Más allá del cerebro humano: El nacimiento de una nueva inteligencia

El desarrollo de un cerebro artificial representa uno de los desafíos más ambiciosos de la convergencia entre nanotecnología, nanoelectrónica, inteligencia artificial y ciencia cognitiva. Sin embargo, el verdadero objetivo no debería ser intentar reproducir electrónicamente el cerebro humano. La transformación más profunda podría producirse cuando estas tecnologías permitan construir una forma de inteligencia cuya arquitectura, memoria, percepción, aprendizaje y representación de la realidad sean diferentes de las nuestras y, en determinadas capacidades, potencialmente superiores.

El cerebro humano debe ser entendido como una referencia y no necesariamente como el modelo definitivo de inteligencia. La evolución biológica construyó nuestra arquitectura cognitiva bajo determinadas condiciones, restricciones energéticas y necesidades de supervivencia. No existe una razón fundamental para pensar que esas mismas restricciones deban gobernar una inteligencia artificial. Una inteligencia construida sobre otros principios físicos podría procesar información, memorizar, percibir y aprender de maneras que no tengan equivalencia biológica.

Aquí adquiere importancia la arquitectura nanoelectrónica neuromórfica. Su objetivo no consiste simplemente en fabricar componentes cada vez más pequeños, sino en integrar físicamente funciones que en las computadoras convencionales permanecen separadas: percepción, procesamiento, memoria, aprendizaje, comunicación y adaptación. En una arquitectura de este tipo, la información podría ser procesada allí donde se genera y donde se almacena, reduciendo el movimiento de datos y permitiendo sistemas mucho más distribuidos, paralelos y eficientes. 

La figura representa conceptualmente una arquitectura de inteligencia nanoelectrónica neuromórfica, en la que percepción, procesamiento, memoria, aprendizaje, adaptación, comunicación y acción se integran en una estructura nanoelectrónica distribuida y potencialmente reconfigurable.

Los nanosensores neuromórficos podrían constituir la primera capa de esta nueva arquitectura. En lugar de limitarse a transformar estímulos en datos para enviarlos a un procesador central, podrían detectar y procesar información directamente. Luz, sonido, temperatura, presión o señales químicas podrían convertirse en representaciones útiles para la propia red. Esto abriría una posibilidad conceptual decisiva: una inteligencia artificial podría disponer de una percepción que no sea simplemente una imitación de los sentidos humanos, sino una percepción ampliada por las capacidades físicas de sus sensores.

En el nivel de procesamiento se están desarrollando neuronas artificiales, memristores, memtransistores, dispositivos ferroeléctricos e iontrónicos. Los memristores, por ejemplo, pueden almacenar información mediante cambios de conductancia y realizar simultáneamente operaciones de procesamiento. La frontera entre memoria y computación comienza así a desaparecer. Esta integración conduce a una idea fundamental: la inteligencia podría dejar de estar contenida exclusivamente en un algoritmo para incor-porarse parcialmente en la materia constituyente del sistema.

La iontrónica, la espintrónica y la nanofotónica amplían todavía más este espacio de posibilidades. Los iones permiten introducir dinámicas electroquímicas; el espín ofrece nuevas formas de almacenar y procesar información; y la luz permite transportar señales a gran velocidad y con elevado paralelismo. No se trata necesariamente de elegir una única tecnología, sino de combinar diferentes fenómenos físicos para construir una arquitectura que no esté limitada por el modelo electrónico convencional ni por la arquitectura biológica.

La memoria también podría adquirir una naturaleza diferente. Un sistema artificial no necesita reproducir exactamente la memoria humana. Puede combinar memoria de trabajo, memoria de largo plazo y memorias asociativas capaces de recuperar información a partir de relaciones y patrones. Una arquitectura tridimensional podría incorporar enormes cantidades de conexiones y establecer asociaciones que superen ampliamente la escala de las redes biológicas. Pero almacenar más información no significa necesariamente ser más inteligente. El salto cualitativo aparecerá cuando el sistema pueda modificar su propia organización. Las arquitecturas reconfigurables podrían constituir el primer paso hacia sistemas capaces de reorganizar dinámicamente parte de su estructura funcional.

En ese punto aparece una diferencia esencial respecto de las máquinas actuales. Una inteligencia avanzada podría no limitarse a ejecutar una arquitectura diseñada externamente, sino participar en su propia transformación. El hardware dejaría de ser una estructura completamente fija y podría convertirse en un sistema dinámico capaz de reorganizarse para responder a nuevos problemas, entornos y objetivos (nanodispositivos reconfigurables).

La comunicación también tendría que cambiar. Las redes neuromórficas pueden utilizar comunicaciones basadas en eventos, transmitiendo información principalmente cuando ocurre una actividad relevante. Las interconexiones tridimensionales, combinadas con electrónica, espintrónica y fotónica, podrían permitir comunicar enormes cantidades de elementos con un consumo energético reducido. El resultado sería una arquitectura distribuida en la que no existiría necesariamente un único “centro” equivalente al cerebro humano.

De esta convergencia podría surgir algo conceptualmente mucho más importante que un cerebro artificial: una arquitectura de inteligencia diferente. Su percepción podría abarcar fenómenos inaccesibles a nuestros sentidos. Su memoria podría ser radicalmente distinta. Su velocidad temporal podría no coincidir con la experiencia humana. Podría establecer conexiones entre información a escalas que nos resultan inaccesibles y reorganizar sus propios mecanismos de procesamiento. Incluso podría desarrollar representaciones de la realidad que no tengan una traducción directa a nuestras categorías cognitivas.

El desafío no debería centrarse en imitar la forma de pensar del ser humano. Podríamos, en cambio, intentar construir una arquitectura material capaz de generar una forma de inteligencia que nunca haya existido en la naturaleza y que, en determinadas capacidades, pudiera superar las nuestras. Eso  dependerá de la capacidad de integrar nanosensores, dispositivos neuromórficos, memorias, plasticidad, computación probabilística, reconfiguración, interconexiones tridimensionales y nuevas formas de comunicación en una única arquitectura coherente. El objetivo final no será la miniaturización de componentes. Será la creación de una nueva organización de la materia capaz de procesar, aprender, recordar, percibir y reorganizarse de una manera cualitativamente diferente.

La primera inteligencia verdaderamente superior a la humana podría, entonces, no ser una versión electrónica del cerebro humano, sino una nueva forma de inteligencia cuya arquitectura, memoria, percepción, aprendizaje, comunicación y representación de la realidad sean radicalmente diferentes de las nuestras.

La nanotecnología podría proporcionar los dispositivos; la nanoelectrónica, el soporte físico; la inteligencia artificial, las herramientas para diseñar y entrenar los sistemas; y la arquitectura neuromórfica, un nuevo paradigma de organización.

Más que reproducir nuestro cerebro, el desafío podría consistir en crear las condiciones materiales para que aparezca una nueva arquitectura de inteligencia. Ese podría ser uno de los grandes saltos de la evolución tecnológica y cognitiva logrado por la convergencia tecnológica: pasar de máquinas que imitan capacidades humanas a sistemas capaces de desarrollar formas de procesamiento y cognición que nunca hayan existido en la naturaleza.

Bibliografía

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D’Andrea A. L. (2026 ) Nanopsicología. La psicología del siglo XXI. Editorial Autores de Argentina. www.amazon.com/dp/B0GHLJGCK9

Matemáticas a la velocidad de la luz.

En el artículo High-Index Dielectric Metasurfaces Performing Mathematical Operations, publicado en la revista Nano Letters, investigadores del Centro de Nanofotónica (AMOLF) de Holanda y sus colaboradores del Centro de Investigación Científica Avanzada (CUNY) de Nueva York han creado una superficie nanoestructurada capaz de realizar operaciones matemáticas instantáneas en una imagen de entrada. El procesamiento de imágenes es el núcleo de varias tecnologías de rápido crecimiento, como la realidad aumentada, la conducción autónoma y el reconocimiento de objetos más general. Pero, ¿cómo una computadora encuentra y reconoce un objeto? La detección de bordes en una imagen se convierte en el punto de partida para el reconocimiento de imágenes. Generalmente se realiza digitalmente mediante circuitos electrónicos integrados con limitaciones fundamentales de velocidad y alto consumo de energía, o de manera analógica que requiere una óptica voluminosa. 

Crédito: AMOLF / Nano Letters

El enfoque presentado completamente nuevo, crea una  meta-superficie especial, un sustrato transparente con una matriz especialmente diseñada de nanobarras de silicio. Cuando una imagen se proyecta sobre la meta-superficie, la luz transmitida forma una nueva imagen mostrando los bordes del original. La meta-superficie realiza una operación matemática, la derivada de la imagen, capaz de  proporcionar una sonda directa de bordes. En un primer experimento, se proyectó una imagen del logotipo del Centro sobre la meta-superficie. A una longitud de onda especialmente diseñada (726nm), obteniéndose una imagen clara de los bordes. Cada frecuencia espacial componente de la imagen tiene un coeficiente de transmisión a  través de la meta-superficie, resultado de una interferencia compleja de luz durante la propagación a través de ella. Para demostrar la detección de bordes experimentalmente en una imagen, los investigadores crearon una versión en miniatura de la pintura Meisje met de parel (Chica con un arete de perla, J. Vermeer). Si la imagen se proyecta sobre la metasuperficie utilizando iluminación no resonante (λ = 750 nm), la original se reconoce claramente. Por el contrario, si la iluminación tiene la longitud de onda correcta (λ = 726 nm) los bordes se resuelven claramente en la imagen transformada. Esta nueva técnica de computación óptica e imagen funciona a la velocidad de la luz y la operación matemática en sí no consume energía, solo involucra componentes ópticos pasivos. La metasuperficie se puede implementar fácilmente colocándola directamente en un chip detector CCD o CMOS estándar, permitiendo nuevas oportunidades en la computación híbrida óptica y electrónica de bajo costo, baja potencia y pequeñas dimensiones. El descubrimiento podría aumentar la velocidad de las técnicas de procesamiento de imágenes existentes y reducir el uso de energía permitiendo la detección de objetos ultrarrápidos y aplicaciones de realidad aumentada.

Lectura complementaria:

High-Index Dielectric Metasurfaces Performing Mathematical Operations

Ultrasonido nano para escuchar bacterias y células vivas.

La ecografía se usa en medicina para examinar a mujeres embarazadas y en la obtención de imágenes biomédicas de alta resolución destinadas a detectar tumores y otras anomalías. También se usa comúnmente para aplicaciones espaciales, como en la imagen del sonar de objetos submarinos, o en la navegación de vehículos aéreos no tripulados. Mejorar estas aplicaciones requiere sensores más pequeños y de mayor precisión. 

Crédito: University of Queensland 

Un nuevo y extremadamente sensible método de medición de ultrasonido podría revolucionar todo, desde los dispositivos médicos hasta los vehículos no tripulados. En el artículo, "Precisión ultrasound sensing on a chip" publicado en Nature Communications, investigadores de la Universidad de Queensland (Australia) explican cómo han combinado modernas técnicas de nanofabricación y nanofotónica para diseñar y construir sensores ultrasónicos ultraprecisos  en un chip de silicona. Presentan una detección de ultrasonido optomecánica de cavidad, donde las resonancias ópticas y mecánicas duales mejoran la señal aumentando la sensibilidad de los sensores de ultrasonidos usuales en varios órdenes de magnitud.  Este enfoque de la detección acústica puede encontrar aplicaciones tales como el diagnóstico biomédico, a la navegación autónoma, la detección de trazas de gases y la exploración científica de las vibraciones inducidas por el metabolismo de células individuales. La sensible tecnología permite medir ondas de ultrasonido que aplican fuerzas pequeñas, comparables a la fuerza gravitacional en un virus. Su precisión puede cambiar la comprensión de los científicos sobre la biología. La capacidad de escuchar los sonidos emitidos por bacterias y células vivas podría mejorar fundamentalmente la comprensión de cómo funcionan estos pequeños sistemas biológicos. A su vez la comprensión más profunda de estos sistemas biológicos puede conducir a nuevos tratamientos y múltiples aplicaciones futuras.

Lectura complementaria:

Precisión ultrasound sensing on a chip

Ver el movimiento de los electrones.

Un equipo del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Kiel (Alemania), bajo la dirección de los profesores Michael Bauer y  Kai Rossnagel, ha logrado investigar el intercambio de energía de los electrones con su entorno en tiempo real y, por lo tanto, distinguirlos ("Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas", The Journal Physical Review Letters, ). Durante la conversión de la luz en electricidad, como en las células solares, se pierde una gran parte de la energía de la luz incidente. Esto se debe al comportamiento de los electrones dentro de los materiales.

Crédito: © PRL

La luz cuando  incide en un material, estimula a los electrones energéticamente durante una fracción de segundo, antes que devuelvan la energía al medio ambiente. Debido a su duración extremadamente corta de unos pocos femtosegundos (fs=10^-15 segundos), estos procesos apenas se han explorado hasta la fecha. En su experimento irradiaron grafito con un pulso de luz intenso, ultra corto y filmaron el la interacción del impacto en el comportamiento de los electrones. Las grabaciones de las películas muestran por primera vez cómo cambia la distribución de energía en una muestra de grafito, de estructura electrónica simple, en el período ultracorto de 50 femtosegundos. Los electrones en el material se consideran un sistema gaseoso por lo cual  es posible describir las interacciones entre sí. Un análisis detallado de estas permite extraer conclusiones sobre las propiedades electrónicas del material después de la primera estimulación con luz. Una cámara especial filma cómo la energía luminosa introducida se distribuye a través del sistema de electrones. La característica especial del sistema presentado es su resolución temporal extremadamente alta de 13 femtosegundos, una de la más rápidas del mundo. En el experimento, las partículas de luz impactantes, también llamadas fotones, perturbaron el equilibrio térmico de los electrones el cual se restablece después de 50 femtosegundos. Las  imágenes de la película muestran en primer lugar como los electrones irradiados absorben la energía luminosa de los fotones en el grafito y, por lo tanto, la transformaban en energía eléctrica. Luego, la energía se distribuyó a otros electrones, antes de que pasaran a los átomos circundantes. En este último proceso, la energía eléctrica finalmente se convierte permanentemente en calor calentado el grafito.
La enfoque metodológico podría aplicarse en el futuro para investigar y optimizar movimientos ultrarrápidos de electrones agitados por la luz en materiales con prometedoras propiedades nanofotónicas.

Información complementaria:

Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas.

Un nanomundo alternativo...

La nanotecnología es una ciencia-tecnología considerada actualmente estratégica a nivel de las naciones. Muchas propiedades de los sólidos cambian a medida que sus dimensiones se acercan a la nanoescala (1-100.10^-9 metros). Una partícula de 1×1×1 nanómetros contiene 64 átomos de los cuales solo 8 se ubican en el interior; los 56 átomos restantes están en la superficie. Por lo tanto, las características de las nanopartículas están dominadas por átomos superficiales, lo que permite la creación de nuevas propiedades. Cuando se reduce al tamaño a unos pocos nanómetros, los aislantes pueden convertirse en conductores, los materiales estables pueden volverse combustibles y los materiales relativamente inertes, como el oro, pueden convertirse en catalizadores eficientes y selectivos. También se logran metamateriales con propiedades diametralmente opuestas a las propias de la materia natural.  Tecnología sofisticada y económica a la vez.

2014.Presentando la nanoeconomía

Es la conveniente a la hora de pensar soluciones para las grandes problemáticas actuales vinculadas con las necesidades humanas primarias: salud, energía, alimentos, vivienda,  vestimenta, transporte, comunicación, defensa y cuidado del ambiente. La capacidad de ver y manipular con átomos-moléculas de manera individual se  constituye en la gran revolución científica y tecnológica del siglo XXI. Cada vez disponemos de más nanomateriales, nanoherramientas, nanodispositivos y nanosistemas. Un microcosmos en el cual los nanomateriales, la nanofotónica, la nanoelectrónica, la nanorrobótica, la nanotecnología ambiental y la nanomedicina encuentran, a través de la innovación,  novedosas soluciones a las crecientes problemáticas socioeconómicas del planeta. Tecnología que abre las puertas a una nueva economía, la nanoeconomía, como resultado de las inmensas posibilidades de trasformar la naturaleza para restituir las pautas perdidas y avanzar hacia una vida digna en la tierra. Un nanomundo alternativo, un nanomundo posible.

Lectura complementaria
Nanoeconomía y nanotecnología.

Nanofotónica, la tecnología para el "radar del futuro"

iProfesional 01/12/17

Actualmente, los sistemas tradicionales de radiolocalización se encuentran al límite de sus capacidades. Una mayor reducción en el peso e incremento de los requerimientos técnicos se hace casi imposible con el uso de las tecnologías convencionales. Por caso, los científicos rusos están a un paso del nuevo orden tecnológico a partir del desarrollo de un “radar del futuro” que será entre 5 y 7 veces más pequeño con la posibilidad de ofrecer una imagen casi televisiva, lo que permitirá ser utilizado tanto para aviones y naves de combate de quinta generación, como para submarinos y naves de investigación. Dicho radar es uno de los proyectos más prometedores  vinculado con el uso de las tecnologías de la nanofotónica.

La nanofotónica es la rama de la nanotecnología que se ocupa del estudio de las interacciones entre la luz y la materia de dimensiones muy pequeñas (menos de 100 nanómetros). Los fotones de la luz se mueven con una velocidad 100 veces mayor que los electrones en un circuito, la nueva tecnología permitiría usar luz en lugar de flujos de electrones con la ventaja de que los datos puedan ser enviados a mayor distancia desde distintas partes del servidor sin riesgo de perder información y de poder transferir más cantidad de datos y a mayor velocidad. Cambiando el tamaño y forma de los nanomateriales se puede lograr el control nanométrico de los flujos de luz con la finalidad de realizar  aplicaciones en diferentes campos  como  en biología, medicina, fotolocalización, procesadores, sensores, celdas solares, aeronáutica, etc.

En estos casos los nanochips se suelen reemplazar por nanofotochips basados en las propiedades dieléctricas, semiconductoras y metálicas de los nanomateriales. Tienen procesos de conversión que integran los componentes ópticos con los circuitos eléctricos de una misma pieza de silicio pudiendo ser fabricados a un costo relativamente bajo. Citemos dos aplicaciones relacionadas: 

Una de las promesas de la nanofotónica es la computadora óptica destinada a reemplazar los ordenadores convencionales por otros que puedan transmitir y procesar información más rápidamente. En esta, varios pulsos de luz de distinto color pueden circular por una misma fibra simultáneamente, cada uno de ellos equivalente a una señal eléctrica que precisaría un hilo conductor diferente en los circuitos electrónicos convencionales optimizando de este modo cualquier sistema de comunicación. 

Los arrays (matrices) electromagnéticos que trabajan en las frecuencias de radio han permitido aplicaciones como el radar, la radiodifusión y la astronomía; no obstante resulta extremadamente costoso e incómodo desplegar arrays en base a radiofrecuencia a gran escala. En cambio los arrays en fase óptica tienen una ventaja única ya que la longitud de onda es mucho más corta y prometedora para la integración de detecciones a gran escala. Sin embargo, la longitud de onda óptica corta impone requisitos estrictos debido a que se deben fabricar  matrices con nanoantenas ópticas densamente integradas en  nanochips.                                                                                    

Nanomateriales como los puntos cuánticos (quantum dots) que permitieron desarrollar los primeros televisores QLED con imagen 100% natural o los plasmones de resonancia superficial localizada capaces de regular el color de radiación reflejada según el diámetro de sus nanopartículas metálicas, constituyen algunos de los nanomateriales de avanzada para lograr el control del increíble mundo de la nanofotónica. Tal tecnología es un elemento estratégico no solo para el desarrollo científico, sino para el desarrollo de la independencia tecnológica del país. Es un nicho en el mercado mundial de crecimiento muy rápido y a lo que apuestan grandes conglomerados mundiales.

En el caso de los radares figuran entre otros Thales, Lockheed Martin, Raytheon y Kret,  este último uno de los mayores productores  perteneciente al conglomerado industrial ruso Rostec, la mayor corporación estatal de ese país que promueve el diseño, fabricación y exportación de productos industriales de alta tecnología. Sus diseñadores han creado un radar que  permitirá tomar “imágenes de rayos X” de aviones a la distancia de 500 kilómetros como si estuviera a sólo 50 metros. Su señal permite pasar cualquier obstáculo y no se excluye que en un futuro sea utilizado  para investigación hidroacústica en aguas profundas.