con éxito en navegación autónoma de
robots, en emulación de modelos de redes neuronales bio-inspirados de gran
escala, en síntesis de voz artificial utilizando métodos evolutivos y en
una instalación artística multisensorial, denominada POETIC-Cubes. Por J.
Manuel Moreno Arostegui.

La imitación o la emulación de ciertas características presentes en los
seres vivos que podemos observar en la Tierra ha constituido una meta recurrente
en la historia de la ciencia y la tecnología humanas.

Desde los prototipos de máquinas voladoras de Leonardo da Vinci datadas
a finales del siglo XV, pasando por la teoría de autómatas auto-replicantes
de John von Neumann de mediados del siglo XX, hasta llegar a los recientes
proyectos de la NASA para construir aviones de estado sólido sin partes
móviles, un gran número de científicos e ingenieros han centrado sus
investigaciones
en analizar e intentar replicar de forma artificial algunas de las propiedades
básicas apreciables en entidades biológicas.

La motivación fundamental que subyace en estos intentos de crear artefactos
con capacidades similares a las de los seres vivos radica en que estos disponen
de mecanismos que, una vez trasladados a sistemas artificiales, permiten
resolver problemas complejos que abarcan desde la navegación autónoma en
robots hasta el encaminamiento de información en redes telemáticas.

Tres ejes vitales

De forma genérica se puede considerar que la organización de los seres vivos
en la Tierra se estructura alrededor de tres ejes fundamentales:

1. La filogénesis o evolución, que engloba todos aquellos mecanismos que,
dirigidos por la selección natural, han dado lugar a la gran variedad de
especies que se pueden observar actualmente. Los mecanismos evolutivos operan
a nivel de poblaciones, y su resultado principal es la obtención de un código
genético que permita a los individuos de una población concreta adaptarse
de forma óptima al entorno en el cual llevan a cabo sus funciones.

2. La ontogénesis, que involucra a todos los mecanismos responsables del
desarrollo de un individuo a partir de la información contenida en su código
genético sin mediar influencia del entorno. La división y diferenciación
celulares constituyen el núcleo básico de los mecanismos ontogenéticos.
Consecuencia directa de estos mecanismos son ciertas propiedades de vital
importancia para los seres vivos, como la auto-replicación o la auto-reparación
(que habitualmente es posible apreciar en forma de cicatrización).

3. La epigénesis o aprendizaje, en la cual se incluyen los mecanismos que
permiten a un determinado individuo modificar ciertos aspectos de su estructura
interna o externa como resultado de la interacción con su entorno inmediato.
La epigénesis representa por tanto el proceso de ?sintonización? final mediante
el cual cada individuo se adapta de forma eficiente a su entorno a partir
de las capacidades contenidas en su código genético. Los ejemplos más evidentes
de sistemas con capacidad de aprendizaje los constituyen el sistema nervioso
central o el sistema inmunitario. En el caso del sistema nervioso central
esta capacidad de aprendizaje resulta de capital importancia, pues el número
estimado de conexiones sinápticas en un cerebro humano supera con creces
el número de nucleótidos contenidos en el genoma humano.

Imitación electrónica integrada

Los mecanismos asociados a estos tres grandes ejes se han intentado realizar
de forma separada en el pasado en forma de sistemas electrónicos. Sin embargo,
la primera aproximación realista para tratar de integrar las características
propias de los tres ejes en un dispositivo electrónico es la adoptada en
el proyecto POEtic (donde las siglas POE provienen de las iniciales de las
palabras que en inglés se utilizan para filogénesis ? Phylogenesis -,
ontogénesis
? Ontogenesis ? y epigénesis ? Epigenesis).

Se trata de un proyecto europeo (IST-2000-28027) coordinado por la Universidad
Politécnica de Cataluña y en el que participan la Universidad de York (Reino
Unido), La Universidad de Glasgow (Reino Unido), la Universidad de Lausanne
(Suiza) y la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (Suiza).

El objetivo fundamental del proyecto POEtic consiste en el desarrollo de
un substrato electrónico multicelular con capacidades inspiradas en las
propiedades de evolución, desarrollo y aprendizaje presentes en sistemas
biológicos.

El resultado principal del proyecto ha consistido en el desarrollo del chip
POETIC, un dispositivo electrónico a partir del cual se puede construir
un tejido electrónico del tamaño necesario para resolver una aplicación
específica. La organización de los dispositivos POETIC se estructura alrededor
de tres subsistemas principales: el subsistema de entorno, el subsistema
orgánico y la interfaz de sistema.

Tres subsistemas

El subsistema de entorno es el encargado de gestionar la interacción (recepción
de señales eléctricas procedentes de sensores y generación de señales eléctricas
de salida que controlan actuadores) del dispositivo con el entorno inmediato
en el que lleva a cabo su función.

Este subsistema se encarga también de realizar los mecanismos evolutivos
incluidos en el dispositivo. El núcleo básico del subsistema de entorno
lo constituye un microprocesador RISC de 32 bits desarrollado específicamente
para el proyecto, el cual lleva asociados una serie de periféricos de
comunicación.


El subsistema orgánico constituye el substrato básico funcional del dispositivo,
ya que se encarga de realizar físicamente los mecanismos ontogenéticos y
epigenéticos. Este subsistema está organizado físicamente como una matriz
bidimensional de elementos programables, a los que se denomina moléculas.
Las moléculas se pueden configurar para realizar funciones digitales básicas,
de forma que combinando moléculas es posible construir células con una
funcionalidad
tan compleja como se desee.


Conexión celular automática

Aunque la estructura funcional básica de estas moléculas es similar a la
que se puede encontrar en dispositivos programables comerciales (FPGAs ?
Field Programmable Gate Arrays), sin embargo incluyen una característica
que hasta ahora no ha estado presente en ningún dispositivo electrónico
programable, como es la posibilidad de llevar a cabo una conexión automática
entre células.

En un dispositivo programable convencional, la disposición y conexionado
de los elementos funcionales básicos que constituyen el sistema se determina
mediante algoritmos de emplazamiento (placement) y conexionado (routing)
de elevada carga computacional y que deben ejecutarse fuera del dispositivo
(habitualmente en un ordenador o estación de trabajo).

Esto implica que los dispositivos basados en estas arquitecturas convencionales
no son capaces de modificar de forma autónoma su funcionalidad
(inclusión/adición
de un nuevo elemento funcional o reconexión de los ya existentes), y que
a menudo sea necesario incluso parar la operación normal del dispositivo
cuando esta funcionalidad es modificada.

Alto grado de plasticidad

En los dispositivos POETIC existe un plano de conexionado superpuesto al
plano de funcionalidad física de las moléculas. Este plano de conexionado,
constituido por unidades hardware específicas, permite llevar a cabo la
conexión automática de células (conjuntos de moléculas) sin necesidad de
intervención externa alguna.

Estas características de conexionado automático realizadas directamente
en hardware permiten dotar al sistema implementado con los dispositivos
POETIC de un alto grado de plasticidad (se puede añadir o modificar la
funcionalidad
existente mientras el sistema está en modo de operación normal), así como
incrementar sus características de fiabilidad (cuando se detecta que una
célula es defectuosa se puede replicar su funcionalidad en un lugar diferente
de la matriz, efectuándose a continuación su conexión de forma automática).


Otra propiedad importante de las moléculas que constituyen el subsistema
orgánico del dispositivo POETIC radica en la posibilidad de modificar de
forma autónoma su configuración, de forma similar a la que está disponible
en los dispositivos Cell Matrix. Esto permite facilitar la implementación
de mecanismos evolutivos o de aprendizaje.

Interfaz de entorno y orgánico

Finalmente, la interfaz de sistema permite una comunicación eficiente entre
los sistemas de entorno y orgánico. Además, este subsistema se encarga de
facilitar las propiedades de escalabilidad del tejido electrónico, de forma
que sea posible utilizar tantos dispositivos POETIC como sea necesario para
resolver un problema específico. Para ello todos los dispositivos se comunican
utilizando un bus de sistema eficiente, derivado de la especificación AMBA
de ARM Ltd.

Además, cada dispositivo dispone de lo que se denomina unidad de configuración,
que se encarga de asignar a cada dispositivo unas coordenadas en función
de la posición que ocupe en la matriz. Esta asignación se realiza de forma
automática mediante un proceso de propagación de coordenadas que comienza
en un dispositivo maestro y que a partir de él progresa de forma bidimensional
por la matriz de dispositivos hasta que todos están configurados.

Una vez completado el proceso de asignación de coordenadas el dispositivo
maestro puede acceder al subsistema orgánico situado en cualquier otro
dispositivo,
de forma que el tamaño real de este subsistema se puede dimensionar de acuerdo
con las especificaciones del problema a tratar.

Cuádruple verificación

Para validar las características incluidas en los dispositivos POETIC se
han utilizado cuatro aplicaciones de prueba:

1. Navegación autónoma de robots unida al reconocimiento de estímulos dinámicos.
Tanto el controlador de navegación del robot como la unidad de reconocimiento
de estímulos dinámicos se generan automáticamente utilizando algoritmos
evolutivos basados en principios morfogenéticos.

2. Emulación de modelos de redes neuronales bio-inspirados de gran escala.
El objetivo de esta aplicación consiste en utilizar la plataforma proporcionada
por los dispositivos POETIC como acelerador hardware para analizar en tiempo
real la dinámica de modelos de redes neuronales que se han desarrollado
también como parte del proyecto.

3. Síntesis de voz artificial utilizando métodos evolutivos. El método de
síntesis utilizado está basado en redes de guías de ondas (Waveguide Meshes).


4. Una instalación artística multisensorial, denominada POETIC-Cubes,
constituida
por nueve robots autónomos que interactúan con el usuario o con el grupo
de usuarios presentes en un momento dado. Con esta instalación se pretende
potenciar la percepción que una persona tiene de su cuerpo y de las acciones
que lleva a cabo con él.

Plataforma eficiente

En general, los mecanismos integrados en los dispositivos POETIC hacen de
ellos una plataforma eficiente para la implementación de sistemas cuyos
requisitos sean:

A. La autonomía, factor especialmente importante en el caso de sistemas
que tienen que llevar a cabo su función en entornos remotos y/o hostiles.


B. La adaptabilidad, requisito muy importante cuando el sistema que se trata
de diseñar debe interactuar con un entorno desconocido o difícil de
caracterizar,
como sucede por ejemplo en el caso de misiones espaciales. Se pueden encontrar
ejemplos de la utilización de métodos evolutivos en aplicaciones espaciales
en el grupo de sistemas evolutivos del centro de investigación Ames de la
NASA o en el laboratorio de hardware evolutivo del Jet Propulsion Laboratory,
también de la Nasa. Esta capacidad también es muy importante para desarrollar
sistemas que permitan construir interfaces de interacción con capacidad
de tener en cuenta las características específicas de un usuario. Un claro
ejemplo de este tipo de aplicaciones es la prótesis de mano con controlador
evolutivo desarrollada en el grupo de sistemas hardware evolutivos del Instituto
nacional de ciencia y tecnología industriales avanzadas de Japón.

C. La fiabilidad, característica primordial de sistemas que deben realizar
tareas críticas o que tienen que desarrollar su función en entornos ruidosos
o susceptibles de provocar fallos sobre el sistema.



Autor: J. Manuel Moreno Arostegui es Profesor Asociado de la Universidad
Politécnica de Catalunya, Departamento de Ingeniería Electrónica (Advanced
Hardware Architectures Group).

Fuente: Megatendencias - 17/01/2005



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