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| Figura 1 AIBO |
Desde hace mucho tiempo el hombre ha imitado a la naturaleza para desarrollar sistemas electrónicos que realicen tareas que se encuentran más allá de sus alcances; en particular se han imitado los sentidos de los seres humanos y de algunos animales, de tal manera que han desarrollado poderosos “ojos” que pueden explorar tanto el macrocosmos como el microcosmos y con los cuales podemos registrar imágenes como es el caso de la cámara de video, un “ojo electrónico”. Se han desarrollado “oídos electrónicos” que pueden detectar sonidos ininteligibles para el oído humano. Se han desarrollado sistemas que son extremadamente sensibles al tacto. En fin, existe un sinnúmero de sistemas que nos permiten detectar diferentes variables. Y la parte medular de estos sistemas son los sensores. Por lo tanto, actualmente se tienen muchos sistemas que combinan sensores con muchos avances tecnológicos. Uno de ellos es el AIBO (Figura 1), un robot-mascota fabricado por la compañía Sony y que tiene muchas funciones, ya que puede reconocer la imagen o la voz de su amo utilizando una cámara (localizada en su nariz) y un par de micrófonos (localizados en sus orejas) y que además puede reaccionar al tacto. De la misma manera podemos encontrar otros robots humanoides, tales como el NAO y el ENON. Sin embargo, ninguno de los sistemas anteriormente mencionados tiene una “nariz electrónica”, siendo que para el caso del perro esa sería una de sus mejores características, ya que dichos animales se caracterizan precisamente por sus excelentes olfatos. La nariz electrónica no solamente se requiere para esto: existen muchas aplicaciones en donde es necesario este tipo de sistemas. Por ejemplo, la evaluación de muchos productos alimenticios y cosméticos se realiza desde hace mucho tiempo por un panel de humanos (Figura 2): personas que han sido entrenadas especialmente y cuyo entrenamiento toma mucho tiempo y es muy caro.
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| Figura 2
Evaluación de productos por un panel de humanos |
De la misma manera, se han utilizado perros para detectar drogas o explosivos, pero al igual que los humanos, su entrenamiento es muy caro y no pueden trabajar por lapsos prolongados de tiempo, ya que el olfato de los mamíferos se satura, razón por la cual requieren descanso. Además, si se trata de sustancias tóxicas, o en lugares de difícil acceso, no es posible usar animales o humanos. Por lo anterior se requiere del desarrollo de sistemas electrónicos capaces de imitar el olfato biológico. Sin embargo, a pesar de la necesidad, el desarrollo de estos sistemas está bastante atrasado. Una de las razones es la complejidad del sentido del olfato comparado con los demás sentidos. Para imitar el ojo, se requiere solamente de tres tipos de sensores para detectar los tres colores primarios y, al igual que en la retina del ojo, solamente se cubre una superficie con estos sensores como es el caso de una cámara CCD. Para el oído se utiliza una membrana, la cual imita el funcionamiento del tímpano, que reacciona a las vibraciones de las ondas sonoras, como es el caso del micrófono. Y por medio de dispositivos electrónicos se puede tener un sistema que reacciona al tacto de manera bastante simple, como es el caso de una pantalla táctil (touch screen). Sin embargo, la nariz biológica consta de una membrana llamada epitelio en donde se encuentran cerca de 900 tipos de células receptoras diferentes que se combinan en millones de sensores, haciendo casi imposible imitar su funcionamiento con un sistema electrónico. A pesar de esa complejidad, es posible desarrollar sistemas que realicen la tarea de olfatear, aunque con ciertas limitaciones. Para describir cómo se estructuran estos sistemas se requiere describir primero la estructura de la nariz biológica (Figura 3).
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Figura 3. Nariz biológica. Imagen tomada de http://cuadernosdebitacora.com/esquizofreniaolfatoysapiensconnerandertal |
Las moléculas de gas entran a través de las fosas nasales hasta alcanzar el epitelio, en donde interactúan con las células receptoras o sensoriales. El resultado es una reacción electroquímica que se propaga por medio de las neuronas hacia el bulbo olfativo, de donde la información es transportada hacia el cerebro por medio del nervio olfativo.
En la corteza cerebral se realiza el reconocimiento del estímulo por medio de patrones formados previamente con estímulos aprendidos. Es decir, no podríamos reconocer el olor de un plátano si previamente no hemos aprendido este olor. Por lo tanto, la estructura básica de la nariz se compone de tres partes principales: Las células sensoriales, las neuronas y el cerebro. Por lo anterior, si se requiere desarrollar un sistema electrónico, se necesitan sensores de gas para realizar la tarea de las células sensoriales y se necesita la circuitería adecuada para procesar y transportar la información hacia una computadora, la cual realiza la función del cerebro (Figura 4). En el Laboratorio de Electrónica y Optoelectrónica (LEyO) de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticos de la BUAP se realizan actividades encaminadas al desarrollo de una nariz electrónica. Para esto se requiere desarrollar de manera paralela diversas líneas de investigación como son: sensores de gas, la circuitería para procesar las señales y el software para realizar el reconocimiento de diferentes sustancias. Los sensores que se trabajan en el LEyO se construyen utilizando diferentes principios, algunos son de cristales de cuarzo (Figura 5), los cuales operan bajo el principio de que cuando las moléculas de gas interactúan con una película sensible depositada sobre sus electrodos, se provoca un corrimiento en la frecuencia de resonancia del cristal, el cual es proporcional a la cantidad de moléculas del gas presentes en el ambiente. Dicho corrimiento de frecuencia es medido y almacenado en una computadora para su posterior análisis.
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Figura 4. Nariz electrónica |
También se investigan diferentes tipos de sensores, algunos basados en fibras ópticas o en fenómenos optoelectrónicos, y también se están utilizando sensores comerciales de la serie TGS de Figaro, una compañía japonesa. El procesamiento de las señales se realiza utilizando circuitos analógicos y digitales, muchos de ellos diseñados en el LEyO, los cuales están basados en microcontroladores PIC o en FPGA, con los cuales se alcanza una calidad electrónica de tecnología actual. Para analizar y realizar el reconocimiento de las señales provenientes de los sensores se utilizan computadoras personales por medio de programas comerciales tales como Matlab y LabView.
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Figura 5. Sensor de gas de cristal de cuarzo |
Recientemente se ha iniciado la aplicación adaptando a un carrito un arreglo de sensores para realizar la localización de fuentes de olor, con lo que iniciamos la etapa de ponerles olfato a los perros robot.
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