Las megatendencias tecnológicas actuales y su impacto

Megaten-dencia Tema Información

Biotec-nologíaagrícola

Biocom-bustibles

Existen cambios en los patrones de cultivo. La tierra se utiliza para cosechar materia prima para biocombustibles, en detrimento de otros productos, como la naranja, que serán escasos.

Alimentos para consumo humano

Los centros de investigación desarrollan métodos para modificar el sabor, color y la textura de frutas y legumbres.


Las grandes procesadoras de alimentos invierten en biotecnología para conocer las propiedades de los alimentos que benefician la salud y que pueden aprovechar como elementos de mercadotecnia. Sin embargo la rentabilidad de algunos cultivos será limitante para invertir en conocer su genoma.

Inteli-gencia artificial

Fabrica-ción y diseño

La conducción de automóviles estará a cargo del piloto automático guiado por un navegador GPS y alimentado con el estado de las vialidades. El sistema incluirá alcoholímetro y monitor de signos vitales.

MEMSElectró-nica

En el 2050 los nanorrobots podrán acomodarse de diferente forma permitiendo que dispositivos electrónicos cambien de forma y se reduzcan de tamaño.

Algunos avancesdel futuro

Megatendencias tecnológicas

Continúa en la siguiente solapa.

Grupo de Desarrollo Regionaldel Tecnológico de Monterrey

y su impacto enla identificación

de oportunidadesestratégicas

de negocios

Las megatendenciastecnológicas actuales

Las megatendencias tecnológicas actuales

y su impacto en la identificaciónde oportunidades

estratégicas de negocios

Grupo de Desarrollo Regional del Tecnológico de Monterrey

Las megatendencias tecnológicas actuales

y su impacto en la identificaciónde oportunidades

estratégicas de negocios

Título originalLas megatendencias tecnológicas actuales y su impacto en la identificación de oportunidades estratégicas de negocios

Compilado por:Grupo Coordinador de Desarrollo Regional del Tecnológico de Monterrey

Diseño de la publicaciónAdriana Hernández MárquezJuan Carlos Muñoz Anaya

Primera edición, 2009

Derechos Reservados© Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Av. Eugenio Garza Sada Sur No. 2501, C.P. 64849, Monterrey, N.L.

Se prohíbe la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio sin previo y expreso consentimiento por escrito del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey a cualquier persona y actividad que sean ajenas al mismo.

ISBN 978-607-7517-94-8

El Tecnológico de Monterrey propicia las investigaciones de sus profesores, sin embargo, de acuerdo al principio de libertad de cátedra, el contenido, los datos y las opiniones expresadas en este libro son responsabilidad de los autores y no expresan la opinión institucional de FEMSA ni del ITESM.

Mensaje del Rector del Tecnológico

de Monterrey

El Tecnológico de Monterrey, comprometido con su misión a promover el desarrollo del país mediante la formación de recursos humanos altamente calificados y la promoción del espíritu emprendedor, ha realizado una serie de esfuerzos de investigación para identificar oportunidades estratégicas para el desarrollo.

Estos proyectos, que buscan el fortalecimiento de la base productiva de los estados y las regiones del país, incluyen información con respecto al desarrollo de nuevos productos en el contexto de la nueva economía del conocimiento, la adopción de nuevas tecnologías y los mercados que se abrirán a los nuevos productos.

La presente publicación, que forma parte de este esfuerzo, ofrece información acerca de las nuevas megatendencias tecnológicas que están afectando al mundo y su impacto en la identificación de las oportunidades de negocios, a corto y mediano plazo. Ofrece, pues, elementos importantes a considerar en cuanto a la generación de negocios de alto valor agregado.

Rafael Rangel SostmannRector del Tecnológico de Monterrey

Mensaje del Director General de Fomento

Económico Mexicano, S.A.B. de C.V. (FEMSA)

México tiene un gran potencial de desarrollo en sus distintas regiones, el cual es necesario impulsar para generar empleos, certidumbre y mejores condiciones de vida para las familias.

La equidad entre los mexicanos es una aspiración que debemos enfrentar con espíritu emprendedor, con productividad y competiti-vidad. El desarrollo regional es clave para ello y por tanto lo asumi-mos como responsabilidad y compromiso compartido.

Conscientes de este compromiso, en FEMSA impulsamos un proyecto en conjunto con el Tecnológico de Monterrey para analizar las diferentes formas de desarrollo de México y proporcionar información sobre el desarrollo regional, uno de los enfoques más exitosos en la generación de valor.

El Análisis del Desarrollo Regional implica estudiar desde las características geográficas, los factores sociales, las tendencias mundiales, para innovar, crear o utilizar la mejor tecnología y enfocarnos en lo que hará que nuestra región prospere.

Si conocemos estas particularidades, podremos planear estraté-gicamente en qué actividades económicas tenemos que enfocar-nos, definiendo claramente los roles y responsabilidades de go-biernos, empresas y sociedad para conjuntar esfuerzos, lograr la mejor productividad y ser competitivos, no sólo para cada región, sino para todo el país.

En FEMSA estamos conscientes que nuestra labor como empre-sa va más allá de sólo crear valor económico, sino que nos

LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS

MENSAJE DEL DIRECTOR GENERAL DE FOMENTO ECONÓMICO MEXICANO, S.A.B. DE C.V. (FEMSA)

hemos comprometido para al mismo tiempo generar simultánea-mente iniciativas que contribuyan a la indispensable cohesión social que requieren nuestras comunidades para progresar y vivir en armonía. Esperamos que la información reunida por los especialistas del Tecnológico de Monterrey, sea de utilidad para inspirar y guiar a nuevas empresas e instituciones a contribuir al desarrollo de México.

José Antonio Fernández CarbajalDirector General de

Fomento Económico Mexicano, S.A.B. de C.V. (FEMSA)

ContenidoPresentación ...................................................................................................................13

Capítulo 1El análisis de las megatendencias ............................................................................17

1.1 ¿Qué son las megatendencias?: definición e importancia de su estudio ....171.2 Contexto de búsqueda de oportunidades basado en megatendencias .....181.3 Las doce megatendencias tecnológicas .........................................................21

Capítulo 2Sistemas ópticos ...........................................................................................................25

2.1 Descripción .........................................................................................................252.2 Temas de investigación ......................................................................................272.3 Tecnologías existentes .......................................................................................282.4 Tecnologías emergentes ....................................................................................302.5 Productos y Servicios .........................................................................................312.6 Taxonomía ............................................................................................................35

Capítulo 3Biotecnología agrícola .................................................................................................... 43

3.1 Descripción .........................................................................................................433.2 Temas de investigación ......................................................................................453.3 Tecnologías existentes .......................................................................................463.4 Tecnologías emergentes ....................................................................................483.5 Productos y servicios .........................................................................................483.6 Taxonomía ............................................................................................................51

Capítulo 4Biotecnología médica ..................................................................................................... 55



CONTENIDO

Capítulo 5Células, tejidos y órganos artificiales ........................................................................ 75


Capítulo 6Computadoras de alto rendimiento .............................................................................. 97

6.1 Descripción .........................................................................................................976.2 Temas de investigación ......................................................................................986.3 Tecnologías existentes .......................................................................................996.4 Tecnologías emergentes ....................................................................................996.5 Productos y servicios .........................................................................................996.6 Taxonomía ..........................................................................................................101

Capítulo 7Inteligencia artificial ....................................................................................................105

7.1 Descripción .......................................................................................................1057.2 Temas de investigación ....................................................................................1067.3 Tecnologías existentes .....................................................................................1077.4 Tecnologías emergentes ..................................................................................1087.5 Productos y servicios .......................................................................................1087.6 Taxonomía ..........................................................................................................111

Capítulo 8Materiales inteligentes e ingeniería de superficies ............................................119

8.1 Descripción .......................................................................................................1198.2 Temas de investigación ....................................................................................1238.3 Tecnologías existentes .....................................................................................1248.4 Tecnologías emergentes ..................................................................................1258.5 Productos y servicios .......................................................................................1288.6 Taxonomía ..........................................................................................................131

Capítulo 9MEMS (Sistemas micro-electro-mecánicos) ........................................................137

9.1 Descripción .......................................................................................................1379.2 Temas de investigación ....................................................................................138


CONTENIDO

9.3 Tecnologías existentes .....................................................................................1399.4 Tecnologías emergentes ..................................................................................1399.5 Productos y servicios .......................................................................................1409.6 Taxonomía ..........................................................................................................141

Capítulo 10Micro y nanotecnología ................................................................................................145

10.1 Descripción .....................................................................................................14510.2 Temas de investigación ..................................................................................14710.3 Tecnologías existentes ...................................................................................14710.4 Tecnologías emergentes ................................................................................14810.5 Productos y servicios .....................................................................................14810.6 Taxonomía .......................................................................................................150

Capítulo 11Nuevas tecnologías energéticas ...............................................................................155

11.1 Descripción .....................................................................................................15511.2 Temas de investigación ..................................................................................15911.3 Tecnologías existentes ...................................................................................15911.4 Tecnologías emergentes ................................................................................16111.5 Productos y servicios .....................................................................................16211.6 Taxonomía ......................................................................................................164

Capítulo 12Realidad mixta ................................................................................................................171

12.1 Descripción .....................................................................................................17112.2 Temas de investigación ..................................................................................17312.3 Tecnologías existentes ...................................................................................17412.4 Tecnologías emergentes ................................................................................17412.5 Productos y servicios generados .................................................................17412.6 Taxonomía ......................................................................................................176

Capítulo 13Tecnologías inalámbricas............................................................................................... 179

13.1 Descripción .....................................................................................................17913.2 Temas de investigación .................................................................................18413.3 Tecnologías existentes ...................................................................................18413.4 Tecnologías emergentes ................................................................................18513.5 Productos y servicios generados .................................................................18513.6 Taxonomía .......................................................................................................187


CONTENIDO

Capítulo 14Conclusiones ................................................................................................................193

Bibliografía ....................................................................................................................197

Presentación

Desde la primera mitad del siglo XX se ha hecho evidente la aceleración con que se han sucedido los cambios a nivel social, cultural, económico y tecno-lógico; además, se ha acentuado el alcance del impacto que estos cambios han tenido en las naciones, organizaciones y personas. Esta yuxtaposición de eventos ha provocado una evolución sin precedentes en la manera de actuar de los grupos humanos, que también se ha reflejado en el acontecer económico de todos los países.

La complejidad del entorno, la velocidad y la magnitud de los cambios obligan a realizar un análisis constante de las nuevas condiciones globales y regionales; identificando los elementos más relevantes, que permitan gene-rar las mejores estrategias de acción. Estas decisiones pueden conducir al aprovechamiento de oportunidades de desarrollo en las personas y comuni-dades, para lograr nuevas formas de creación y uso eficiente y efectivo del conocimiento.

John Naisbitt en su libro Megatrends 2000 (1990) Alvin Toffler en libros como El shock del futuro (1970), y últimamente en La revolución de la riqueza (2007), así como Herman Maynard y Susan Mehrtens en La cuarta ola (1996) fueron los pioneros en analizar e identificar grandes tendencias que afectan de manera directa al mundo y que se manifiestan en un plano multidimen-sional.

Posteriormente, estos trabajos seminales derivaron en observatorios de tendencias futuras, que se han dedicado a delinear todos los fenómenos que a su juicio influenciarán la sociedad y la economía en un futuro cercano.

De acuerdo a estos autores y a varios think tanks (rand Corporation, Stanford Delta Scan y Deutsche Bank Research son tres buenos ejemplos), es necesario identificar dichas tendencias mundiales e integrarlas a cual-quier estudio de prospectiva para que éste tenga utilidad en el mediano y lar-go plazos. Las megatendencias, como sostienen Naisbitt y Aburdene (1990), son las grandes fuerzas en el desarrollo humano y tecnológico que afectarán

14LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS

PRESENTACIÓN

el futuro en todas las áreas de la actividad humana, en un horizonte de diez a quince años. Los gobiernos, las instituciones y las empresas las deben tomar en cuenta para diseñar sus objetivos de largo plazo y enfocar sus esfuerzos y recursos.

Reconociendo su utilidad, las megatendencias ofrecen información sobre los futuros probables a través de sus manifestaciones presentes y, por lo tanto, se convierten en un punto de partida para ver hacia dónde se mueve el mundo. El identificar señales que indiquen futuros posibles y su impacto en productos, comportamientos y organizaciones se vuelve un arma indispensable en cualquier proceso de planeación.

La principal premisa de las megatendencias actuales es que transitamos de una sociedad industrial a una sociedad basada en el conocimiento, y que es por lo tanto el desarrollo de este conocimiento el mejor indicador de la sociedad futura y sus oportuni-dades.

El grupo de desarrollo regional del Tecnológico de Monterrey se abocó a integrar en este libro las megatendencias que a juicio de los autores probablemente marcarán el futuro previsible del mundo, tanto en el aspecto tecnológico como en el social, tratando de identificar los comportamientos que influenciarán a personas, grupos, instituciones, comunidades, regiones y países, para con ello identificar oportunidades de productos y servicios emergentes que puedan comercializarse en los mercados mundiales. Especí-ficamente, se trató de identificar el impacto de las megatendencias mundiales en nego-cios de alto valor agregado que fueran relevantes al desarrollo regional de los estados de México.

Las megatendencias que se describen en este libro son el resultado de un enorme trabajo de investigación y análisis por parte de un gran equipo de investigadores, en el marco del grupo de desarrollo regional y dirigido por el Dr. Héctor Moreira Rodríguez, Vicerrector de Desarrollo Académico e Investigación del Tecnológico de Monterrey. Este equipo estuvo conformado por 24 profesores-investigadores del ITESM en doce campus a lo largo del país, quienes con el apoyo de asistentes y alumnos de posgrado durante un año estuvieron trabajando, llevando a cabo tareas no sólo de búsqueda y análisis de información, sino de validación de conclusiones con expertos a nivel nacional.

Para realizar este trabajo de investigación se desarrolló una metodología específica que permite identificar los componentes más importantes de la megatendencia, y se concentra en una técnica para la identificación de productos y servicios comercialmente atractivos en el futuro, a través del análisis de los elementos de mayor peso en el fortale-cimiento de la megatendencia, así como en la evaluación del impacto de ésta en el mer-cado y en la sociedad. Para la aplicación de esta metodología, se utilizaron un manual de aplicación y un software que llevaron paso a paso a cada investigador en su trabajo. Además de los tutoriales, se llevaron a cabo sesiones de capacitación para el desarrollo de esta investigación en las que participaron 63 investigadores de Ciudad de México, Cuernavaca, Guadalajara, Hermosillo, Irapuato, León, Monterrey, Morelia, Pachuca, Pue-bla, Querétaro y Toluca.


PRESENTACIÓN

Los resultados de este esfuerzo se presentan en las siguientes páginas, y es deseo de los autores que puedan servir como elementos catalizadores para tratar de construir un futuro para México con una base científica cada vez más sólida, que fortalezca la ca-pacidad nacional para producir bienes de mayor valor agregado, y que de esta forma se traduzca en una mayor calidad de vida para toda la población, y en la conformación de una sociedad que cada vez más dé a los mexicanos oportunidades de utilizar al máximo sus capacidades.

1El análisis de las megatendencias

1.1 ¿Qué son las megatendencias?: definición e importancia de su estudio

En términos generales entendemos una tendencia como la dirección o la propensión a dirigirse hacia un objetivo determinado que tiene cualquier elemento. (rae, 2008). En este sentido, una megatendencia se manifiesta en la dirección que toman simultáneamente varios aspectos de la sociedad (en términos tecnológicos, de nuevos productos, sistemas de producción y preferencias de consumo) y que tendrán un impacto cuyos efectos serán perceptibles por un segmento significativo de la sociedad por más de una década.

Reconocidos autores han estudiado e identificado grandes cambios en la sociedad, como Patricia Aburdene que ha definido megatendencia de la siguiente forma: “es una gran dirección dominante que modela nuestra vida durante una década o más”. (2006). En el mismo sentido, se han publicado libros como “Microtrends: the small forces behind tomorrow’s big changes” de Mark Penn, que buscan describir los cambios que guiarán el presente hacia nuevas formas de comportamiento en la sociedad y en la producción; para él las “microtendencias” son las fuerzas que están emergiendo, de ma-nera contra-intuitiva y que moldean nuestro futuro. (Penn, 2007)

En general, para detectar estos grandes cambios se deben observar los patrones que están emergiendo en el comportamiento social, las tec-nologías, la economía, los medios, el cuidado de la salud y los negocios. (Watson, 2008)

La importancia de la identificación y análisis de las megatendencias radica no sólo en la previsión de los acontecimientos que pueden trans-formar la vida social y los mercados, sino en el potencial de prevenirlos, de modificarlos y de actuar en consecuencia. Es decir, a partir de la idea del futuro que contempla una megatendencia, podemos no sólo


CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS18

beneficiarnos de sus contribuciones, sino también protegernos de las amenazas que representa, y planear sobre cómo obtener el mayor beneficio posible en el en-torno actual. La premisa de las megatendencias es que identificando los elementos que sostienen e impulsan su avance, se puede construir el futuro.

Bajo esta premisa, el analizar el impacto que pueden tener los cambios identi-ficados en las megatendencias sobre nuestra vida diaria y en los productos y servi-cios ofrecidos en nuestra economía, aunado al ritmo con que los avances científicos y tecnológicos que la componen, son adoptados por la industria y por los mercados, es cada vez más pertinente.

1.2 Contexto de búsqueda de oportunidades basado en megatendencias

El análisis de megatendencias ofrece información que permite detectar oportunidades de negocio de acuerdo a los siguientes elementos:• Enfoque hacia el desarrollo regional.• Prioridad en el desarrollo de los clusters regionales.• Creación de redes de conocimiento alrededor de los aspectos tecnológicos clave de

los clusters y de sus productos.• Búsqueda de productos nuevos de alto valor agregado y con un enfoque de largo

plazo

Si consideramos que cualquier proyecto de desarrollo regional contempla la bús-queda de nuevos productos de alto valor agregado con enfoque de largo plazo, la mejor forma de obtener información sobre productos innovadores y tendencias de mercado es a través de un análisis de megatendencias.

Esta información sobre tecnologías, nuevos productos y las tendencias de mercado se pueden integrar en un análisis que incluya datos sobre creación de patentes relati-vas a nuevas tecnologías y productos, la incorporación de nuevas empresas de base tecnológica y las inversiones del capital de riesgo en esas empresas. Este libro abre justamente la posibilidad de presentar información específica sobre las megatendencias que consideramos pertinentes para los próximos 15 años, y que impactarán en la oferta y demanda de productos a nivel global.

Además, el análisis de megatendencias contempla el uso de información dinámica, presentado a través del Observatorio Estratégico-Tecnológico (http://oet.itesm.mx, un portal de internet diseñado y operado por el Tecnológico de Monterrey), de manera que el lector pueda generar reportes, con información relevante: patentes, capital de riesgo, tecnologías, etc.


CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS

En el libro se ha diferenciado entre megatendencias sociales y tecnológicas, ya que son dos tipos diferentes de detonadores de oportunidades concretas de negocios: por un lado la demanda de una solución por parte del mercado a una necesidad específica (por ejemplo teléfonos celulares de menor tamaño); y por el otro, la creación de necesi-dades generadas por una innovación tecnológica (por ejemplo el horno de microondas). Las megatendencias sociales se asocian al concepto de market pull y significa que la oportunidad de negocio se origina como respuesta a comportamientos que se pueden prever en la sociedad en el futuro, y que se pueden traducir en necesidades del mercado. Las megatendencias tecnológicas se relacionan con el technology push, que busca co-mercializar una innovación científica o tecnológica sin tener todavía definido un mercado. A pesar de la distinción, ambas maneras de ver las megatendencias contienen elemen-tos comunes que se manifiestan en las tecnologías asociadas.

Los autores proponen que la interacción de los componentes de las megatenden-cias sociales con las tecnológicas es la siguiente:

En las megatendencias sociales, un cambio de tipo sociológico, ético, ideológi-co, moral, de percepción o valoración, genera nuevos comportamientos sociales, que

Figura 1.1 Modelo de la relación entre las megatendencias sociales y tecnológicas

Tecnologías existentes

Oportunidades de negocios

Comportamientos sociales

Temas de investigación

Productos y servicios

Tecnologías emergentes

Genera

Impulsan y consolidan

Propician

Generan

Impulsan y Consolidan

Originan

Demandan

Megatendencia social

1 2 3

56

ComportamientosTecnológicos

7

4a 4b

Genera

Megatendencia tecnológica8



demandan el desarrollo tecnológico necesario para producir bienes y servicios, que a su vez fortalecen y aceleran la megatendencia. Esta lógica se denomina market pull.

A su vez, las megatendencias tecnológicas se generan con cambios cambios en gran escala en el conocimiento, las aplicaciones o la manera de visualizar una dis-ciplina del conocimiento humano. Estas megatendencias siguen una lógica de tech-nology push. Esto significa que el conocimiento se traduce en productos y servicios cuyo mercado no se conoce con claridad y que producirá una evolución muy rápida de los productos y servicios originales. Estos productos y servicios paulatinamente cambian el comportamiento humano, fortaleciendo y reforzando la megatendencia tecnológica.

En este proyecto se propone que las megatendencias tecnológicas se manifiestan a través del siguiente ciclo:

Las definiciones de cada componente a continuación:• Temas de investigación: Áreas en donde se está incrementando el conocimiento

básico y las tecnologías derivadas de la megatendencia.• Tecnologías existentes: Tecnologías conocidas cuyo uso se incrementa y profundiza,

y que evolucionan hacia nuevos productos y servicios.

Figura 1.2 Ciclo de las megatendencias tecnológicas

Tecnologías emergentes

Comportamientos tecnológicos

Oportunidades de negocios

Temas de investigación

Productos y servicios

Tecnologías existentes

Genera Originan

Impulsan y consolidan

Propician

Generan

Megatendencia tecnológica

12

4

56

3a

3b


CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS

• Tecnologías emergentes: Nuevas tecnologías que están siendo desarrolladas y que pueden generar productos y servicios.

• Productos y servicios: Aplicaciones que responden a las innovaciones tecnológicas.

• Oportunidades / Áreas de negocio concretas: Productos y servicios con un alto grado de factibilidad y alineación con la estructura económica y los nuevos mercados.

• Comportamientos tecnológicos: Resultados de la megatendencia que son percibidos por la sociedad y afectan sus valores, actividades y preferencias. Éstos, a su vez, retroalimentan e incrementan el efecto de la megatendencia tecnológica.

Como se aprecia en la figura, la lógica del ciclo comienza con la aparición de conoci-miento y desarrollos tecnológicos que son de tal magnitud que se consideran como una megatendencia tecnológica distinguible (1), la cual genera esfuerzos de investigación y desarrollo (2), que producen herramientas y conocimiento aplicable (3), los que a su vez originan productos y servicios (4) que se ofrecen al público. Del total de la oferta tecno-lógica, sólo una parte tiene éxito a través de oportunidades de negocio concretas (5), las cuales al expandirse en el mercado propician comportamientos tecnológicos que antes no existían (6) y responden a la masificación de las tecnologías exitosas. Estos com-portamientos impulsan el crecimiento y la evolución de la megatendencia tecnológica, cerrando el ciclo.

1.3 Las doce megatendencias tecnológicas

1. Sistemas ópticos.

2. Biotecnología agrícola.

3. Biotecnología médica.

4. Células, tejidos y órganos artificiales.

5. Computadoras de alto rendimiento.

6. Inteligencia artificial.

7. Materiales inteligentes & Ingeniería de superficies.

8. mems (sistemas micro-electro-mecánicos).

9. Micro y nanotecnología.

10. Nuevas tecnologías energéticas.

11. Realidad mixta.

12. Tecnologías inalámbricas.

Tabla 1.1 Megatendencias tecnológicas

Fuente: Elaboración propia.



En este libro se presentan las megatendencias tecnológicas identificadas por los autores con base en la información analizada:

En la presentación de cada megatendencia se encuentra información como la des-cripción de la megatendencia señalando sus elementos característicos, sus detonado-res, y los cambios que provocan en el entorno. Finalmente, es importante señalar que las megatendencias implican una compleja relación de muchos elementos, por lo que también se incluye una taxonomía, que permite darle orden a esta relación de elementos y procesos que se interrelacionan para generar los productos y servicios específicos para cada megatendencia.

Sistemas ópticos

2Gerardo Castañón

Miguel Ángel TinocoElizabeth Belmont

2.1.1. DefiniciónSon los sistemas o mecanismos que permiten manipular la luz y así modificar sus propiedades para lograr por medios mínimamente invasivos resultados de alta calidad en aplicaciones médicas, de instrumentación y de metrología. Dichas aplicaciones están enfocadas principalmente a los avances en las fi-bras ópticas, en los láseres, en el estudio de los plasmones, en la nanotecno-logía y en el de dispositivos de conmutación óptica.

2.1.2 DetonadoresLos elementos tecnológicos de mayor impacto se centran en el campo tecnológico de las fibras ópticas, los láseres, la nanotecnología y la holo-grafía.

La mejora en las fibras ópticas, respecto a sus características tanto en atenuación como en dispersión; esto aumentó la ventana óptica de trans-misión. Además, se implementó una técnica para enviar más de una señal por la fibra óptica al mismo tiempo (370 señales) en diferentes longitudes de onda (wdm). Por otro lado, el pequeño tamaño de las fibras ópticas (125 micras) ha permitido ser utilizado como un receptor de imágenes, introdu-ciendo éste por cavidades muy pequeñas en el cuerpo y permitiendo realizar operaciones médicas con éxito; así como utilizar a las fibras ópticas como sensores, entrando en medios corrosivos en donde la electricidad puede ser muy peligrosa.

2.1 Descripción


CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS

Por otro lado, el avance en los láseres, dándoles mayor coherencia (logrando pulsos con un ancho de 0.5 nm1.), les ha permitido ser utilizados para realizar cortes exactos, en aplicaciones médicas como operaciones oftalmológicas, instrumentos para cauterizar heridas en caso de personas hemofílicas, terapias como la acupuntura láser o la cromo-terapia. Además, los avances en láseres de alta potencia que usan carbono permiten una gran precisión en los cortes en diferentes materiales, ya que el corte no es por desvaste sino por evaporación. Otro de los aspectos del desarrollo tecnológico en los láseres, es la gama de infrarrojos y ultravioleta, que impacta en la calidad de la señal, permitiendo realizar alineaciones en el orden de los milímetros, micras y medidas superiores a éstas, y la simulación del universo.

Además, los avances en la miniaturización, nano-tecnología, nano-partículas y nano-óp-tica ha impulsado el desarrollo en la utilización de las ondas acústicas en materiales sólidos (plasmones), generando nuevas aplicaciones en la medicina. El uso de las nanopartículas ha permitido reemplazar nervio dañado por un canal o camino de estas nanopartículas que pueden ser excitadas con plasmones y han permitido transmitir señales haciendo reaccionar al nervio bueno y logrando realizar movimientos que hasta el momento eran imposibles. Ade-más, la construcción de dispositivos a escala nanométrica ha permitido realizar procesos de conmutación óptica y no eléctrica, estos dispositivos se llaman MOEMS2

Al mismo tiempo los avances en la holografía permiten avances en seguridad, al generar características únicas en el elemento óptico.

2.1.3 Comportamientos TecnológicosDentro de los elementos que caracterizan el desarrollo de la megatendencia de sistemas ópticos se encuentra: el diseño de redes ópticas de mayor ancho de banda y grandes distancia de transmisión; las aplicaciones de estos sistemas en medicina y en equipos médicos; el desarrollo de sistemas de visión para vigilancia, exploración y seguridad; la mejora de los MOEMS2 para el diseño de equipos de telecomunicaciones más flexibles y veloces que ayuden a la conmutación óptica; y el desarrollo de redes de fibra óptica para seguridad aérea, terrestre y submarina.

Por otro lado, algunas de las tendencias que caracterizarán los temas relacionados con la óptica en el 2010-2015 de acuerdo al Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (opti):

1) Nanómetro

2) Micro-optical-electro-mechanical systems

Tendencias Temas relacionados

Productos y aplicaciones biomédicas avanzadas Monitorización de cuerpo humanoMicroinstrumentación para cirugía mínimamente invasiva

Tabla 2.1 Tendencias




Tendencias Temas relacionados

Producción masiva a bajo costo Módulos multi-chipProducción seriada

Monitorización y control del medio ambiente Microsistemas en aparatos de control del medio ambiente

Aplicaciones inteligentes Productos inteligentesSensing layers

Almacenamiento y transferencia de datos MOEMS en fibra ópticaSistemas de almacenamiento de mayor capacidad

Dispositivos móviles Disminución del peso y volumen de los dispositivos móviles

Entre los elementos que evidencian el impacto de la megatendencia en la sociedad, dado por la oferta tecnológica, se observa que los consumidores exigen redes ópticas de mayor ancho de banda y mayor distancia de transmisión. Existe además un crecimiento en la demanda de aplicaciones ópticas en medicina y en equipos médicos. De la misma forma, las empresas y centros públicos demandan mejores sistemas de visión para vigi-lancia, exploración, seguridad. También se están mejorando algunos dispositivos como los MOEMS (sistemas micro- electro- opto- mecánicos) para fabricar equipos de teleco-municaciones más flexibles y veloces que ayuden a la conmutación óptica, los centros de transporte público y de materiales exigen el desarrollo de redes de fibra óptica para seguridad aérea, terrestre y submarina más especializadas, existe el interés del público en el desarrollo de computadoras ópticas y la biométrica óptica es aplicada en la seguri-dad de equipo, documentos oficiales y en transacciones financieras.

2.2 Temas de investigación

En la revisión bibliográfica de las principales líneas de investigación dirigidas por los Centros de Investigación de las universidades de mayor prestigio en Estados Unidos, América Latina, Europa y Asia encontramos los siguientes temas:

Tabla 2.2 Temas de Investigación

Diseño genético de fibras microestructuradas

Solitones: trasmisión de señales ópticas mediante pulsos de luz

Sistemas fotónicos no-lineales

Sensores ópticos aplicados al medio ambiente y medicina

Arquitectura de redes de comunicación mediante sistemas ópticos

Fibra óptica microestructurada con polímeros (mpof)

Fibra fotónica cristalina de silica y nanofotónica

Estudios de plasmones en nanopartículas metálicas

Retinas electrónicas



En México existen centros de investigación que se han enfocado durante varios años en el desarrollo de este campo, como son: El Instituto de Astronomía de la UNAM; el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (inaoe); el Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada (cicese); el Centro de Investigación Óptica A.C. (cio); Centro de Electrónica y Telecomunicaciones (itesm campus Monterrey) y El Centro de Óptica (itesm campus Monterrey), entre otros.

En empresas líderes en el ramo los proyectos en el área de los sistemas ópticos son:

Tabla 2.3 Proyectos en el área de sistemas ópticos



Componentes de alta velocidad de semiconductores electrónicos (investigaciones para explorar el límite superior de los nuevos dispositivos electrónicos)

Radios Cognitivos Inteligentes (ICR siglás en inglés) que utilizan sistemas híbridos de eficiencia energética

Redes de IP de siguiente generación (IRIS)

Nuevas arquitecturas para aumentar la capacidad de las redes de comunicación Quantum

Integración de estructuras ópticas micro-mecánicas de control electrónico lógico

Redes ultra largas Haul Mesh

Monitoreo de rendimiento óptico

Fibras de amplificadores paramétricos

Ruteo de datos ópticos basado en técnicas de lógica fotónica

Procesadores integrados de señales optoelectrónicas, a través de un modulador fotónico de vectores

Chips integrados con silicón

2.3 Tecnologías existentes

Las tecnologías existentes que impulsan el desarrollo de la megatendencia, para la opti-mización en la transmisión de datos, así como para el aumento y mejora de los productos

Telescopio Interferométrico

Circuitos ópticos integrados y micro-nano estructuras

Memorias y regeneradores ópticas

Formatos de modulación del alta eficiencia espectral

Sistema ultrarrápido de monitoreo de redes multicanal para redes transparentes

Seguridad y confiabilidad en redes transparentes

Materiales ópticos para espacio

Nanotecnología en sensores

Redes ópticas de acceso y para señales de radio sobre fibra

Arquitectura de cross-conectores y enrutadores ópticos y switches

Métodos no invasivos para tratar desórdenes espinales



Tabla 2.4 Haces de luz y medios de transmisión

Haces de luz y medios de transmisión

Redes de difracción sobre fibra óptica

Barrido láser

Diodos de emisión de luz orgánica (oled)

División de longitud de onda

Fases de arreglos multiantenas

Fibra de vidrio, filamentos plásticos y dispersión desplazada

Filtros óptico-reflectivos

Láseres de CO2, gas, materiales activos, infrarrojos, fibra óptica, tres puntos, inyección, alta y baja potencia

Lentes esferocilíndricas

Luz polarizada elíptica

Materiales ópticos de interacción orgánica y para lentes

Modulación de frecuencia óptica

Recubrimientos antirreflejantes

Refracción infrarroja

Semiconductores

Sensores de fibra óptica, láser, ópticos y multi-gigabyte

Técnicas de caracterización experimental de amplificadores

Técnicas ópticas no lineales

Tecnologías de atenuación y dispersión

Tecnologías de sistemas guiados

existentes en las áreas de aplicación, se agrupan en dos categorías: la primera son los haces de luz y medios de transmisión (láseres, sensores y emisores) y la segunda son los decodificadores de las señales ópticas.


Tabla 2.5 Decodificadores

Decodificadores

Técnicas de inversión espectral

Análisis multiespectral, corrección geométrica, fotogrametría

Antenas ópticas que superan el límite de difracción actual

Cámaras térmicas de infrarrojos

ccd (dispositivos de carga acoplada)

Conjugadores ópticos




Tabla 2.6 Tecnologías emergentes que impulsa las megatendencias

Decodificadores

Diseño de estabilización acelerada

Enlaces óptico-atmosféricos

Espejos líquidos o sólidos

Fotodetectores de alta velocidad

Frecuencia de suma

Iluminación estructurada (3d-sim)

Imágenes hiperespectrales y moleculares

Interferometría holográfica y holografías

Medición por haz de luz

Redes ópticas pasivas (pon)

Tecnologías para metrología óptica

Biosensores ópticos

Diodos de bombeo de estado sólido (dpss) y diodos transparente de emisión de luz orgánica (toled)

Reflectometría óptica de baja coherencia

Láseres de silicio híbrido

Proyección de franjas cohesión (lebs) y espectroscopía elástica de luz dispersa de cuatro dimensiones (4d-elf)

Puntos cuánticos (quantum dots)

Opto-electro-mecánica

Óptica de no contacto

Interferometría backscatter (bsi)

Fibra ax (fttx)

2.4 Tecnologías emergentes

Las tecnologías emergentes, se definen como innovaciones científicas que pueden crear una nueva industria o transformar una existente. Incluyen tecnologías discontinuas deri-vadas de innovaciones radicales, así como tecnologías más evolucionadas formadas a raíz de la convergencia de ramas de investigación antes separadas. Cada una de estas tecnologías ofrece una rica gama de retos y oportunidades de mercado y retos a un futu-ro que proporcionan el incentivo para realizar inversiones de riesgo. Algunas tecnologías emergentes que impulsan la megatendencia son:




Espectroscopía retrodispersa mejorada de baja

Plasmones

2.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios más relevantes para esta megatendencia se gene-raron en el campo de la electrónica y computación, telecomunicaciones, procesos co-merciales e industriales, medicina, optometría, fotografía y procesamiento de imágenes y en pantallas y dispositivos de iluminación. A continuación se presentan dichos productos y servicios clasificados por su área de aplicación.

2.5 Productos y Servicios

Tabla 2.7 Electrónica y Computación

Electrónica y Computación

Computadoras ópticas

dvd con capacidad de almacenamiento masivo (mayor a 1tb)

Micro-componentes ópticos

Transistores

Dispositivos optoelectrónicos

Componentes fotónicos integrados

Controles ópticos inalámbricos en entretenimiento


Tabla 2.8 Telecomunicaciones

Telecomunicaciones

Amplificadores ópticos dopados con erbio Televisión digital

Amplificadores y láseres de fibra óptica o guía óptica integrada

Instrumentos de conmutación óptica a través de moems (sistemas micro opto electro mecánicos).

Embudos fotónicos Técnicas de caracterización experimental de fibras

Sistemas multiplex ópticosCables para trenzado de fibra óptica, cables coaxiales de fibra óptica y fibras ópticas de cristal



Tabla 2.9 Procesos Comerciales e Industriales

Tabla 2.10 Medicina


Procesos Comerciales e Industriales

Modelos teóricos para optimizar el diseño de láseres

Servicios de entrenamiento para uso, mantenimiento y manejo de láseres

Sistemas de seguridad en contra de la falsificación de billetes

Sistemas de ayuda al conductor en condiciones de baja visibilidad

Satélites, aviones y misiles teledirigidos

Láseres de: carbono para aplicaciones industriales (corte, soldadura, plaqueado, endurecimiento), de diodos, de alta potencia para aplicaciones industriales (calentar, fundir, detectar defectos, tensiones residuales y evaluar propiedades mecánicas).

Detectores de grietas en deposiciones realizadas sobre metales con láser de potencia; y de corrosión.

Estudios comparativos del comportamiento térmico-dinámico de equipos auxiliares de iluminación

Filtros dicroicos

Lentes esféricos, y prismáticos.

Fibroscopios

Servicios de elaboración de medidas geodésicas

Sensores interferométricos para la determinación de vibraciones y desplazamientos en rangos micro y sub-micrométricos; de láseres para control de niveles; y ópticos de proximidad y movimiento

Servicios de caracterización del comportamiento mecánico y térmico de sólidos y fluidos

Medicina

Instrumentos de: neutralización y extirpación de células cancerígenas; para cauterización; y cortar tejido.

Detectores ópticos de tumores; y de cáncer de páncreas en etapas tempranas.

Diagnóstico de infección de hepatitis g

Microscopios 3d, cars (Coherent Anti-strokes Raman Scattering).

Telecomunicaciones

Compensadores de dispersión

Servicios de instalación y mantenimiento de redes ópticas de gran ancho de banda como fibra a la casa, fibra al edificio y redes metropolitanas

Soluciones de acceso óptico a redes

Equipos de comunicación y redes para sistemas multi-gigabyte

Fibra óptica para envío y recepción de señales, y transmisión de datos por Internet




Medicina

Dispositivos portátiles de endoscopía

Tomógrafos de óptica coherente y tomógrafías computarizadas de retina

Cápsulas endoscópicas

Lámparas de hendidura para aplicaciones oftalmológicas

Cirugías para corrección de miopía, hipermetropía y astigmatismo

Tratamientos correctivos de las cataratas

Monitores de la interacción de medicamentos experimentales en el cuerpo humano

Lentes bifocales, de contacto, y intraoculares,

Biosensores para la detección de: agentes contaminantes en ataques químicos o bacteriológicos; enfermedades infecciosas como hepatitis o sida y de sustancias nocivas como la salmonella

Depilación estética y dermoabrasión



Optometría

Lensómetros

Optómetros

Inclinómetros ópticos

Servicios de cálculo de medición de la distancia entre la tierra y los astros, y de medición de la velocidad de la luz

Telescopios reflectores, refractores y catadióptricos

Queratómetros

Refractómetros

Medidores ópticos de superficies

Detectores de: contaminación atmosférica, movimientos de la corteza terrestre

Tabla 2.11 Optometría


Tabla 2.12 Fotografía y Procesamiento de Imágenes

Fotografía y Procesamiento de Imágenes

Sistemas de meteorológicos ópticos

Servicios de análisis epidemiológico satelital en la agricultura

Cámaras digitales ccd

Modeladores digitales de elevación

Clasificadores de imágenes satelitales (gis & wis)

Mosaicos digitales




Tabla 2.13 Pantallas y Dispositivos de Iluminación

Pantallas y Dispositivos de Iluminación

Pantallas: transparentes, de televisión y de dispositivos portátiles (laptops, celulares, pda’s y lentes ).

Dispositivos: de iluminación de muy alta definición (qd-led)T

Micropantallas digitales de alta resolución (lentes traductores de señales acústicas para personas con sordera)

2.5.2 Proyectos de InversiónLos proyectos que a continuación se presentan, son proyectos relacionados con los sis-temas ópticos y se encuentran en la lista de proyectos que ya tienen una fuente de finan-ciamiento definida de acuerdo a la información generada por PricewaterhouseCoopers y la Asociación Nacional de Capital de Riesgo (National Venture Capital Association) en Estados Unidos para el año 2007:

Inversión en el diseño de: • Pantallas con tecnología óptica para usarse en dispositivos portátiles como palm,

blackberry y handheld; • Redes ópticas de mayor ancho de banda y mayor velocidad de transmisión; • Software para proveedores de telecomunicaciones; • Sistemas de apoyo en conmutación óptica; • Componentes basados en fibra de vidrio, para aplicaciones médicas por ejemplo

a través de nanopartículas y plasmones en el diagnósticos y tratamiento de enfermedades en la espina dorsal;

• Componentes fotónicos; • Sistemas de visión para vigilancia, exploración y seguridad; • Láseres para instrumentos quirúrgicos, laparosópicos y de cirugías oculares; • Sistemas de imagenología médica hiperespectral; • Holografías; • Configuraciones ópticas que pueden ser aplicadas a “grating” y “slit”; • De diódos de emisión de luz (led) en la industria automotriz; • Enlaces óptico-atmosféricos entre una estación aérea y otra terrestre, para

servicios de vigilancia contra incendios, globos dirigibles que supervisen una zona determinada y manden información a través de un enlace óptico a una estación terrestre. El siguiente paso será a largar distancias de 2 a 20 kilómetros; dispositivos orgánicos, que le permite asimilar los nuevos retos: pantallas flexibles, biosensores, aprovechamiento de nuevos materiales de síntesis orgánica y nano-aplicaciones orgánicas.



2.6 Taxonomía

Una manera muy útil de poder identificar los elementos que componen una megatenden-cia es a través de la siguiente taxonomía.

Esta taxonomía interrelaciona las áreas en que se aplica la megatendencia con las tecnologías y los productos y servicios resultantes de la aplicación de estas tecnologías. De esta manera la taxonomía nos ayuda a mapear el desarrollo de la megatendencia y su relación con productos y servicios existentes que están en proceso de consolidación.

Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios

Electrónica y computación

Computación y almacenamiento óptico

FotónicaComputadoras ópticas

Refracción infrarroja

Antena óptica que supera el límite de difracción actual

dvd con capacidad de almacenamiento masivo (mayor a1tb)

Equipo electrónico óptico

Láser infrarrojoMicro-componentes ópticos

Sensor óptico

Antena ópticaControles ópticos inalámbricos en entretenimiento

Fotodetector de alta velocidad Transistores

Espejo líquido Dispositivos optoelectrónicos

Reflectometría óptica de baja coherencia. láser de silicio híbrido

Componentes fotónicos integrados

Telecomunicaciones Amplificación y modificación de señal

Láser de fibra ópticaAmplificadores y láseres de fibra óptica o guía óptica integrada

Refracción infrarroja Embudos fotónicos

División de longitud de ondaSistemas multiplex ópticosFases de arreglos

multiantenas

Técnicas de caracterización experimental de amplificadores

Amplificadores ópticos dopados con erbio

Fibras de dispersión desplazada Compensadores de

dispersiónRedes de difracción sobre fibra óptica

Tabla 2.14 Taxonomía




Telecomunicaciones

Amplificación y modificación de señal

Modulación de frecuencia óptica

Compensadores de dispersión

Técnica de inversión espectral

Construcción del conjugador óptico

Envío y recepción de datos

Red óptica pasiva (pon)Soluciones de acceso óptico a redes

Fibra ax (fttx)

Tecnología de atenuación Fibra óptica para envío y recepción de señalesTecnología de dispersión

Triple play Televisión digital

Triple playFibra óptica para transmisión de datos por internet

Opto-electro-mecanica

Instrumentos de conmutación óptica a través de moems (sistemas micro opto electro mecánicos)

Fibra de vidrio Técnicas de caracterización experimental de fibras

Fibra de vidrio Cables para trenzado de fibra óptica, cables coaxiales de fibra óptica y fibras ópticas de cristal

Filamentos plásticos

Sistemas multi-gigabyte

Servicio de instalación y mantenimiento de redes ópticas de gran ancho de banda como fibra a la casa, fibra al edificio y redes metropolitanas

Sistemas multi-gigabyteEquipos de comunicación y redes para sistemas multi-gigabyte

Procesos comerciales e industriales

Educación Capacitación

Modelos teóricos para optimizar el diseño de láseres

Servicios de entrenamiento para uso, mantenimiento y manejo de láseres

Láser comercial HolografíaSistemas de seguridad en contra de la falsificación de billetes





Láser comercial

Tecnología para metrología óptica

Caracterización del comportamiento mecánico y térmico de sólidos y fluidos

Medición por haz de luz Elaboración de medidas geodésicas

Cámara térmica de infrarrojosSistemas de ayuda al conductor en condiciones de baja visibilidad

Tecnología de sistemas guiados

Satélites, aviones y misiles teledirigidos

Láser industrial

Láser co2

Láseres de carbono para aplicaciones industriales (corte, soldadura, plaqueado, endurecimiento)

Láser de alta potencia

Láseres de alta potencia para aplicaciones industriales (calentar, fundir, detectar defectos, tensiones residuales y evaluar propiedades mecánicas)

Láser de inyecciónLáseres de diodos

Semiconductores

Interferometría holográfica

Detección de grietas en deposiciones realizadas sobre metales con láser de potencia

Interferometría holográfica

Estudios comparativos del comportamiento térmico-dinámico de partes de núcleos debalastos para equipos auxiliares de iluminación cortados con prensa de corte rápido o láser de potencia

Espectroscopía óptica Detectores de corrosión

Lentes y filtros industriales

Filtros óptico-reflectivos filtros dicroicos

Tratamientos hidrofóbicos lentes esféricos

Lentes de policarbonatos lentes prismáticos

Fibra óptica Fibroscopios

Sensores ópticos industriales Sensores de fibra óptica

Sensores interferométricos para determinación de vibraciones y desplazamientos en rangos micro y sub-micrométrico





Sensores ópticos industriales

Sensores de láser Sensores láseres para control de niveles

Sensores ópticosSensores ópticos de proximidad y movimientoCámaras térmicas de

infrarrojos

Medicina

Cirugías con instrumentos ópticos

Láseres de baja potenciaInstrumentos de neutralización y extirpación de células cancerígenas

Láseres de baja potencia Instrumentos para cortar tejido

Láseres de baja potencia Instrumentos para cauterización

Diagnóstico de enfermedades

Plasmones Detectores ópticos de tumores

Espectroscopía de plasmones

Instrumentos de diagnóstico de infección de hepatitis g

Espectroscopía elástica de luz dispersa de cuatro dimensiones (4d-elf)

Detección temprana de cáncer de páncreas

Espectroscopía retrodispersa mejorada de baja cohesión (lebs)

Detección temprana de cáncer de páncreas

Frecuencias de sumaMicroscopios cars (coherent anti-strokes raman scattering)

Técnicas ópticas no linealesMicroscopios cars (coherent anti-strokes raman scattering)

Imagenología médica

Comunicación óptica Dispositivos portátiles de endoscopía

Barrido láser Tomógrafos de óptica coherente

Comunicación óptica Cápsulas endoscópicas

Imágenes moleculares

Herramientas para visualizar la interacción de medicamentos experimentales en el cuerpo humano

Iluminación estructurada (3d-sim) Microscopios 3d

Oftalmología Tecnologías de estado sólido de bombeo de diodo (dpss)

Lámparas de hendidura para aplicaciones oftalmológicas




Medicina

Oftalmología

Barrido láser Tomógrafo para análisis computarizado de retina

Láser de gas (excimer)Cirugías para corrección de miopía, hipermetropía y astigmatismo

Interferometría backscatter (bsi)

Tratamientos correctivo de las cataratas

Materiales ópticos de interacción orgánica Lentes intraoculares

Recubrimientos antirreflejantes Lentes bifocales

Diseño de estabilización acelerada Lentes de contacto

Tratamiento dermatológico Láseres de material activo Depilación estética y

dermoabrasión

Biosensores

Biosensores ópticos

Biosensores para la detección de agentes contaminantes en ataques químicos o bacteriológicos

Biosensores ópticosBiosensores para la detección de enfermedades infecciosas como hepatitis o sida

Biosensores ópticosBiosensores para la detección de sustancias nocivas como la salmonella

Optometría

Instrumento de medición oftalmológico

Láseres de 3 puntos Lensómetros

Reflexión de la luz Queratómetros

Reflexión de la luz Optómetros

Instrumento de medición para laboratorio Reflexión de la luz Refractómetros

Instrumento de medición para construcción e ingeniería civil

Óptica de no contacto Inclinómetros ópticos

Proyección de franjas Medidores ópticos de superficies

Medición astronómica

Tecnologías para el conocimiento de los cambios terrestres y atmosféricos

Medición de la distancia entre la tierra y los astros


Medición de la velocidad de la luz


Detección de movimientos de la corteza terrestre




Optometría

Análisis para la toma de decisiones


Detección de contaminación atmosférica

Lentes de uso astronómico

Espejos sólidos o con aleación de materiales líquidos

Telescopios catadióptricos


Telescopio reflector


Telescopio refractor

Fotografía y procesamiento de imágenes

Análisis para la toma de decisiones

Enlaces óptico-atmosféricos Sistemas meteorológicos ópticos

Imágenes hiperespectralesServicios de ánalisis epidemiológico satelital en la agricultura

Fotografía digital Dispositivo de carga acoplada (ccd) Cámaras digitales ccd

Geodesia


Herramientas de clasificación de imágenes satelitales (gis & wis)


Herramientas elaboración de modelos digitales de elevación


Mosaicos digitales

Pantallas y dispositivos de iluminación

Displays ópticos

Luz polarizada elípticaPantallas para dispositivos portátiles (laptops, celulares, pda’s y lentes )

Fotónica

Micropantallas digital de alta resolución (lentes traductores de señales acústicas para personas con sordera)

Diodo transparente de emisión de luz orgánica (toled )

Pantallas transparentes

Diodo de emisión de luz orgánica (oled) Pantallas de televisión

Iluminación de baja energía

Puntos cuánticos (quantum dots)

Dispositivos de iluminación de muy alta definición (qd-led)


Biotecnología agrícola

3Horacio Cardiel

Gerardo Montejano

3.1.1 DefiniciónLa biotecnología es una ciencia multidisciplinaria que utiliza organismos vi-vos y/o sus componentes y/o metabolitos para desarrollar o modificar pro-ductos alimenticios, químicos y farmacológicos para mejorar su utilidad y aplicabilidad; mejorar plantas y animales para incrementar su resistencia a factores adversos o aumentar su rendimiento y productividad; desarro-llar métodos de biorremediación ambiental; o desarrollar microorganismos para usos específicos. Su objetivo es el desarrollo de bienes y servicios de amplia utilidad.

3.1.2 DetonadoresAunque la biotecnología ha existido desde tiempos remotos y muchos de sus principios y técnicas se remontan a los inicios de la historia registrada, se puede considerar que en los últimos veinte años es cuando surge la biotec-nología moderna (como se le conoce en la actualidad) a raíz del desarrollo de técnicas de manipulación del adn y sus genes (adn recombinante) y la expansión de la ingeniería genética.

Los siguientes cambios constituyen a su vez el motor que promueve y demanda avances de la biotecnología y otras áreas relacionadas; es decir, este conjunto representa la demanda para nuevos desarrollos por parte del sector científico:a) Estilo de vida actual y avances en la ingeniería de alimentosb) Demanda creciente de alimentos debido al crecimiento poblacional

3.1 Descripción


CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA

c) Avances en el conocimiento de la entomología y la genética de las plantas d) Aumento en las expectativas en la calidad de vidae) Cambios en ciclos climatológicos, aunados a una disminución de la superficie

agrícolaf) Cambios en estilos de vida, dietas y abusos de la medicina tradicional (mutaciones

biológicas de micro-organismos patógenos). Avances en el entendimiento de la acción de los fármacos.

g) Abuso en el uso de agentes químicos sintéticos con efectos tóxicos, nocivos a la persona y dañinos al medio ambiente.

h) Avance en los métodos de extracción y purificación de sustancias químicas naturales con acciones específicas.

i) Externalidades en los procesos productivos (producción no deseada de sustancias contaminantes el medio ambiente).

j) Demanda creciente de alimentos de alto valor nutritivo. k) Desarrollo de tecnologías de producción en ambientes controlados.

3.1.3 Comportamientos tecnológicosAlgunas de las áreas de la biotecnología moderna incluyen el empleo de proteínas y enzimas codificadas por los genes de diversos organismos vivos (proteómica), así como el uso de microorganismos en un amplio rango de aplicaciones tales como: producción de alimentos, procesamiento de los mismos, remediación de ambientes contaminados y manejo de desechos, mejora de suelos, cruza y producción animal, productos farma-céuticos y procedimientos médicos.

Algunas de las evidencias del impacto que esta megatendencia tiene en la sociedad son las siguientes: el consumidor actual demanda alimentos que además de satisfacer sus necesidades y gustos básicos, le suministren compo-nentes bioactivos con algún beneficio tangible. Tal es el caso de los alimentos “anticolesterolémicos” que reducen los niveles de colesterol presentes en el organismo.

Por otro lado, en la producción agrícola, se observa en algunos sectores, una mayor aceptación de cultivos transgénicos como algodón y soya con el fin de incrementar la productividad y por ende, el volumen de producción. A este respecto, de acuerdo a in-formación de la organización Tech Cast, Argentina es considerado el segundo productor de cultivos transgénicos del mundo, con más de 19 millones de hectáreas destinadas al cultivo de soya, maíz y algodón. (TechCast, 2008)

En México, actualmente existe una moratoria para el cultivo de maíz transgénico; sin embargo el país ocupa el treceavo lugar mundial en la producción de algodón y soya transgénica.

En el área de la salud, se observa el aumento en el número de mujeres que al dar a luz contratan el servicio de depósito del cordón umbilical -como fuente de células madre



embrionarias- para tratar posibles enfermedades degenerativas en su hijo(a) tales como cáncer, diabetes o Parkinson en el futuro.

En el ámbito industrial, se están remplazando sustancias químico-sintéticas por materia-les biológicos amigables con el ser humano y el medio ambiente. Tal es el caso de colorantes, productos de belleza y cosméticos en general. Aunado a esto, se observa un aumento en la responsabilidad por parte de las empresas por cuidar el medio ambiente al utilizar tecnologías de bio-tratamiento de sus efluentes (uso de biodigestores por ejemplo).

Por último, se conoce del empleo de tecnologías de biorremediación (usando micro-organismos o plantas) para la recuperación de suelos y mantos acuíferos por parte de diversos organismos públicos en el mundo.


En todas estas líneas se encuentra el involucramiento del sector científico, el sector públi-co y el sector privado. El primero juega el papel de generador de nuevas ideas, aunque en muchos casos no existe una vinculación directa con los otros dos sectores resultando que muchos proyectos potencialmente exitosos queden en publicaciones y presenta-ciones científicas sin llegar a convertirse en productos comerciales. El sector privado se encuentra a la búsqueda de oportunidades de inversión por lo cual su principal papel sería el del financiamiento de estos desarrollos. No obstante, en muchas ocasiones se vuelve el promotor de una nueva idea posiblemente gracias a la necesidad de solucionar problemas específicos. Por ejemplo, se conoce en México de la existencia de varios ali-mentos funcionales a base de amaranto. Sin embargo, estos no se pueden comercializar masivamente debido a la carencia de las técnicas y equipos que permitan la mecaniza-ción de su cultivo y procesamiento.

El sector público por su parte, dispone de recursos para apoyar la investigación científica y tecnológica buscando un usuario final del desarrollo obtenido. Además tiene la difícil tarea de emitir leyes acordes a los requerimientos de la población y los avances científicos.

Algunas de las disciplinas del conocimiento más importantes de la biotecnología a nivel general son:

Dentro de los temas de investigación que generan un mayor impacto en la evolución de la megatendencia se encuentran:

Tabla 3.1 Disciplinas del conocimiento

Bionanotecnología

Nutrigenómica

Farmacogenética

Medicina genómica



Tabla 3.2 Temas de investigación

Tabla 3.3 Áreas de Investigación



Una de las mayores empresas en el área de biotecnología agrícola es Monsanto, ellos tienen definidas las siguientes áreas de investigación

Granos para cultivo

Calidad de los granos

Tolerancia al estrés del medioambiente

Control de plagas

Tolerancia a herbicidas

Resistencia a enfermedades

Resistencia a enfermedades

Mejora de lípidos (por ejemplo en la composición de los ácidos grasos)


Agrobiotecnología

Biotecnología alimenticia

Genómica y proteómica

Biocombustibles

Bionanotecnología

Química molecular

Bio-remediación

Microbiología

Bioinformática

Bioingeniería

Tabla 3.1 Disciplinas del conocimiento

Bioenergética

Proteómica

Bio-remediación con microorganismos

Optimización de bioprocesos y bioingeniería



Tabla 3.4 Áreas de Investigación



Algunas de las tecnologías existentes relevantes para la megatendencia se refieren a las tecnolo-gías para la manipulación genética, para la identificación de nuevos usos de microorganismos, para la modificación de las propiedades de alimentos y para el análisis y aplicación de las moléculas.

Manipulación Genética

Amplificación de adn in vitro por pcr (Polymerase Chain Reaction)

Análisis comparativo genotípico

Análisis de cariotipos y germoplasma

Manejo y mejora de proteínas

Compuestos bio-activos

Tabla 3.5 Microorganismos

Tabla 3.6 Análisis y aplicación molecular

Microorganismos

Caracterización bioquímica microbial y de macrófitos

Identificación de nucleopoliedrovirus



Análisis y aplicación molecular

Marcadores moleculares

Tratamiento de biomasa

Tabla 3.7 Modificación de las propiedades de alimentos

Modificación de las propiedades de alimentos

Agentes bioactivos

Bacterias para la fermentación láctea

Caracterización de la flora levaduriforme

Conservación en papel gaceta

Supresión o sobre-exposición de carbohidratos y de enzimas metabólicas

Desnaturalización de enzimas

Fermentación de biomasa

Fortificación y liofilización



Tabla 3.8 Tecnologías Emergentes



El mercado biotecnológico en el sector de la salud se caracteriza por empresas muy espe-cializadas en su ramo (productos) y por la falta de competencia ya que los desarrollos son de muy largo plazo y costosos y entonces los inversionistas buscan nichos muy exclusivos y se adhieren a desarrollos científicos y patentes que garanticen un retorno alto a su esfuerzos.

En otros sectores como el alimentario, cosmético e industrial es factible aprovechar las tecnologías emergentes para hacer adaptaciones bio-activas al producto que son de me-diano e inclusive corto plazo y que deben pasar la prueba de aceptación por parte del con-sumidor en los mercados para considerarse exitosas y promotoras de otros desarrollos.

Dentro de las tecnologías emergentes se encuentran:

adn recombinante

Conteo cromosómico

Análisis genético de células y de marcadores moleculares

Genética molecular

Hibridación de impresiones e introgresiva

Introgresión génica

Mejora en plantas recolectoras de minerales (Phytomining)

Expresión heteróloga de hidrólisis de glycosil

3.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios representativos se encuentran en las áreas de orga-nismos genéticamente modificados (omg), biorremediación, educación, nutrigenómica,medicina y en biocombustibles. Ejemplos de ellos son los siguientes:

Tabla 3.7 Modificación de las propiedades de alimentos

Modificación de las propiedades de alimentos

Producción de lactobacilos bulgaricus


3.5 Productos y servicios



Tabla 3.9 Organismos genéticamente modificados

Tabla 3.10 Biorremediación



Organismos genéticamente modificados

Semillas mejoradas genéticamente (resistentes a herbicidas, plagas y demás elementos patógenos), con tolerancia a la toxicidad del aluminio y seleccionadas genéticamente entre variedades de un cultivo

Bioinsecticidas basados en la selección de cepas microbianas

Aguacates resistentes al hongo phytophthora

Henequén mejorado genéticamente para mayor resistencia de sus fibras

Gusanos modificados genéticamente para lumbricultura

Biorremediación

Servicio de remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos de cuerpos de agua contaminados

Plantas que absorben metales pesados y elementos tóxicos del suelo

Tabla 3.12 Nutrigenómica y medicina

Nutrigenómica y medicina

Alimentos con: prebióticos y probióticos naturales para la eliminación de antibióticos en producción pecuaria y con enzimas para ganado para aumentar su calidad nutricional

Servicios de: nutrición personalizada, autenticación de fitofármacos, determinación de la pureza de fitofármacos y de detección de conservadores de origen vegetal

Frutas listas para comerse o cortadas con periodos más largos antes de la descomposición

Alimentos con contenido nutricional mejorado y que transportan medicamentos

Medicamentos herbales

Alimentos con péptidos con funciones anti-microbiales, inmunomoduladores, antitrombóticas, de transporte de minerales, para disminuir la presión sanguínea, para combatir la desnutrición severa y para combatir la obesidad

Cepas de microorganismos seleccionadas para la fermentación en la industria cervecera, vinícola, de bebidas fermentadas y panificación

Plantas de cempasúchil sobreproductoras de carotenos para uso como antioxidante y colorante vegetal

Forrajes mejorados genéticamente

Tabla 3.11 Educación


Educación

Cursos y campañas informativas sobre los productos biotecnológicos




Tabla 3.13 Biocombustibles


Biocombustibles

Bioetanol, biodiesel y biomasa

3.5.2 Proyectos de inversiónLos avances en el conocimiento biotecnológico han permitido acortar los tiempos del lanzamiento de un producto a partir de su fase de investigación por lo cual en la actuali-dad se puede pensar en términos de inversión en el mediano y largo plazo, sin embargo el riesgo en ambos casos sigue presente. Se considera que ha habido cierto abuso de la mercadotecnia y publicidad de estos productos con promesas difícilmente com-probables. Esto ha originado la falta de credibilidad por parte del consumidor a pesar de que si existen cosméticos y productos alimenticios que efectivamente incorporan agentes bioactivos benéficos al ser humano. Por otro lado, la estabilidad económica y regulaciones de los países son un factor trascendente para que la iniciativa privada invierta en estos desarrollos que aunque riesgosos, pueden resultar en productos alta-mente lucrativos.

La biotecnología moderna incluye diferentes áreas dentro de las cuales se están de-sarrollando proyectos que se consideran atractivos tanto social como económicamente y lógicamente prioritarios. No obstante, existen ciertos productos que podrían clasificarse dentro de dos o más áreas de la biotecnología. Ejemplo de esto es un alimento anti-cancerígeno que podría estar dentro del área de alimentos nutraceúticos pero a la vez forma parte del área de la salud. Es difícil priorizar los proyectos ya que sin duda aquellos que evitan la pérdida de vida o contribuyen a la mejora de su calidad han atraído más atención a nivel mundial. Por otro lado, el mercado de cosméticos y alimentos con agen-tes bio-activos está mostrando una expansión significativa.

Las áreas más atractivas donde se localizan los fondos de inversión son: a) Pesticidas amigables con el medio ambiente/ agrobiotecnologíab) Enzimología aplicada a la industria alimentaria/ biotecnología alimentaria c) Secuenciación de mapas genómicos en seres vivos/ Genómica d) Estudio de la expresión de genes específicos con fines terapeúticos, preventivos y

alimentarios/ Proteómicae) Fármacos con acción específica y dirigida para la prevención y o tratamiento de la

diabetes y el cáncer/ Biotecnología farmacéuticaf) Análisis y diagnósticos moleculares para la prevención y tratamiento de

enfermedades/ Biotecnología médica g) Desarrollo de combustibles derivados de materiales biológicos/ biocombustiblesh) Desarrollo de compuestos antibacterianos naturales para combatir microorganismos

patógenos resistentes a los fármacos tradicionales / Microbiología



i) Desarrollo de agentes moleculares con propiedades específicas para el desarrollo de productos de consumo general amigables con el medio ambiente/ Química molecula

j) Empleo de microorganismos cuyos metabolitos regeneran suelos para cultivo/ Bio-remediación

k) Diseño de herramientas computacionales para la secuenciación de mapas genómicos/ Bioinformática

l) Nanosistemas para suministrar farmacéuticos específicos en órganos dañados/ Bionanotecnología

3.6 Taxonomía

Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios


Insecticidas y fertilizantes

Caracterización bioquímica microbial Bioinsecticidas basados

en la selección de cepas microbianasIdentificación de

nucleopoliedrovirus


Semillas modificadas genéticamente

adn recombinante

Henequén mejorado genéticamente para mayor resistencia de sus fibras

Semillas mejoradas genéticamente (resistentes a herbicidas, plagas y demás elementos patógenos)

Semillas con tolerancia a la toxicidad del aluminio

Hibridización introgresiva Semillas con tolerancia a la toxicidad del aluminio

Análisis comparativo genotípico

Semillas seleccionadas genéticamente entre variedades de un cultivoAnálisis de cariotipos

Análisis de germoplasma Aguacates resistentes al hongo phytophthora

Tratamiento de suelo para uso agrícola adn recombinante

Gusanos modificados genéticamente para lumbricultura

Biorremediación Recuperación de cuerpos de agua

Caracterización biológica de macrófitas

Servicios de remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos de cuerpos de agua contaminados





Educación

Recuperación de suelos Plantas recolectoras de minerales (phytomining)

Plantas que absorben metales pesados y elementos tóxicos del suelo

Promoción del áreaMétodos de enseñanza Cursos y campañas

informativas sobre los productos biotecnológicosTécnicas de mercadotecnia


Alimentos para consumo animal

Liofilización

Alimentos con prebióticos y probióticos naturales para la eliminación de antibióticos en producción pecuaria

Conservación en papel gaceta

Producción de lactobacilos bulgaricus

Desnaturalización de enzimas

Alimentos con enzimas para ganado para aumentar su calidad nutricional

Fermentación en medio sólido

adn recombinante

Genética molecular Forrajes mejorado genéticamente


Agentes bioactivos Alimentos con contenido nutricional mejorado

Bacterias para la fermentación láctea

Péptidos con funciones antimicrobiales

Péptidos con funciones inmunomoduladoras

Péptidos con funciones antitrombóticas

Péptidos con funciones de transporte de minerales

Péptidos para disminuir la presión sanguínea

Fortificación Alimentos pediátricos para combatir la desnutrición severa

Agentes bioactivos

Alimentos para combatir la obesidad

Alimentos que transportan medicamentos

Supresión o sobre-exposición de carbohidratos de la pared celular

Frutas listas para comerse o cortadas con periodos más largos antes de la descomposición

Supresión o sobre-exposición de enzimas metabólicas de las membranas de fosfolípidos





Introgresión génica

Plantas de cempasúchil sobreproductoras de carotenos para uso como antoxidante y colorante vegetal

Análisis de componentes de alimentos

Marcadores moleculares amplificación de adn in vitro por pcr (polymerase chain reaction) Servicios de detección de

conservadores de origen vegetalMarcadores moleculares

amplificación de adn in vitro por pcr (polymerase chain reaction)

Análisis genético de marcadores moleculares

Autenticación de fitofármacos

Microorganismos industriales

Caracterización de la flora levaduriforme

Cepas de microorganismos seleccionadas para la fermentación en la industria cervecera, vinícola, de bebidas fermentadas y panificación

Análisis molecular

Asesoría en nutrición Agentes bioactivos Servicios de nutrición personalizada

Análisis de componentes de alimentos

Análisis genético de marcadores moleculares

Determinación de la pureza de fitofármacos

Medicamentos

Hibridación de impresiones

Medicamentos herbalesConteo cromosómico

Análisis citogenético

Biocombustibles

Procesos bioenergéticosFermentación de biomasa Bioetanol

Tratamiento de biomasa Biodiesel

Insumos para la producción de biocombustibles

Expresión heterologa de hidrólisis de glycosil BiomasaMarcadores moleculares


Biotecnología médica

4Martha Alejandra Morgado Munguía

4.1.1 DefiniciónTecnología basada en un enfoque multidisciplinario que involucra varias ciencias y disciplinas como biología, bioquímica, genética, virología y química, en convergencia con la nanotecnología, tecnología de la in-formación y el escalamiento de procesos, entre otras, con meta en la predicción, prevención y tratamiento personalizado de enfermedades, a nivel celular y molecular.

4.1.2 DetonadoresDesde los primeros experimentos de corte y empalme de genes, que dieron lugar al nacimiento de la industria de la biotecnología, se han conseguido adelantos impresionantes, con tres metas específicas: diagnóstico predic-tivo; intervenciones terapéuticas preventivas, y cuidado de la salud perso-nalizado.

Por otro lado, existen cambios científicos tecnológicos y sociales que conducen a la megatendencia en biotecnología médica. Estos pueden agru-parse en conductores demográficos, científico-tecnológicos y sociales, que están impulsando los avances tecnológicos en el cuidado de la salud, tal como se muestra en la tabla 5.1

La medicina, con la característica de su eterno dinamismo, también está animada de un movimiento de cambio, como mecanismo para poder satis-facer las aspiraciones de salud de las grandes mayorías.

Es evidente la transformación a partir del siglo xx, época en la cual la principal causa de muerte en casi todos los países cambió de diarreas e infecciones agudas en la infancia hacia enfermedades del corazón y cáncer

4.1 Descripción


CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA


Por otro lado, en Latinoamérica y el Caribe, la población de adultos mayores está creciendo a una tasa anual de 3%, comparada con una tasa de crecimiento de la po-blación anual de 1.9%. Además, la expectativa de vida al nacer se incrementará desde 51.2 años en el período 1950-1955 hasta 72.8 años en el período 2020-2025, lo que significa un incremento de 21.6 años. Esto es importante, ya que desde el punto de vista biológico, el envejecimiento es un proceso en el que a medida que avanza, aumentan gradualmente el riesgo de enfermarse y de tener dificultades funcionales.

En marzo de 2004 algo más de la mitad de todos los recién nacidos tiene una ma-dre mayor de 30 años. Esto se compara con cuatro de cada diez mujeres en 1994. Esta tendencia es coherente con las demás naciones desarrolladas. Esto genera riesgo de in-capacidad o dificultad para concebir. Este es uno de los impulsores clave de la evolución técnica en el área de reproducción asistida.

Todos estos eventos, han marcado prioridades y caminos en el área de la investiga-ción y desarrollo de nuevos tratamientos médicos.

4.1.3 Comportamientos tecnológicosLa biotecnología médica ha mejorado de manera radical los medios de diagnóstico. La reacción en cadena de la polimerasa, método para amplificar fragmentos minúsculos de adn, inicialmente descrita a mediados de los ochenta, ha sido decisiva para la in-vención de análisis de sangre que, entre otras cosas, permiten determinar rápidamente la exposición al virus de inmunodeficiencia humana (vih). La creación de anticuerpos

Conductores demográficos

Conductores científico tecnológicos Conductores de salud Tendencias de

consumo

1. Mayor esperanza de vida2. Aumento de la proporción de personas mayores en la población3. Disminución de las tasas de fecundidad y el retraso en la edad de reproducción

1. La mejora de las herramientas para la recopilación de datos 2. La mejora de los métodos de análisis de datos3. Convergencia de las disciplinas de las ciencias

1. Aumento en la tasa de incidencia de cáncer y trastornos hereditarios 2. Enfermedades relacionadas con el envejecimiento (por ejemplo, la enfermedad de Alzheimer 3. Enfermedades infecciosas (por ejemplo, sida y sars)4. Enfermedades por “estilo de vida” (por ejemplo la diabetes tipo 2 y la obesidad)

1. Libre diagnóstico y autocuidado2. El aumento del mercado de medicamentos para mejorar estilo de vida y de autodiagnóstico

Tabla 4.1 Cambios científicos, tecnológicos y sociales que conducen a la megatendencia

en edades más avanzadas de la vida. Mientras que en lo que va del siglo xxi, en México, el cáncer es la principal causa de muerte infantil, surgiendo la obesidad y la diabetes como problemas de gran impacto en toda la sociedad, aunadas a la problemática de resistencia a antibióticos y enfermedades del corazón.



monoclonales en 1975 condujo a otra revolución médica similar. El cuerpo produce nor-malmente una gran variedad de anticuerpos -proteínas del sistema inmunitario - que atacan a los microorganismos y otros invasores extraños.

Al fusionar células productoras de anticuerpos con células de mieloma, los científi-cos consiguieron generar anticuerpos que, cual “balas mágicas”, podían dirigirse a me-tas determinadas, incluidos marcadores singulares llamados antígenos, en la superficie de las células inflamatorias.

Ejemplos iniciales incluyen los anticuerpos monoclonales capaces de impedir al sis-tema inmunitario rechazar trasplantes de órganos, y el tan renombrado Herceptin, apro-bado para el tratamiento de cáncer de mama avanzado en 1988. Se han autorizado otros anticuerpos monoclonales para el tratamiento de la esclerosis múltiple y la artritis reu-matoide, y actualmente se están usando con carácter experimental en pacientes, como posibles tratamientos del asma, la enfermedad de Crohn y la distrofia muscular.

Marcados con radioisótopos u otros agentes de contraste, los anticuerpos mono-clonales pueden ayudar a descubrir la ubicación de células cancerosas, lo que permite asegurar una mayor precisión en la cirugía y la terapia de radiación y mostrar, en un plazo de 48 horas, si un tumor está respondiendo a la quimioterapia. Las proteínas también pueden descargar una dosis letal de fármacos tóxicos en las células cancerosas, sin dañar los tejidos normales contiguos.

La primera vacuna recombinante, aprobada en 1986, se obtuvo mediante la intro-ducción de un fragmento de gen del virus de hepatitis B en levadura. El fragmento fue convertido por el mecanismo genético de la levadura a un antígeno, una proteína que se encuentra en la superficie del virus que estimula la respuesta inmunitaria. De esta forma se evitó la necesidad de extraer el antígeno del suero de la persona infectada con hepatitis B.

Hoy existen más de 100 medicamentos y vacunas recombinantes. Debido a su efi-cacia, inocuidad y costo relativamente bajo, las pruebas de diagnóstico molecular y las vacunas recombinantes pueden ser de especial importancia en la lucha contra enferme-dades tradicionales de los países en desarrollo, como la leishmaniasis (infección tropical que causa fiebre y lesiones) y la malaria.

La secuencia del genoma humano, ha dado a los científicos una abundante “lista de partes”, con las que pueden entender mejor por qué y cómo se producen las enfer-medades. Ha impulsado el estudio del perfil de la expresión genética, técnica para ob-servar la expresión de miles de genes simultáneamente en una placa de cristal llamada micromatriz. Esta técnica permite predecir, en algunos casos, la agresividad del cáncer de mama.

La capacidad de asignar riesgos y respuestas a las variaciones genéticas está im-pulsando el movimiento hacia la “medicina individualizada”. El objetivo no es más que la prevención, el diagnóstico temprano y una terapia más eficaz, mediante la prescrip-



ción de intervenciones que concuerdan con determinadas características genéticas del paciente.

Dado que ahora expresan genes humanos, los animales “transgénicos” pueden es-tudiarse como modelos para el desarrollo de la diabetes, la arteriosclerosis y la enferme-dad de Alzheimer. También pueden producir grandes cantidades de proteínas humanas con potencial terapéutico. Por ejemplo, actualmente se están llevando a cabo experi-mentos en pacientes con un trombolítico recombinante, expresado en la leche de cabras transgénicas.

Otro campo que está adelantando rápidamente es el de la proteómica, que usa tecnologías como la espectrometría de masas para detectar marcadores biológicos pro-teínicos en la sangre que pueden indicar señales tempranas de enfermedades, incluso antes de que aparezcan los síntomas. Uno de estos marcadores es la proteína C reac-tiva, indicadora de cambios inflamatorios en las paredes de los vasos sanguíneos, que presagian arteriosclerosis.

Los estudios de las células madre embrionarias humanas, dirigidos a reemplazar células dañadas por diabetes, cáncer o la enfermedad de Alzheimer, han provocado una acalorada polémica en los Estados Unidos, por el temor de que este tipo de investigación exige la destrucción de vida humana en potencia. No obstante, las investigaciones avan-zan rápidamente en laboratorios financiados con fondos privados en Estados Unidos y en todo el mundo, encontrando nuevas fuentes para la purificación de dichas células. La biotecnología también está resolviendo el apremiante y creciente problema de la resis-tencia a los antibióticos.

La nanomedicina es otro campo médico que está avanzando rápidamente. Los cien-tíficos están elaborando una gran variedad de nanopartículas y nanodispositivos, de ape-nas una millonésima de pulgada de diámetro, para mejorar la detección del cáncer, forta-lecer las respuestas inmunitarias, reparar tejidos dañados y evitar la arteriosclerosis.

A principios de este año, la fda de Estados Unidos aprobó una nanopartícula ligada al medicamento contra el cáncer Taxol, para el tratamiento del cáncer de mama avan-zado. En Estados Unidos se está usando con carácter experimental otra nanopartícula en pacientes cardíacos, para mantener abiertas las arterias coronarias después de una operación de angioplastia.

Con ayuda de la bioinformática - poderosos programas de computadora capaces de analizar miles de millones de datos de la secuencia del genoma - los científicos es-tán descifrando los códigos genéticos de las bacterias y descubriendo “puntos débiles” vulnerables al ataque por componentes identificados por técnicas de análisis de alto rendimiento.

Diversos organismos internacionales han identificado el enorme potencial de im-pacto de la tecnología relacionada al proceso biológico de envejecimiento, entre ellas el Consejo de Inteligencia Nacional (National Intelligence Council, nci) de Estados Unidos. Para ellos los efectos de este desarrollo tecnológico se reflejarán en nuevas formas de



tratamiento, reducción de costos de los productos y servcios, así como la expansión de los recursos para el cuidado de la salud (nic, 2008).

En este setido será importante, a nivel social, el impacto que tienen estos avan-ces tecnológicos en las estructuras demográficas –al aumentar la esperanza de vida- y en los patrones de actividades –y consumo- de personas sanas de edad avanzada.


Los temas de investigación de mayor impacto para la megatendencia son:

Análisis de la genómica poblacional

Estudio de las enfermedades degenerativas (como diabetes o cáncer)

Aplicaciones de la protobolómica (para el tratamiento de la obesidad por ejemplo)

Enfermedades cardiovasculares, hereditarias e infecciosas

Biotecnología médica y farmacéutica

Vacunas

Investigación, desarrollo y optimización de fármacos




Las tecnologías existentes en la biotecnología médica se refieren a las herramientas de cómputo, para la obtención y manejo de la información genética, y el análisis y uso de las moléculas y proteínas.


Tabla 4.3 Herramientas de cómputo

Herramientas de cómputo

Manejo de bases de datos (árboles de decisión, sistemas expertos, redes neurales, análisis de agrupamiento (clustering), algoritmos genéticos y de inteligencia artificial teórica y reducción de dimensionalidad multifactorial)

Métodos de modelación estadística (Montecarlo, ocultos de Markov y bayesianos)






Tabla 4.4 Análisis y manejo de la información genética

Tabla 4.5 Análisis y uso de moléculas y proteínas

Tabla 4.6 Ingeniería de materiales

Análisis y manejo de la información genética

Amplificación de adn para screening a través de la reacción en cadena de polimerasa (pcr)

Arreglos y screening de polimorfismos de nucleótidos simples (snp)

Análisis serial de expresión génica (sage)

Establecimiento de perfiles genéticos

Ingeniería genética

Herramienta de búsqueda de alineación de adn local básica (blast)

Secuenciación de adn (por ejemplo por hibridación o por shotgun)

Vectores adenovirales, virales y no virales

Relación entre genotipo y fenotipo

Terapia génica

Análisis y uso de moléculas y proteínas

Espectrometría de masas por ejemplo a través de la identificación por huella peptídica

Destrucción del neurotransmisor de células colinérgicas

Caracterización de marcadores biológicos

Antígenos (generadores de anticuerpos)

Dianas terapéuticas

Chips de proteínas

Análisis de mutaciones de receptores de superficie y oncogenes

Bioluminiscencia de ATP (adenosín trifosfato)

Producción de distrofina y cardiotoxina

Degradación de Edman

Reparación molecular

Modelos animales

Ingeniería de materiales

Biopolímeros absorbibles

Manejo de biorreactores




Tabla 4.7 Como herramientas de cómputo


Dentro de las tecnologías emergentes en la megatendencia se encuentran:

Como herramientas de cómputo

La computación distribuida (grid computing)



Células modificadas genéticamente

El cultivo de células madre


Tabla 4.9 Análisis y manejo de la información genética

Análisis y manejo de la información genética

adn recombinante

Administración ex-vivo

Análisis de oligonucleótidos

Secuenciación de cadn marcado (est)

Diagnóstico genético pre-implantación (pgd)

Vacunas de adn

Clonación genética

Cromosomas humanos artificiales

Pruebas de tramo de cadena de adn (badn)

Fertilización in vitro (fiv) e inyección intra-citoplásmatica de espermatozoides (icsi)

Tabla 4.10 Análisis y uso de moléculas y proteínas



Análisis y uso de moléculas y proteínas

Técnicas para la predicción de la estructura de proteínas (casp y capri)

Selección de estructura complejas

Proteínas quinasas reguladas por mitógeno (mek)



Tabla 4.11 Bioinformática

Tabla 4.12 Tratamientos médicos personalizados



4.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios impulsados por el desarrollo tecnológico de la me-gatendencia se encuentran en el área de bioinformática, tratamientos médicos perso-nalizados, perfiles genéticos y prevención de enfermedades, y reproducción asistida. Algunos de ellos son:

Bioinformática

Software para la predicción de la estructura de las proteínas, simulación de la interacción proteína-proteína para la proteómica y el modelado de la expresión de proteínas

Software para análisis y modelación de mutaciones celulares para detección temprana de cáncer

Software para anotación y comparación de genomas

Software de análisis de secuencias genéticas, modelado de sistemas biológicos y análisis automatizado de la regulación génica de un organismo

Software para manejo y análisis de imágenes de alto rendimiento

Bases de datos compartidas de secuencias genéticas

Tratamientos médicos personalizados

Dispositivos médicos implantables en el cuerpo como mallas quirúrgicas, películas anti-adherentes, películas hemostáticas, dispositivos intra-cardiacos, stents absorbibles, ligamentos y dispositivos para la reparación de tendones, agentes de embolización y sistemas de administración de fármacos

Proteínas que transportan fármacos letales para células cancerosas exclusivamente

Terapia de reparación de tejidos dañados y contra el Alzheimer

Tratamiento molecular de diabetes y de artritis reumatoide

Biochips de transporte de información genética

Anticuerpos monoclonales para evitar rechazo en trasplante de órganos, y para tratamiento del asma, la enfermedad de crohn y la distrofia muscular

Tratamiento de hemofilia, fibrosis quística y enfermedad de Huntington

Fármacos adaptados a la condición genética de un individuo

Tratamientos contra la vejez y la degeneración muscular

Supresores genéticos de tumores




Tabla 4.13 Perfiles genéticos y prevención de enfermedades

Tabla 4.14 Reproducción asistida


Perfiles genéticos y prevención de enfermedades

Anticuerpos monoclonales con agentes de contraste para marcar células

Servicios de caracterización e identificación de proteínas

Identificadores de agentes patógenos

Proteínas para la detección temprana de arterioesclerosis

Vacuna contra la malaria y ataques biológicos

Vacunas comestibles

Reproducción asistida

Selección genética de embriones para reproducción asistida

Bebés diseñados genéticamente

Tratamientos de fertilidadFuente: Elaboración propia.

4.5.2 Proyectos de inversión

Proyecto de inversión Forma de impacto

Biopolímero absorbible para uso médico$9.7 millones de dólares

• Las principales empresas de dispositivos médicos se encuentran actualmente trabajando con Tepha, creadora de un biopolímero absorbible, para aplicar la nueva tecnología en el desarrollo de otros dispositivos médicos, que aprovechen las propiedades de flexibilidad y resistencia, junto con la capacidad de formar algunas de las más fuerte fibras absorbibles del mundo.

• Entre los productos en curso de elaboración con este biopolímero están las mallas quirúrgicas, películas anti-adherentes, hemostáticos, dispositivos intra-cardíacos, stents absorbibles, ligamentos y dispositivos para la reparación del tendón, agentes de la embolización, y sistemas de administración de fármacos.

• Socios Tepha son: Aesculap ag, HemCon Tecnologías Médicas, LifeCell Corporation, nmt Medical, y Tornier, Inc.

Fármacos para terapia contra enfermedades por falta de pliegue de proteínas y amiloidosis

• La investigación se centró en el plegado y agregación de proteínas y está dando lugar a grandes avances a través de la bioquímica y la medicina.

• La elucidación de un código de pliegue está demostrando ser de extrema importancia en la era postgenómica, donde un buen número de genes se han identificado sin una clara función todavía.

• Esta investigación está empezando a arrojar luz sobre la base molecular y bioquímica de una serie de enfermedades neurodegenerativas de impacto dramático.

Tabla 4.15 Principales proyectos de capital de inversión en biotecnología médica en Estados Unidos durante 2007, según los reportes de Money Tree




Investigación, desarrollo y optimización de fármacos

• La biotecnología no sólo es genética, también es una herramienta muy útil en el desarrollo de medicamentos genéricos”.

• En el proceso de producción de genéricos se tienen que desarrollar nuevos métodos de síntesis para ampliar el abanico de moléculas que se pueden patentar.

• La “biotecnología blanca o química sostenible” permite a las compañías farmacéuticas llevar a cabo métodos de producción que se adaptan a la nueva normativa sobre desarrollo sostenible. “La industria farmacéutica es la que más residuos produce, por cada kilogramo de fármacos se producen mil kilogramos de residuos, tanto disolventes como productos concomitantes”.

• En 2003 había 4,200 empresas biotecnológicas en 25 países (1,879 de ellas en Europa), con casi dos millones de empleados.

• La biotecnología puede desempeñar un papel importante en la producción de nuevos fármacos, aunque “hay que tener en cuenta que no es la panacea universal”.

• La biotecnología sanitaria o roja ha tenido como principales éxitos el desarrollo de fármacos, vacunas y elementos de diagnóstico y la terapia génica.

• Entre los éxitos de la proteómica se encuentran las terapias de sustitución de proteínas, incluido el factor VIII-a para el tratamiento de los pacientes hemofílicos o la producción de insulina humana.

• La industria farmacéutica había trabajado con 400 dianas terapéuticas. La genómica ha multiplicado por diez el número de dianas y lo ha situado en más de 4.000 genes.

Fármacos biotecnológicos enfocados para terapia contra cáncer

• Tienen como objetivo estudiar y atacar los mecanismos moleculares del crecimiento tumoral. Los expertos predicen que muchos pacientes con cáncer, si no la mayoría, finalmente llegarán a recibir al menos una de esas drogas.

• Una droga llamada Avastin, que trabaja por asfixia parando el suministro de sangre a los tumores, prolonga la vida de pacientes con cáncer de pulmón y cáncer de mama, según los resultados de los ensayos clínicos. El Herceptin, para cáncer de mama, logra la reducción en aproximadamente la mitad de la probabilidad de que el cáncer de mama reaparezca.

• Por supuesto, los oncólogos opinan que éstos son los primeros logros y que están todavía muy lejos de dar las soluciones totales, por lo que se deben combinar con quimioterapia. Suelen causar efectos secundarios nocivos, como hemorragia severa en pulmones para el Avastin y el Herceptin puede causar insuficiencia cardíaca potencialmente fatal. Herceptin puede ser utilizado sólo para el 20 al 30 por ciento de los pacientes con cánceres de mama que tienen una determinada característica genética.

• Ambos Avastin y Herceptin han sido desarrolladas por la compañía de biotecnología Genentech, la empresa que ahora atrae a un gran número de inversionistas y analistas de valores.

• Pero hay otros fármacos de otras compañías que están en trámite. Se espera la presentación de los resultados de tres fármacos nuevos, dos desarrollado por Pfizer y uno elaborado por el equipo de Bayer y Onyx Pharmaceuticals, que muestran algunos eficacia contra el cáncer de riñón, que en la actualidad es notoriamente difícil de tratar.

• Los nuevos fármacos multi-objetivo, en presentación de pastilla, deberán actuar bloqueando la acción del factor de crecimiento tumoral, del factor de crecimiento plaquetario, del factor de crecimiento endotelial vascular, o vegf, una proteína que estimula la formación de vasos sanguíneos que llevan el oxígeno y nutrientes al tumor creciente.

Proteínas terapéuticas de ingeniería

• Proteínas que se han diseñado en el laboratorio para uso farmacéutico. • La mayoría de los biofarmacéuticos comercializados hasta la fecha son los fármacos de

proteínas terapéuticas recombinantes. • En el 2003, el mercado de proteínas terapéuticas creció en casi un 19% a $ 37 mil

millones, y se prevé alcanzar ventas de más de $ 90 mil millones para el año 209. Sin embargo el crecimiento en el futuro depende en gran medida de la industria para superar una serie de obstáculos, incluido el suministro y los problemas de costos.

• Se utilizan para aliviar a los pacientes que sufren de muchas condiciones, entre ellas: • Varios tipos de cáncer (anticuerpos monoclonales, interferones).




Proteínas terapéuticas de ingeniería

• Los ataques al corazón, derrames cerebrales, la fibrosis quística, la enfermedad de Gaucher (enzimas, factores de la sangre)

• Diabetes (insulina) • La anemia (Eritropoyetina) • Hemofilia (factores de coagulación de la sangre) • La principal proteína de los tratamientos terapéuticos en el año 2003 fueron:• Johnson & Johnson’s Procrit tratamiento de la anemia• Amgen tratamiento de la anemia Epogen• Schering-Plough tratamientos de la hepatitis y de Intron A Peg-Intron

Farmacéutica con especial atención en nanotecnología

Se enfoca en el desarrollo de• Nanocables• Transporte de electricidad en nanoestructuras• Transporte de electricidad a través de las moléculas• Moléculas de superficie, Arquitectura de circuito• Nanoelectrónica molecular, • Interacciones biomoleculares• Análisis de imágenes de biomoléculas, membranas, y células• Motores biológicos, • Nano-implantes• Bio-Nanosensores, Microfluidos, Nanofluidos, y Lab-on-a-Chip• Nanobiología, nanomedicina

Transferencia de genes in vivo para determinar la función de dichos genes

• El tratamiento está basado en la administración sistemática de la construcción génica de interés.

• Aunque el adn puede ser administrado de forma directa lo habitual es recurrir a la ayuda de algún vector que facilite el proceso de transferencia del gen y permita la entrada y localización intracelular del mismo, de tal forma que éste resulte en un gen funcional.

• Así mismo, es importante recurrir a vectores con destinos específicos dentro del organismo lo cual permite la entrega celular selectiva del gen en un determinado órgano o tejido, sin requerir para ello procedimientos traumáticos o quirúrgicos.

• Los métodos de transferencia génica in vivo en desarrollo usan métodos no virales: • Inespecíficos, adn desnudo y complejos adn-liposomas, • Específicos, mediados por receptor, complejos adn-proteína o Inmunoliposomas/

liposomas destinados.

Proteína recombinante humana

• Después de más de dos décadas de continua expansión mundial, la formación empresarial y la diversificación tecnológica, el sector de la terapéutica con proteínas recombinantes humanas (adnr) ahora representa el núcleo de la industria de la biotecnología médica en humanos, por valor de más de $ 32 mil millones en el 2003.

• Si bien muchas de estas proteínas recombinantes para uso diagnóstico y/o terapéutico están en fase experimental, cada día se suman a la lista nuevas proteínas recombinantes ya en fase de producción.

• El sector de adnr terapéutica incluye a más de 110 empresas que participan en el descubrimiento, desarrollo y comercialización de productos de ADNr. Estas empresas tienen una cartera de más de 80 fármacos en terapéutica de desarrollo clínico y una cartera combinada de 73 productos comercializados.

• Para que este proceso productivo sea rentable es importante tener procesos de producción bien caracterizados para una correcta evaluación de los costos productivos de estos productos recombinantes.

• Un ejemplo de esto son los trabajos de mejoramiento de la producción de pro-insulina humana recombinante en cultivos de E.coli.




Proteína recombinante humana

• Después de su comercialización por la compañía Eli Lilly y Co en Estados Unidos de América en 1982, la insulina humana recombinante ha reemplazado gradualmente a la insulina animal, siendo actualmente el tratamiento más frecuente elegido para pacientes con diabetes insulino-dependientes o con requerimientos de insulina; representado actualmente alrededor del 90% de la insulina comercializada.

• El precio actual de la insulina humana recombinante es inferior (menos de 500 dólares/g) cuando se compara con el valor comercial de otras proteínas recombinantes de uso farmacéutico presentes en el mercado, tales como la eritropoyetina humana (850.000 dólares/gramo) y el factor estimulante de colonias granulocíticas (450.000 dólares/gramo).

• Para continuar reduciendo los costos de producción de estos productos con el fin de incrementar su uso se emplean varias alternativas. Algunas se basan en lograr gran escalado en la fermentación. A este nivel, pequeñas mejoras en la concentración proteica obtenida pueden afectar significativamente la productividad del proceso de fermentación. Otras estrategias están basadas en la optimización de los procesos de recuperación y purificación de un producto luego de la fermentación.

• Generalmente la recuperación y purificación son procesos muy complejos y costosos por lo cual es importante optimizarlos con el fin de lograr productos más económicos.

Biofarmacéutico para enfermedades inflamatorias

• mek es una proteína quinasa que regula tanto la biosíntesis como la respuesta a una serie de factores que impulsan el crecimiento incontrolado o inflamación asociados a muchas enfermedades humanas.

• Los científicos han descubierto múltiples meks, serie de inhibidores que interfieren selectivamente con estos procesos de enfermedad crítica.

• El primer inhibidor de mek, arry-142886, fue licenciado a AstraZeneca ab para el cáncer y se encuentra actualmente en desarrollo clínico.

• Es un inhibidor potente y selectivo de la enzima y de los sistemas celulares, y es bien tolerado y eficaz en varios modelos preclínicos humanos de las enfermedades inflamatorias impulsado por factores como la tnfalpha, il-1 e il-6.

• La inhibición de mek será útil en el tratamiento de enfermedades inflamatorias agudas y crónicas, incluida la artritis reumatoide, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (epoc), y la enfermedad inflamatoria intestinal (ibd).

Anticuerpos monoclonales para el tratamiento de enfermedades infecciosas

• Cada vez más gérmenes patógenos se hacen resistentes a los antibióticos. • La administración de anticuerpos inmunológicos puede ser una nueva alternativa para eludir

la resistencia de las bacterias a los antibióticos. • Los científicos pueden producir anticuerpos únicos, llamados “anticuerpos monoclonales”,

capaces de unirse a una parte específica del antígeno. De esta forma los pacientes podían recibir dosis pequeñas y potentes de anticuerpos monoclonales purificados, reduciendo enormemente los riesgos de efectos secundarios.

• Algunos pacientes sufren reacciones inmunes frente a muchos antígenos extraños. • Además su producción es difícil y cara., por lo que hay que seguir investigando sobre

nuevas opciones

Fármacos biotecnológicos para tratar enfermedades metabólicas

• Se centra en el estudio de la biología celular, la bioquímica y la regulación de la proteína deacetilanasa clase iii.

• Estas enzimas proporcionan nuevos puntos de entrada en las vías que afectan a múltiples enfermedades humanas. Inversionistas con capital de riesgo le han apostado a la investigación sobre esta enzima centrada en el desarrollo de nuevos tratamientos para las enfermedades metabólicas y otras necesidades médicas insatisfechas.

• Con más de 2 mil millones de dólares bajo gestión, Polaris Venture Partners es una sociedad de capital de riesgo, experimentados en apoyo a nueva tecnología.




Productos Biológicos

Principalmente hablamos de:• Erythropoeitin (120 b de jy)• Human Growth Hormone (60b)• Human Insulin (49b)• GCSF (43b)• Interferon Alpha (29b)• Therapeutic Antibodies (13b)• Interleukin 2 (11b)• Más de 1,000 nuevas ideas sobre productos biológicos están disponibles para licencia,

producción y mercado.

Compañías de investigación biofarmacéutica

• La industria sigue perdiendo competitividad. • Entre otras razones por su menor inversión en investigación derivada de la pérdida de

ingresos y el alto costo que supone la investigación de nuevas moléculas.

Drogas antibacteriales para bacterias resistentes

• Antibiótico muy activo frente a bacterias gram positivas con alto índice de mortabilidad, en especial la temida Staphilococcus Aureus, que es la causante de la mayoría de las infecciones hospitalarias.

• Estas bacterias se habían vuelto resistentes a los antibióticos tradicionales, de ahí la importancia de encontrar nuevos fárma Platencis, que fue encontrada en muestras de suelo.

Terapias para osteoporosis

• Las técnicas biotecnológicas que han surgido tienen un impacto significativo en la investigación de la osteoporosis y el desarrollo de nuevos y más eficaces tratamientos para esta enfermedad.

• Los tratamientos actualmente disponibles no están basados en biotecnología, sin embargo, son numerosos los tratamientos en desarrollo.

• Estos nuevos tratamientos basados en biotecnología se centran en estimular el crecimiento óseo, inhibiendo la degradación ósea y la mejora de la entrega de drogas de los tratamientos convencionales.

Familia de pequeñas moléculas terapéuticas para el tratamiento de enfermedades genéticas

• Se requiere evaluar la droga respecto a seguridad, tolerabilidad y perfil farmacocinético. • Están siendo investigadas inicialmente como tratamiento para la fibrosis quística y la

distrofia muscular de Duchenne, con el potencial de tratar una serie de otros trastornos genéticos.

• En estudios preclínicos, con biodisponibilidad oral, han demostrado una actividad significativa y buena tolerancia en los niveles de dosis mucho más altas que las que se requieran para mostrar la actividad.

Células madre hematopoyéticas para el tratamiento del cáncer

• Es un tipo de terapia celular. Una variedad de moléculas terapéuticas utilizan células para realizar una función específica que normalmente las células cancerosas no hacen.

• Estos incluyen pequeñas moléculas, péptidos, proteínas, anticuerpos, rna anti-sentido y ribozomas. En el caso de la terapia celular, como su nombre lo indica, el tratamiento se lleva a cabo con células madre en lugar de pequeñas moléculas.

• En la terapia celular, las células se dan a los pacientes como sistema de prestación de asistencia terapéutica para una enfermedad específica para lograr un beneficio terapéutico.

• Se requiere un examen de los agentes celulares que están relacionados con la química y componentes celulares de la sangre u otros tejidos para el tratamiento del cáncer.

• Se hace hincapié en aquellas empresas y productos que son activamente el desarrollo y la comercialización de células y suministros de los agentes terapéuticos para el tratamiento de pacientes con cáncer.




Células medre para terapia regenerativa y desarrollo de fármacos

• Con su capacidad de diferenciarse y convertirse en una fuente continua de las células que componen los tejidos y órganos críticos, las células madre tienen el potencial para nuevas terapias regenerativas y nuevas herramientas de investigación para la evaluación de drogas a probar en nuevas terapias para células enfermas.

• Para los observadores del mercado de la industria farmacéutica, tienen potencial en todo el mundo para trasplante, banco de células y desarrollo de medicamentos.

• Aplicación de tecnologías con células madre para los siguientes ámbitos: • Enfermedades cardiovasculares y pulmonares • Artritis, Incontinencia, Osteoporosis, Diabetes• Cáncer, Ortopedia, Infertilidad• Enfermedad de Alzheimer, Burns (grave) • Lupus, Enfermedad de Parkinson • Insuficiencia hepática, Esclerosis múltiple • Críticos de isquemia en las extremidades • Enfermedad de Crohn • Enfermedad de células falciformes • Mieloma múltiple • nh linfoma, Leucemia


4.6 Taxonomía

Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación

Tecnologías Productos y servicios

Bioinformática

Análisis de información genética

Sistemas expertosAnálisis de secuencias genéticasTécnicas de secuenciación

shotgun

Análisis de agrupamiento (clustering)

Anotación de genomasHerramientas de búsqueda de alineación local básica (blast)

Computación distribuida (grid computing)

Bases de datos compartidas de secuencias genéticas

Minería de datosSimulación genética

Árboles de decisión

Predicción de la estructura de las proteínas

Microarreglos de proteínas

Modelación homóloga

Conjunto crítico de técnicas para la predicción de la estructura de proteínas (casp)

Algoritmos genéticos Genómica comparativa






Bioinformática

Cadenas de markov

Modelos bayesianos

Hibridización genómica

Sistemas expertos

Acoplamiento proteína-proteína para la proteómica

Métodos de espacio recíproco

Métodos de montecarlo

Selección de estructura complejas

Conjunto crítico de predicción de interacciones (capri)

Análisis molecular

Hibridización

Simulación genética

Sistemas expertos

Análisis de la expresión génica

Microarreglos

Secuenciación de cadn marcado (est)

Análisis serial de expresión génica (sage)

Secuenciación de señales masivamente paralelas

Hibridización in-situ multiplex

Análisis de agrupamiento (clustering) Análisis de la regulación

génicaMicroarreglos

Sistemas expertosAnálisis de la expresión de proteínasMicroarreglos de proteínas

Espectrometría de masas

Reducción de dimensionalidad multifactorial

Análisis de mutaciones en el cáncer

Microarreglos de oligonucleótidos

Hibridización genómica comparativa

Arreglos de polimorfismos de nucleótidos simples

Modelo oculto de Markov

Redes neuronalesModelado de sistemas biológicosHerramienta de búsqueda de

alineación local básica (blast)





Sistemas expertos Análisis de imágenes de alto rendimiento


Dispositivos para cirugías invasivas Biopolímero absorbible

Dispositivos médicos implantables en el cuerpo como mallas quirúrgicas, películas anti-adherentes, películas hemostáticas, dispositivos intra-cardiacos, stents absorbibles, ligamentos y dispositivos para la reparación de tendones, agentes de embolización y sistemas de administración de fármacos

Farmacogenética Screening de polimorfismos genéticos

Fármacos adaptados a la condición genética de un individuo

Medicina regenerativa

Cultivo de células

Reparación de tejidos dañados

Cultivo de células modificadas genéticamente

Terapia génica

Biopolímeros

Biorreactores

Tratamiento anti-envejecimiento

Destrucción del neurotransmisor de células colinérgicas Terapia contra el Alzheimer

Bioluminiscencia atp

Tratamiento contra la vejezEstablecimiento de perfiles genéticos

Reparación molecular

Tratamiento celular

Cultivo de células madre

Tratamiento contra la degeneración muscular

Marcaje molecular

Producción de distrofina y cardiotoxina

Tratamiento contra el cáncer

Chips de proteínas

Genes para suprimir tumores

Reacción en cadena de polimerasa (pcr) cuantitativa

Secuenciación

Microarreglos de adn

Modelos animalesProteínas que transportan fármacos letales para células cancerosas exclusivamente






Tratamiento contra el cáncer

Vector adenoviral

Proteínas que transportan fármacos letales para células cancerosas exclusivamente

adn recombinante

Algoritmos de inteligencia artificial teórica

Análisis mutacional de receptores de superficie y oncogenes

Tratamiento genético

Secuenciación por hibridación

Biochips de transporte de información genética

Análisis de oligonucleótidos

Impresión por síntesis

Análisis de polimorfismos genéticos


Tratamientos moleculares


Tratamiento molecular de diabetes

Reacción en cadena de polimerasa (pcr) cuantitativa

Secuenciación

Modelos animales

Caracterización de marcadores biológicos

Tratamiento de hemofilia, fibrosis quística y enfermedad de huntington

Chips de proteínas

Clonamiento posicional

Modelos animales

Proteína quinasa regulada por mitógeno (mek)

Tratamiento de artritis reumatoide

adn recombinanteAnticuerpos monoclonales para evitar rechazo en transplante de órganos

Quimerismo mixto

Antígenos cd3 & cd25

Manejo de biorreactoresAnticuerpos monoclonales para tratamiento del asma, la enfermedad de Crohn y la distrofia muscular

Tecnologías antisentido

Compuestos “antisense”

Antígenos tnf-alfa & ige


Diagnósticos moleculares

Manejo de biorreactoresAnticuerpos monoclonales con agentes de contraste para marcar células

Espectrometría de masasProteínas para la detección temprana de arterioesclerosis







Identificación de agentes patógenos

Secuenciación genética

Amplificación de marcadores moleculares

Reacción en cadena de polimerasa de la transcriptasa inversa (rt-pcr)

Pruebas de tramo de cadena de adn (bdna)

Degradación de Edman Servicios de caracterización e identificación de proteínas

Identificación por huella peptídica

Vacunas de adn

Dianas terapeúticas

Vacunas contra la malariaIngeniería genética

adn recombinante

adn recombinanteVacunas contra ataques biológicosVacunas de adn

Vectores virales

adn recombinante

Vacunas comestibles

Dianas terapeúticas

Identificación de proteínas antigénicas


Vectores no viral

Administración ex vivo

Reproducción asistida

Mejora genética para la reproducción

Cromosomas humanos artificiales

Bebés diseñados genéticamente

Relación entre genotipo y fenotipo

Diagnóstico genético de pre-implantación (pgd)

adn recombinante

Fertilidad y esterilidad

Fertilización in vitro (fiv) e inyección intra-citoplásmatica de espermatozoides (icsi)

Tratamientos de fertilidad

Amplificación de adn para screening Selección genética de embriones para reproducción asistida

Diagnóstico genético pre-implantación (pgd)


5Células, tejidos y

órganos artificialesMartha Alejandra Morgado Munguia

5.1.1 DefiniciónBioproductos y sustitutos biológicos que aplican los principios de la ingenie-ría y las ciencias de la vida, diseñados para suplir, sustituir, mantener, mejorar o restaurar la función de órganos y tejidos en el cuerpo humano. De natura-leza eminentemente interdisciplinaria, la megatendencia de células, tejidos y órganos artificiales, incluye conceptos de ramas tan diversas como la quími-ca, la biología celular, la microfabricación, la robótica y la ciencia de los ma-teriales, complementadas con materias como la electrónica, la informática, la acústica, la óptica, la mecatrónica y el diseño, para lograr satisfacer las demandas médicas.

5.1.2 DetonadoresCon el advenimiento de nuevas tecnologías, el desarrollo de nuevos materia-les y la aplicación de ciencias como la biología a la electrónica y el estudio de los fenómenos fisiológicos empleando equipos electrónicos, se ha incitado a los investigadores a examinar su disciplina bajo un ángulo nuevo: la biónica, y de esta forma fortalecer la medicina en su continuo afán de ayudar y mejo-rar la calidad de vida del ser humano.

En los últimos años el avance de la medicina ha hecho posible el desa-rrollo de alternativas terapéuticas como el transplante de órganos en pacien-tes con enfermedades que involucran una degeneración importante del tejido a transplantar. Sin embargo, dada la escasez de donantes, un amplio grupo de bioingenieros, biólogos celulares, y médicos, han combinado sus conoci-mientos para diseñar algunas partes del cuerpo humano que puedan reemplazar aquellas que se encuentren alteradas o incluso amputadas o ausentes.

5.1 Descripción


CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES

Diariamente ingresan en los hospitales de todo el mundo miles de personas por causa del mal funcionamiento de alguno de sus órganos. En muchos casos la situación se solucionaría con un trasplante, pero debido a la carencia de órganos trasplantables, solo una mínima parte de estos pacientes pueden ser trasplantados.

Para solucionar un poco este problema la bioingeniería ha colaborado intensamente con la medicina elaborando órganos artificiales que puedan llegar a suplir órganos con un mal funcionamiento, por esta razón desde hace más de cincuenta años hasta hoy han aparecido el corazón artificial y un sin número de suplencias para órganos fallidos.

Pero hoy en día con el advenimiento de la biología molecular, la genética, la clona-ción entre otros, los científicos han propuesto lo que llamaron la ingeniería de tejidos, una técnica a partir de la cual se buscan obtener células, tejidos y órganos a partir de culti-vos de células sobre membranas de diferentes materiales biodegradables que inducidas apropiadamente pueden llegar a reemplazar los órganos o tejidos que sean requeridos, aunque se espera que para un futuro con el avance de la genética, se puedan tomar células madre indiferenciadas, para ser cultivadas y con los apropiados estímulos estas puedan diferenciarse en los órganos o tejidos que se necesiten reemplazar.

La bioingeniería y la biónica son disciplinas más jóvenes que la ingeniería, en éstas se reúnen los principios de la ciencia, la tecnología y la propia ingeniería para poder ser aplicados a los problemas médicos y biológicos que se presentan hoy en día.

Así pues los bioingenieros son formados bajo conceptos sólidos de ingeniería rela-cionada a conocimientos esenciales de medicina y biología, los cuales se complementan con materias como la electrónica, la informática, la robótica, la acústica, la óptica, el dise-ño, entre otros, para lograr satisfacer las demandas médicas. A partir de ésta se derivan varias ramas por ejemplo la ingeniería biomecánica la cual estudia los sistemas osteoar-ticular y muscular como sistemas mecánicos, así como el comportamiento de la sangre como un fluido que se mueve, la mecánica de la respiración entre otros. Por lo tanto las aplicaciones de ésta han sido la creación de máquinas de circulación extracorpórea, la creación de un pulmón artificial, aunque ésta es también utilizada en el desarrollo de implantes y de órganos artificiales. Gracias a ésta, se han desarrollado prótesis para personas con extremidades amputadas, prótesis mioeléctricas movidas por pequeños motores eléctricos que recogen las señales musculares, así como la creación de órganos artificiales como el corazón artificial, el cual ha sido un gran tratamiento para las enferme-dades cardiacas desde 1982.

Otra de las ramas de la bioingeniería es la ingeniería bioquímica, la cual busca es-tudiar las interacciones químicas entre el cuerpo y los materiales artificiales, sus logros más importantes han sido la creación de prótesis articulares que no generen ningún tipo de rechazo por parte del organismo y que además duren mucho más que las convencio-nales, así como la creación de implantes que sustituyen arterias, los cuales no permiten la formación de coágulos y que además se integran fácilmente al tejido tisular, aunque tal vez el avance más importante es el desarrollo de las máquinas de diálisis, que ayudan a



los pacientes con insuficiencia renal. Y la última rama es la bioelectricidad, ésta se encar-ga de estudiar la actividad bioeléctrica, particularmente del sistema nervioso, los avances de esta especialidad han conducido a la invención del marcapasos, el desfibrilador y el electrocardiógrafo.

Ahora bien, la medicina ha estado bien servida por la bioingeniería, y en ella ha en-contrado un punto de apoyo importante para solucionar los problemas que se han ido presentando durante las últimas décadas con respecto al transplante de órganos, pues así como el hallazgo de saber que ciertas enfermedades podían ser curadas con un transplante tomó auge, la negativa de la gente a donar sus órganos creó otro problema que fue solucionado con el advenimiento de la bioingeniería.

Los órganos artificiales, son órganos y tejidos creados mediante ingeniería los cua-les por muchos años han sido llamados a ser la base del tratamiento de muchas lesio-nes y enfermedades, y que han formado en nuestra era una simbiosis entre hombre y máquina la cual tiene como finalidad prolongar y evadir ciertos límites naturales que tiene el hombre.

El verdadero problema de los órganos artificiales no reside en lograr crear el órgano a reemplazar o las fuentes de energía para que este funcione, el verdadero problema ésta en que el mecanismo artificial pueda convivir en armonía con el cuerpo vivo. Es entonces cuando la ciencia y la medicina están yendo mas allá de los transplantes y entrando en una era de fabricación de tejidos corporales apoyados en los avances de la biología molecular y la genética, con la Ingeniería de Tejidos, una técnica relativamente reciente de la que se puede decir que “su objetivo primordial es el de lograr obtener órganos o tejidos combinando células junto con otros materiales, los cuales bajo ciertas condiciones derivarán en la formación de un tejido”.

Las primeras técnicas han sido con materiales de naturaleza física y química fáciles de manejar para la formación de un tejido final, para este fin se han utilizado varios po-límeros, así como materiales naturales como el colágeno, y tanto unos como otros han dado resultados efectivos en la creación de un medio de cultivo para las células, además de poder ser degradados en el organismo en caso de ser transplantados. Una vez los materiales han sido seleccionados como estructuras de soporte para el crecimiento de las células de acuerdo a determinadas características que son muy importantes como lo son las características mecánicas, así como sus características de superficie, las cuales le permitirán a las células interactuar con el material, estos deben ser procesados para que tengan una apropiada arquitectura y se logre la formación del tejido. Pero el proceso no termina aquí es necesario que el tejido en crecimiento tenga un mecanismo de trans-porte de nutrientes así como de desecho para su adecuado crecimiento, es por esto que muchos investigadores han creado una especie de vasos sanguíneos que drenan constantemente el tejido en crecimiento, colaborando con el soporte de este. Pero los tejidos no comienzan a crecer sobre los soportes de polímeros de una manera mecánica, estos requieren a su vez de factores de crecimiento y otras sustancias que colaboren en



la formación de estos, asimismo por medio de estas sustancias se asegura también un control interno sobre el crecimiento de las células, permitiéndoles que crezcan de mane-ra controlada, para que no sobrepasen ciertos límites.

Como se sabe el primer objetivo de la ingeniería de tejidos es el de poder reparar y generar nuevos tejidos para ser transplantados, con un éxito hasta ahora moderado pues aun faltan comprender muchos más mecanismos por los cuales el cuerpo no rechace las células, y pueda adoptarlas como propias, así como también deberán develarse me-canismos por los cuales otras células puedan ser también cultivadas dentro de estas estructuras de polímeros, para formar nuevos tejidos de los que aun no se han obtenido buenos resultados.

Por esto para un futuro, se espera que el fin total de la Ingeniería de tejidos, sea obte-ner cualquier tipo de tejido u órgano a partir de células madre indiferenciadas, las cuales puedan ser inducidas por medio de ciertos mecanismos de señalización en convertirse en los órganos y tejidos que se requieran.

5.1.3 Comportamientos tecnológicosEl trasplante de órganos, a pesar de formar parte de las llamadas prácticas quirúrgi-cas de riesgo, se ha consolidado en los últimos años como el tratamiento de elección para todas aquellas enfermedades graves que conllevan el fracaso irreversible de un órgano.

Los éxitos obtenidos y las mejoras que día a día vienen incorporándose, auguran para esta práctica un futuro en el que las limitaciones técnicas y científicas, todavía im-portantes, van a dejar paso a otras, especialmente a las vinculadas con la logística del trasplante.

Pero no solamente va a dejarle paso a la trascendencia de la tecnología del trasplan-te sino que también va a dejar espacio para que los órganos en si también pasen a una nueva era, a una era tecnológica, donde no dependeremos de una interacción celular sino de una interacción mecánica.

A la espera del nacimiento del inmunosupresor “ideal”, los médicos de trasplante o, más exactamente, los que se interesan en determinados órganos, el corazón, el pulmón y el riñón principalmente, continúan pendientes de los diseños de órganos artificiales, con la esperanza de poner a disposición de sus pacientes un aparato de altas cualidades técnicas.

Entre los cambios característicos que detonan el desarrollo de las células, tejidos y órganos artificiales, podemos mencionar el conocimiento de áreas como: biomateriales, biomecánica, biosensores, modelado-simulación-control de sistemas fisiológicos, instru-mentación biomédica e informática médica.

El desarrollo de biomateriales es un detonador importante en la generación de órga-nos artificiales. Un biomaterial es un material sintético utilizado para reemplazar una parte



anatómica o una función de un ser vivo: materiales dentales, prótesis de cadera, silicona para la remodelación mamaria.

La capacidad de un biomaterial para reproducir la forma y función de órganos y tejidos viene condicionada por sus propiedades físico-químicas y su interacción con el cuerpo humano o Biocompatibilidad.

Particularmente interesantes los materiales compuestos que combinan materiales biológicos, como el colágeno, con otros sintéticos.

La biomecánica contribuye a participar con el conocimiento de la Biofísica dedicada al estudio de la mecánica (incluye mecánica de fluidos) y a los sistemas fisiológicos.

Los biosensores permiten la detección de parámetros biológicos y su conversión en señales eléctricas.

Con el estudio del modelado, simulación y control de sistemas fisiológicos se llega al uso de métodos computacionales para desarrollar y comprender el funcionamiento de sistemas fisiológicos. Ejemplo: movimientos de una rótula.

Sin duda, la Bioingeniería, principal responsable del desarrollo de células, tejidos y órganos artificiales es fruto de una síntesis interdisciplinaria de numerosos aspectos de Ingeniería, Biología, Medicina, Física, Ciencia de Materiales, Biotecnología, y otras parce-las del conocimiento, abarcando desde las aproximaciones teóricas a las experimentales y sus aplicaciones.

Un mecanismo humano es asombrosamente polifacético, y todo intento de imitar todas sus capacidades con la tecnología moderna, quizás, a producir un complicado sustituto sin aplicación práctica. La dificultad no reside tanto en lograr las fuentes de energía para que el mecanismo pueda funcionar, sino que el problema radica en dispo-ner el mecanismo artificial de manera que trabaje en armonía con el cuerpo vivo.

Con el advenimiento de la genética, el descubrimiento del genoma humano, la clo-nación, entre otros, los científicos han puesto todo su interés en una técnica que cada día toma más notoriedad, pero que aun despierta polémica en las personas. La Ingeniería de Tejidos, surge como una nueva opción para los transplantes, ofreciendo innumerables ventajas pero sobretodo una muy importante que no se puede pasar por alto y que ha sido el dolor de cabeza de médicos y científicos, el no rechazo por parte del receptor de los órganos o tejidos transplantados.

Hasta ahora los científicos han logrado combinar materiales para que funcionen como una matriz, en las cuales se siembran las células y estas crecen de forma tridimen-sional para obtener el nuevo tejido, con esta técnica los científicos han logrado obtener pedazos de piel para implantes, así como algunos segmentos de huesos y cartílagos y hasta vasos sanguíneos. Son estos avances los que han llevado a descubrir cómo es que logran las células crecer en las matrices y formar el tejido, y se ha logrado comprobar que así como las células cancerosas deben ir en grupos grandes, porque una sola célula no podría causar metástasis, además de requerir de algunos componentes importan-tes, las células que se utilizan para el crecimiento de nuevos tejidos requieren de matriz





Extremidades artificiales bioeléctricas.

Implante de prótesis microelectrónicas (electromiografía y de señales de control)

Funcionalidad de los materiales de soporte para tejidos

Reacciones de los tejidos al o los materiales de los implantes

Respuestas inflamatorias de las células y los tejidos circundantes cuando son implantados sensores para interferir en la transmisión de señales.

extracelular para comenzar una nueva colonia de células, los científicos creen entonces que hay tres componentes que se requieren, primero las células apropiadas, segundo algunas citoquinas y las matrices extracelulares, que hacen en conjunto la supervivencia de las células.


Básicamente, podemos agrupar cinco temas claves para determinar los retos y oportuni-dades que subyacen a esta área de investigación interdisciplinaria:

5.2.1 Extremidades artificiales que reaccionan a impulsos neuronalesObtener impulsos neuronales es aún una actividad complicada, invasiva y poco precisa. En el caso específico de prótesis que reaccionan a impulsos neuronales, representa un reto para los ingenieros biomédicos y neurocientíficos la miniaturización y capacidad de procesamiento elec-trónico, aunque ya existe gran avance en esta línea. No obstante, hay un evidente retraso en el diseño mecatrónico de las prótesis y la construcción efectiva de las interfaces cerebro-máquina. Para resolver esta área de oportunidad, debe estudiarse la forma de interpretar las señales emi-tidas por las neuronas. Las prótesis con arreglos de electrodos necesitan adaptarse a diferentes lugares, patrones de estímulo, enfermedad del paciente y el estado o grado de enfermedad del mismo, por ello el que se requiera de la unión entre investigadores y médicos clínicos.

Una de las principales áreas de oportunidad es evaluar los diferentes tipos de elec-trodos, no invasivos e invasivos, que son los electrodos de superficie y musculares que pueden grabar las señales de emg y estimular los músculos subyacentes o implantados. Los electrodos extraneuronales, como el de brazalete y el epineural, simulan una interfa-ce simultánea con muchos axones y el nervio, mientras que los electrodos intrafascicula-res, penetrantes y regenerativos pueden ponerse en contacto con grupos pequeños de los axones y el nervio dentro de un fascículo. Por ejemplo, cuando una prótesis de mano es anatómicamente correcta, la entrada al dispositivo puede venir de las mismas señales neuronales que utilizaba el paciente para llegar a los músculos de la mano original.



Es importante estudiar la no linealidad de la relación entre el movimiento de los dedos y las señales corticales, dentro de los controles en los centros periféricos y el hardware. La no linealidad se refiere a un sistema de ecuaciones en el que los efectos no son proporcio-nales a sus causas. Dicho sistema podría ser difícil o imposible de modelar, pero dará faci-lidad de control y proporcionará, al mismo tiempo, el mayor grado posible de destreza.

Sin embargo, el realizar pruebas de ensayo/error en el diseño de prótesis y algorit-mos de control de la estimulación eléctrica funcional (fes), es caro y arriesgado. En este sentido, la designación de un entorno de realidad virtual (vre) para facilitar y acelerar el desarrollo de nuevos sistemas es un área de oportunidad de gran importancia. En el vre, los sujetos / pacientes simulados puede operar una extremidad e interactuar con objetos virtuales. El reto es crear modelos realistas de todos los componentes mecatrónicos musculoesqueléticos y permitir el desarrollo de sistemas en toda la prótesis vr, antes de introducir al paciente. El sistema es utilizado tanto por los ingenieros, como instrumento de desarrollo, como por los clínicos, para implantar la prótesis en los pacientes.

5.2.2 Implante de prótesis microelectrónicasLas prótesis microelectrónicas de visión ofrecen el reto de restablecer cierta visión espa-cial al paciente; propone que se generen puntos luminosos (los llamados fosfenos) en el campo visual de los ciegos por medio de un implante de electrodos estimulantes de rayos gama, y, al hacerlo, restablecer cierta visión espacial. En la actualidad hay muchos equipos de investigación en todo el mundo en pro de un dispositivo terapéutico, análo-go a los implantes cocleares, para el paciente ciego. A pesar de las similitudes entre el implante coclear y la prótesis de visión, hay pocos casos en la literatura, donde los dos enfoques son comparados y confrontados.

En concreto, el estudio de la psicofísica y procesamiento de señales es la base de este reto. Por medio de simulaciones del proceso, se genera la oportunidad de hacer predicciones en cuanto a la probable eficacia clínica de la prótesis y, de hecho, los resul-tados hasta la fecha sugieren que un número en el orden de 100 electrodos implantados dará a los temas de movilidad y reconocimiento de los rostros (y otros estímulos comple-jos), una introducción a resultados.

Mientras, el diseño de electrodos para facilitar lectura de texto impreso es aún un reto importante que no está desarrollado. Las simulaciones a este respecto, permiten investigaciones sobre la imagen y las estrategias de procesamiento de señales, más que proporcionar a los investigadores una experiencia de percepción, que se aproxima a lo que es probable que una prótesis permita en un futuro.

Otro reto en esta línea, son los electrodos que pueden actuar como transduc-tores para registrar señales neuronales o excitar células nerviosas a través de la estimulación eléctrica. El campo de las prótesis neuronales ha crecido a lo largo de las últimas décadas. Hay que trabajar sobre el rendimiento en su actual tama-ño y complejidad. La aplicación de la tecnología de microsistemas integrados con



la microelectrónica en los implantes neurales hace 20 años, no solamente abrió nuevos campos de aplicación, sino también permite diseñar nuevos paradigmas y enfoques con respecto a la bioestabilidad de pasivación y conceptos de electrodos de interfaces.

5.2.3 Funcionalidad de los materiales de soporte para tejidosDurante décadas, los polímeros electroactivos (eaps) han recibido relativamente poca aten-ción, debido a su limitada capacidad de actuación. Sin embargo, en los últimos 15 años, una serie de materiales de polímero electroactivo han surgido con capacidad de producir una importante forma o tamaño de cambio en respuesta a la estimulación eléctrica.

Estos materiales tienen la más estrecha similitud funcional a los músculos biológi-cos, que era, hasta hace poco, imposible de lograr. Se están realizando esfuerzos para abordar los numerosos problemas que obstaculizan la aplicación práctica de estos ma-teriales, y los recientes avances ya han dado lugar a notables mejoras de capacidades.

Varios mecanismos y dispositivos robóticos nuevos están ofreciendo numerosas ventajas por su flexibilidad, resistencia a la fractura y la controlabilidad, así como baja masa y baja potencia.

Los eaps tienen el potencial de ser utilizados para aplicaciones como biosensores ecológicos, membranas, músculos artificiales, actuadores, protección contra la corrosión, protección electrónica y componentes de alta energía como las baterías, entre otras. Sin embargo por su alto costo e impacto ambiental, la comercialización de eaps sintéticos hasta el momento ha sido muy limitada. El almidón, la celulosa y la quitina son algunos de los polímeros naturales más abundantes en la tierra, y están siendo empleados en el diseño de soportes para tejidos.

En general, los materiales con matrices de polisacáridos electroactivos pueden al-canzar niveles comparables con la conductancia de iones sintéticos como la de eaps.

5.2.4 Reacciones de los tejidos al o los materiales de los implantesEn la última década la implantación de materiales sintéticos biodegradables, se ha es-tablecido por diversas aplicaciones clínicas, empleándose entre otros, materiales ce-rámicos, como el fosfato de calcio y polímeros de biovidrio. Además, estos materiales también se utilizan como material de revestimiento o como microesferas de liberación controlada de drogas y pertenecen a una serie de ejemplos de aplicaciones como an-damios para la ingeniería de tejidos. Sin embargo, inmensas concentraciones locales de productos se generan durante la biodegradación; un reto interesante es estudiar las reacciones alérgicas inmunes que se han reportado, para los casos típicos de implantes metálicos y materiales orgánicos.

Por otra parte, es un área de oportunidad el generar las teorías explicativas de reac-ciones inmunológicas para aclarar la falta de los informes clínicos de alergia o sensibili-zación a los materiales sintéticos biodegradables, que existe actualmente.



Materiales utilizados en la osteosíntesis o reemplazo de articulaciones artificiales son generalmente bien tolerados. Las quejas después de esas operaciones son en su ma-yoría relacionadas con la infección o problemas mecánicos, pero también pueden ser causadas por reacciones alérgicas. Estos problemas abarcan cambios en la piel, por ejemplo, eczema, el retraso de la herida y la cicatrización del hueso, derrame recurrente, el dolor, o el aflojamiento del implante. En contraste con la alta incidencia de la alergia cutánea en contacto con el metal, las alergias están asociadas a los implantes de una enfermedad rara. Sin embargo, los datos epidemiológicos sobre la incidencia de implan-te relacionados con reacciones alérgicas siguen sin reportarse.

Resulta un reto estudiar las combinaciones de factores que inducen sensibilización alérgica a los implantes o periimplantaria, ya que pueden desencadenar reacciones alér-gicas cutáneas en el caso de alergia preexistente al metal.

Para pacientes alérgicos se recomienda el diseño en titanio, en sustitución electiva de cadera, usar una cerámica / polietileno (PE), y en reemplazos de rodilla usar “materia-les alternativos”. Para un material ordinario, potencialmente aplicable como CoCr / PE, el paciente debe estar bien informado y debe dar su consentimiento de uso por escrito. El área de oportunidad es encontrar materiales más baratos y funcionales que no generen reacción alérgica.

5.2.5 Respuestas inflamatorias de las células y los tejidos circundantes cuando son implantados sensores para interferir en la transmisión de

señalesLa fibrosis es perjudicial para el rendimiento de las células encapsuladas, implante de dispositivos de liberación de drogas, y/o los sensores. Para mejorar la función y la lon-gevidad de los implantes, un reto es investigar la necesidad de inducir alteraciones en la respuesta celular. Aunque el material de superficie funcional ha demostrado resistir a las respuestas ante la actividad celular in vitro y de corto plazo in vivo, estos equipos o materiales parecen tener poca influencia a largo plazo en vivo ante reacciones de fibrosis, posiblemente como resultado de la insuficiencia de las interacciones entre los contrata-dos celulares de acogida y grupos funcionales de los implantes.

Para maximizar la influencia de la funcionalidad de las células, y para imitar microes-feras de liberación de drogas, las oportunidades están en crear tamaño de partículas del orden de las micras para poner a prueba la capacidad modular del tejido a las respues-tas de los implantes de biomateriales.

Se están estudiando superficies de partículas de polipropileno recubiertas con gru-pos funcionales, - cf (x), y - cooh, para recubrimiento de sensores. Los resultados de-muestran claramente que, mediante el aumento de la superficie disponible funcional y la distribución espacial, el efecto sobre la química de la superficie del tejido y la reactividad puede ser considerablemente mayor. (c) 2007 Wiley Periodicals, Inc J Biomed Mater Res 2007.



Línea de investigación Retos Oportunidades

Extremidad artificial mioeléctrica

Miniaturización y capacidad de procesamiento electrónico.

Encontrar la forma de estimular las neuronas.

Diseño de dispositivos In Vitro, principalmente micro-arreglos y dispositivos del tipo Lab-on-Chip (Laboratorio en un Chip)

Diseño de dispositivos In Vivo dominados por estimuladores eléctricos y biosensores.

Diseño de dispositivos micro-electro-mecánicos (mems).

Diseño de sistemas protésicos mecatrónicos con funcionalidad similar a la de los miembros humanos.

Diseño de manos, brazos, piernas y pies con funcionalidad similar a la del cuerpo humano.

Sistemas de control adoptivo y predictivo para las prótesis y con esto lograr una mejor adaptación entre el amputado y su prótesis

Desarrollo de sistemas de baterías recargables ligeras, para proporcionar una mayor duración a los sistemas protésicos.

Tabla 5.2 Líneas de investigación

También se debe señalar como área de investigación la importancia biológica de cambios fisio-patológicos que ocurren dadas las interfaces entre los implantes robóticos y otras prótesis al estar en contacto con las interfaces biológicas, los resultados de estos trabajos dan lugar a mejores diseños de prótesis biocompatibles.

Por otro lado, se requiere desarrollar una gran gama de tecnologías que permitan el desarrollo de dispositivos miniaturizados altamente funcionales e integrados. Pueden distinguirse dos grupos de dispositivos requeridos, In Vivo e In Vitro. El grupo de disposi-tivos In Vivo está dominado por estimuladores eléctricos y biosensores. Los dispositivos In Vitro son principalmente micro-arreglos y dispositivos del tipo Lab-on-Chip (laboratorio en un chip). Las aplicaciones biomédicas ya son la segunda mayor área de aplicación para tecnologías de mems (sistemas micro-electromecánicos, micro-electric-mechanical systems) después de la automotriz. En lo referente a la comercialización, el desafío clave será identificar nichos con potencial de mercado suficiente para justificar el largo y cos-toso proceso de desarrollo.

Estas líneas de investigación buscan satisfacer los retos del desarrollo tecnológico actual, buscando oportunidades en el diseño y aplicación de células, tejidos y órganos artificiales de manera comercial. En la siguiente tabla se explican para cada línea de investigación:



Línea de investigación Retos Oportunidades

Diseño y construcción efectiva de las interfaces cerebro-máquina.

Diseño de sockets o interfaces cómodas y capaces de adaptarse a los cambios de geometría que ocurren en el muñón con el tiempo.

Estudiar la no linealidad de la relación entre el movimiento de los dedos y las señales corticales, dentro de los controles en los centros periféricos y el hardware.

Creación de un entorno de realidad virtual para el diseño de una prótesis y su algoritmo de control de la estimulación eléctrica.

Crear modelos realistas de todos los componentes mecatrónicos musculoesqueléticos y permitir el desarrollo de sistemas en toda la prótesis en realidad virtual, antes de introducir al paciente.

Implantes de prótesis microelectrónicas

Restablecer cierta visión espacial al paciente; propone que se generen puntos luminosos (los llamados fosfenos) en el campo visual de los ciegos por medio de un implante de electrodos estimulantes de rayos gama.

Estudio de la psicofísica y procesamiento de señales, por medio de simulaciones del proceso.

Diseño de transductores para registrar señales neuronales o excitar células nerviosas a través de la estimulación eléctrica.

Trabajar sobre el rendimiento en su actual tamaño y complejidad, demostrando bioestabilidad de pasivación.

Funcionalidad de los materiales de soporte

Creación de materiales que tengan la más estrecha similitud funcional a los músculos biológicos.

Diseño y uso de polímeros electroactivos para estimular forma y tamaño por medio de impulso eléctrico.

Materiales con flexibilidad, resistencia a la fractura y la controlabilidad, así como baja masa y baja potencia

Diseño de mezclas metal polímero iónico.

Materiales con flexibilidad, resistencia a la fractura y la controlabilidad, así como baja masa y baja potencia

Diseño y uso de materiales piezoeléctricos, especiales de aleaciones de metales, polímeros

Mezclas especiales con almidón, celulosa y quitina son algunos de los polímeros naturales que están siendo empleados en el diseño de soportes para tejidos

Reacciones de los tejidos al o los materiales de los implantes.

Estudiar las reacciones alérgicas inmunes que se han reportado, para los casos típicos de implantes metálicos y materiales orgánicos.

Creación de elementos inocuos para material de revestimiento o microesferas de liberación controlada de drogas.

Estudio de combinaciones de factores que inducen sensibilización alérgica a los implantes o periimplantaria.

Respuestas al implante de sensores.

Evitar la fibrosis por uso de células encapsuladas, implante de dispositivos de liberación de drogas, y/o sensores.

Diseñar recubrimientos de materiales especiales complejos que eviten la fibrosis.







Tabla 5.4 Electro-mecánica


Biomateriales (por ejemplo metales, conjugados poliméricos, poliuretanos biodegradables no tóxicos y silicona)

Aplicaciones, por ejemplo las cánulas intraluminales (stents)

Técnicas como las matrices de polisacáridos electroactivos o la fundición de titanio

Materiales inteligentes, como los piezoeléctricos

Electro-mecánica

Sensores y biosensores

Sistemas emisor-receptor de campos magnéticos o conformados electromagnéticos

Interferometría con microscopio electrónico de barrido

Transductores y estimuladores eléctricos

Diseño mecatrónico

Implantes (de electrodos de rayos gama, a presión, entre otros)

mems (para microsensores por ejemplo)


El ritmo de avance del desarrollo tecnológico actual no satisface las demandas del mercado; por lo que existe una creciente preocupación de que muchos de los nuevos descubrimientos de la ciencia básica no podrán ofrecer rápidamente productos con el rendimiento, la eficiencia, la asequibilidad y las condiciones de seguridad que requieren los pacientes.

En opinión de la Oficina de Administración de Fármacos y Alimentos de Estados Unidos (fda), las ciencias aplicadas y los médicos clínicos necesarios para el desa-rrollo de productos no han seguido el ritmo de los enormes avances en las ciencias básicas. Aunque en los diseños de prótesis ha habido algunos éxitos, referentes a los implantes robóticos funcionales, sigue habiendo muchas cuestiones y proble-mas relacionados con el incumplimiento de las expectativas creadas. En especial, los dispositivos no han logrado ser fáciles de controlar, cómodos de llevar y estéti-camente agradables

Las tecnologías existentes con mayor relevancia para la megatendencia se desa-rrollan a través de la biología molecular y celular, la ingeniería de materiales, la electro-mecánica y las herramientas de programación; algunos ejemplos de estas tecnologías son:



Tabla 5.5 Biología celular y molecular

Biología celular y molecular

Manipulación de células madres, como la separación y purificación de células madre de sangre periférica

Medios de cultivo con sustitutos de suero fetal

Ingeniería de tejidos

Criopreservación automatizada de células mononucleares

Generación de hidroxiapatita

Micro-arreglos



Tabla 5.6 Programación

Programación

Algoritmos de control de la estimulación eléctrica funcional

.Procesos inteligentes y el prototipaje rápido


Tabla 5.7 Tecnologías emergentes

Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) y nano-construcciones híbridas

Esferoides tridimensionales multicelulares

Polímeros electro-activos (EAP)

Electrodos intra-fasciculares y extraneuronales

Láser tridimensional de exploración


Algunas de las tecnologías emergentes impulsadas por la megatendencia son:



Acetábulos de cadera y rodilla artificial Células cultivadas y/o modificadas genéticamente

Dispositivos de liberación controlada de fármacos Dispositivos para la rehabilitación auditiva

Dispositivos implantables para ventrículos cardiacos Dispositivos para la mejora de arterias

Elementos protésicos con señales eléctricas entre grupos de neuronas Equipo para prótesis como clavos y tornillos

Extremidad artificial mioeléctrica (como brazo o pierna) Remodelación mamaria

Estructuras 3D que pueden imitar la estructura de un órgano Regeneración de tejido

Impresión de tejidos vivos Reparaciones craneales

Fijadores de huesos fracturados Sensores magnéticos para detección de bacterias

Implantes de reemplazo articular para dedos, cadera, rodilla, hombro y codo

Sensores implantables para control de temperatura corporal, detectar compuestos tóxicos y medir la presión sanguínea

Implantes dérmicos, en el sistema óseo, en la médula espinal y oculares artificiales Servicio de revisión de prótesis

Interfase cerebro-computador (BCI) Sistemas de regeneración de órganos internos

Interfase cerebro-máquina (BMI) Sistemas implantables de diagnóstico inalámbrico

Lentes intracorneales Sistemas vibro y electro-táctiles para personas con discapacidad visual y auditiva severa

Marcapasos Soluciones de monitoreo en tiempo real para tejidos y dispositivos internos

Membranas y músculos artificiales Terapias para tratamiento de heridas y reparación de tejido

Órganos artificiales bioeléctricos Plantillas implantables de regeneración para meniscos en rodillas

Prótesis de cadera, oído, dentales, faciales y para recuperar la visión Recuperación de datos en dispositivos internos

(protocolos de comunicación entre órganos artificiales y lectores externos)

Válvulas artificiales

Tabla 5.8 Lista de productos y servicios


5.5.1 Lista de productos y servicios




1. Tecnologías terapeúticas biofarmaceúticas2. Remodelación de tejidos3. Servicios y productos biotecnológicos4. Implantes bio-absorbibles5. Plantillas implantables para la regeneración de tejidos6. Dispositivos médicos implantables7. Sistemas de diagnóstico implantables inalámbricos8. Lentes intra-corneales e implantes oculares9. Implantes ortopédicos10. Wound care and tissue repair therapeutics.11. Soluciones de monitoreo externo a través de sistemas remotos12. Software para análisis de datos y texto en tiempo real13. Impresión de tejidos vivos

5.5.2 Proyectos de inversiónDe acuerdo a los reportes generados por la Asociación Nacional de Capital de Riesgo en Estados Unidos, (Venture Capital Association), las áreas con mayor inversión que impul-san el desarrollo de la megatendencia son:

5.6 TaxonomíaTabla 5.9 Taxonomía

Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Productos y servicios

Diseño y producción

Procesos de regeneración celular


Células cultivadas y/o modificadas genéticamente


Cables de nanotubos de carbón (quantum wires)

Materiales piezoeléctricosEstructuras 3d que pueden imitar la estructura de un órganoPolímeros electro-activos (eap)

Procesos para regeneración tisular

Generación de hidroxiapatita Fijadores de huesos fracturados

Células madres

Regeneración de tejidoMedios de cultivo con sustitutos de suero fetal




Diseño y producción

Procesos para regeneración tisular

Criopreservación automatizada de células mononucleares Regeneración de tejidoIngeniería de tejidos

Cultivo tridimensional


Sistemas de regeneración de órganos internosIngeniería de tejidos


Impresión de tejidos vivos



Dispositivos bio-estructurados

Dispositivos de control

Nanocontrucciones híbridas

Elementos protésicos con señales eléctricas entre grupos de neuronas

Microestructuración de metales


Procesos inteligentes

Conformados electromagnéticos


Polímeros electro-activos (eap)

Microensamblaje


Interfase cerebro-máquina (bmi)

Microensamblaje




Micro-estructuración de metales

Interfase cerebro-computador (bci)

Microensamblaje




Dispositivos de monitoreo

Microestructuración de metalesSensores implantables para control de temperatura corporal






Dispositivos bio-estructurados

Dispositivos de monitoreo


Sensores implantables para control de temperatura corporal

Microestructuración de metalesSensores magnéticos para detección de bacterias



Microsensores

Sensores implantables para medir la presión sanguínea

Sedición de metabolitos



Microestructuración de metales Sensores implantables para detectar compuestos tóxicos



Sistemas implantables de diagnóstico inalámbrico

Transductores




Plímeros electro-activos (eap)

Dispositivos de respuesta


Sistemas vibro y electro táctiles para personas con discapacidad visual y auditiva severa




Microensamblaje

Poliuretanos biodegradables no-tóxicos

Dispositivos de liberación controlada de fármacos





Microensamblaje

Conformados electromagnéticos Implantes en la espina dorsal




Dispositivos bio-estructurados Dispositivos de respuesta


Implantes en la espina dorsal

Sistemas emisor-receptor de campos magnéticos

Implantes en médula espinal






Dispositivos para la rehabilitación auditiva




Implantes y prótesis

Micromanufactura


Implantes en cráneo


Prototipaje rápido

Fresadora cnc

Prensado de lámina

Inyección de metales

Fundición de titanio

Implantes a presión



Endoprótesis

Microestructuración de metalesMarcapasos

Conformado electromagnético


Prótesis de oídoConformados electromagnéticos


MicroensamblajeLentes intracorneales


Ingeniería de tejidosImplantes oculares artificialespolímeros electro-activos (eap)

Microensamblaje




Implantes y prótesis Endoprótesis

Implante de electrodos de rayos gama

Prótesis para recuperar la visión

mems



Conjugados poliméricos de segunda generación

Órganos artificiales bioeléctricos


Transductores






Microensamblaje

Biomateriales

Prótesis de caderaIngeniería de tejidos



Válvulas artificialesIngeniería de tejidos


polímeros electro-activos (eap)

mallas metálicas (stents)

Dispositivos para la mejora de arterias


Biomateriales


Reparaciones cranealesIngeniería de tejidos


Diseño mecatrónico

Músculos artificialesInterfaces neuronales

Electrodos extraneuronales

Electrodos intrafasciculares





Endoprótesis

Algoritmos de control de la estimulación eléctrica funcional

Músculos artificialesMatrices de polisacáridos electroactivos



Plantillas implantables de regeneración para meniscos en rodillasIngeniería de tejidos

Prótesis cosméticas

Polímeros electro-activos (eap) Prótesis faciales

BiomaterialesPrótesis dentales


BiomaterialesRemodelación mamaria

Siliconas

Implantes tisulares


Implantes de reemplazo articular para dedos, cadera, rodilla, hombro y codo





Implantes dérmicosSeparación y purificación de células madre de sangre periférica

Biomateriales

Generación de hidroxiapatitaImplantes en el sistema óseoCriopreservación automatizada de

células mononucleares


Acetábulos de cadera y rodilla artificialBiomateriales


Implantes celulares


Membranas artificiales

Quitosano








Implantes celulares

Polímeros electro-activos (eap) Membranas artificiales

Cánulas intraluminal Dispositivos implantables para ventrículos cardiácosPolímeros electro-activos (eap)

Dispositivos para prótesis Biometales Equipo para prótesis

como clavos y tornillos

Prótesis externas


Extremidades artificiales mioeléctricas (como brazos o piernas)

Conformado electromagnético


Microensamblaje


Microsensores

Micro-arreglos

mems

Estimuladores eléctricos

Biosensores

Interfaces neuronal

Servicios de atención a pacientes

Servicios de monitoreo

Conformado electromagnéticoSoluciones de monitoreo en tiempo real para tejidos y dispositivos internos

Transductores

Sensores

Transductores

SensoresRecuperación de datos en dispositivos internosCables de nanotubos de carbón

(quantum wires)

Láseres tridimensionales de exploración

Servicio de revisión de prótesis

Servicios de terapia

Control de infecciones

Terapias para tratamiento de heridas y reparación de tejido

Control de temperatura

Control de fibrosis

Evaluación estética


Computadoras de alto rendimiento

6Carlos Téllez

Aldo López

6.1.1 DefiniciónEsta megatendencia se refiere al uso de sistemas de cómputo avanzado (súper computadoras), y de sistemas formados por varios procesadores in-terconectados. Estos equipos son capaces de procesar enormes cantidades de información, lo que permite hacer cálculos y simulaciones imposibles en equipos de cómputo convencionales.

Algunas de las áreas en desarrollo en México son las relacionadas al procesamiento digital de imágenes en 3ª dimensión, los métodos para pro-cesamiento de datos y la localización en memoria. Para el área de cómputo de alto desempeño, los desarrollos se han enfocado por el lado eficiente de uso de memoria, localización de datos, redes de computadoras y modelado de información.

6.1.2 DetonadoresEntre los elementos tecnológicos característicos se aprecia que el uso de dispositivos de entrada/salida y unidades de tratamiento ha hecho crecer el interés de otros medios de interconexión, para la transferencia de infor-mación u otras señales; mientras que la cantidad de información computa-cional existente provoca la búsqueda de mejores métodos o disposiciones para el tratamiento de datos, actuando sobre el orden o el contenido de los datos tratados. También, la programación computacional migra hacia la descripción por datos de objetos tridimensionales, además de que el in-terés de los usuarios por la transmisión de información digital (a través del

6.1 Descripción


CAPÍTULO 6: COMPUTADORAS DE ALTO RENDIMIENTO

internet u otros medios) está motivando a mejorar las redes de datos de conmutación y lo que muestra que existe un aumento en la demanda para productos de computación cuántica.

6.1.3 Comportamientos tecnológicosExisten siete áreas generales de desarrollo en las computadoras de alto desempeño:• Acceso, direccionamiento o asignación en sistemas o arquitecturas de

memoria.• Interconexión o transferencia de información u otras señales entre memorias,

dispositivos de entrada/salida o unidades de tratamiento.• Computadores digitales en general y equipo de tratamiento de datos en general.• Métodos o disposiciones para el tratamiento de datos actuando sobre el orden o el

contenido de los datos tratados.• Disposiciones para el control por programa. Ejemplo: unidad de control (control por

programa para dispositivos periféricos)• Modelado tridimensional (3d). Ejemplo: descripción por datos de objetos

tridimensionales• Transmisión de información digital: redes de datos de conmutación

El mayor desarrollo técnico se encuentra en el desarrollo de métodos para el tratamiento de datos en comparación con las computadoras digitales en general. Las áreas de mayor importancia tecnológica se encuentran en el procesamiento de los datos, las memorias y los periféricos. Un área emergente es el modelado tridimensional, la cual abrirá nuevas posibilidades de procesamiento de información más compleja.


Los principales dueños de la tecnología para el área completa de computadoras de alto desempeño, en su gran mayoría son inventores independientes, lo que nos indica el valor comercial que tienen los avances en las tecnologías que impulsan la mega-tendencia. Además, se puede inferir el alto contenido en propiedad intelectual de los desarrolladores de los avances.

Por otro lado, en cuanto al desarrollo de temas de investigación por centros de in-vestigación privados, ibm se considera líder en el ramo, ya que esta empresa se en-cuentra presente en todas las áreas técnicas que configuran el área de cómputo de alto desempeño como la más importante desarrolladora de tecnologías para las hpc (High Performance Computers).



Tabla 6.1 Tecnologías existentes

Algoritmos lógicos y de distribución de las velocidades del sonido

Modelado tridimensional y el procesamiento de gráficos compuestos

Modelación de distribuciones y las técnicas de asignación de canal

Simulaciones numéricas de fluctuaciones y de procesos astrofísicos

Sistemas de administración de bases de datos Control computarizado de actuadores

Discos duros de gran almacenamiento Jerarquización de elementos de disco

Arquitectura de interfaz de bus Radiación cósmica de microondas

Análisis secuencial Interconexiones ópticas

Redes de almacenaje




Las tecnologías existentes de mayor impacto en la megatendencia son:


Las tecnologías emergentes de mayor influencia en la megatendencia son:


Cálculos químico-cuánticos y de la geometría molecular Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (dasd)

Variación de la amplitud con el desplazamiento (avo) Técnicas de recuperación de información sin estructura

Software avanzado para sistemas complejos Espectroscopía molecular

Herramientas semánticas Redes neurales


Algunos de los productos y servicios que impulsa la megatendencia se encuentran en las áreas de cálculo intensivo, almacenamiento masivo, y minería de datos (data mining). Algunos de estos son:



Cálculo intensivo

Cálculo de propiedades termodinámicas, catalíticas, fotoeléctricas, termodinámicas y físicas de nano-estructuras

Estudio de la estructura de las galaxias y su evolución, de la materia interestelar, y de la estructura de las estrellas

Mejoramiento de transmisión de señales satelitales y en la nitidez de aparatos de optometría médica

Estudio de las propiedades electrónicas estructurales de los nano-sistemas metálicos

Planeación del obras de infraestructura vial, urbanística y de rutas de transporte

Estudio de la estructura del universo y del sol, y de la relación sol-tierra

Identificación de recursos minerales (oro, estaño y diamantes) Búsqueda de nuevas moléculas en el espacio

Análisis de formaciones estelares Construcción del genoma humano

Modelación de proteínas y molecular Análisis de la química de los materiales

Corrección de defectos en imágenes del espacio Dispositivos de seguridad en automóviles

Diseño de oleoductos y gasoductos Diseño de materiales para automóviles

Estudios hidrogeológicos Superconductores

Inspección geotécnica Sistemas de frenado

Tabla 6.3 Cálculo intensivo


Tabla 6.4 Almacenamiento masivo

Tabla 6.5 Minería de datos



Almacenamiento masivo

Respaldo de bases de datos con información ciudadana y confidencial

Bases de datos de información genética

Bibliotecas virtuales

Minería de datos

Bases de datos inteligentes




Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios

Cálculo intensivo(number crunching)

Astrofísica

Espectroscopía molecular Estudio de la estructura del universo

Radiación cósmica de microondas Estructura del sol

Simulaciones numéricas de fluctuaciones Relación sol-tierra

Simulaciones numéricas de procesos astrofísicos

Búsqueda de nuevas moléculas en el espacio

Software avanzado para sistemas complejos

Estudio de la estructura de las galaxias y su evolución

Discos duros de gran almacenamiento Estudio de la materia interestelar

Procesamiento de gráficos compuestos

Estudio de la estructura de las estrellas

Descubrimiento de la formación estelar

Bioinformática

Análisis secuencial Construcción del genoma humano

Modelado tridimensional Modelación de proteínas

Procesamiento de gráficos compuestos Modelación molecular

Física y química cuántica

Cáculo de la geometría molecular

Estudio de las propiedades electrónicas estructurales de los nano-sistemas metálicos

Cálculo químico-cuántico Química de los materiales

Discos duros de gran almacenamiento

Cálculo de propiedades termodinámicas, catalíticas, fotoeléctrica, termodinámicas y físicas de nano-structuras

Modelado tridimensional Superconductores

Óptica adaptativaProcesamiento sísmico

Control computarizado de actuadoresAlgoritmos de distribución de las velocidades del sonido

Corrección de defectos en imágenes del espacio

Mejoramiento de transmisión de señales satelitales

Mejoramiento en la nitidez de aparatos de optometría médica

Identificación de recursos minerales (oro, estaño y diamantes)

6.6 Taxonomía




Cálculo intensivo(number crunching)

Procesamiento sísmico

Modelación de distribuciones Diseño de oleoductos y gasoductos

Variaciones de la amplitud con el desplazamiento (avo) Inspección geotécnica

Discos duros de gran almacenamiento

Estudios hidrogeológicosProcesamiento de gráficos compuestos

Simulaciones de colisiones vehiculares

Modelado tridimensional Dispositivos de seguridad en automóviles

Procesamiento de gráficos compuestos

Sistemas de frenado

Diseño de materiales para automóviles

Planeación del obras de infraestructura vial

Planeación urbanística

Modelado tridimensional Planeación de rutas de transporte

Almacenamiento masivo

Bases de datos distribuidas

Redes de almacenaje Bibliotecas virtuales

Jerarquización de elementos de disco

Bases de datos de información genética

Interconexiones ópticas

Sistemas de administración de bases de datos

Arquitectura de interfaz de bus

Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (dasd)

Sistemas de almacenamiento pasivo

Técnicas de asignación de canal

Respaldo de bases de datos con información ciudadana

Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (dasd)

Respaldo de bases de datos con información confidencial

Minería de datos(data mining) Análisis de datos

Herramientas semánticas

Bases de datos inteligentes

Técnicas de recuperación de información sin estructura

Redes neurales

Algoritmos lógicos


Alvaro José de AlbornozPatricia Escamilla

Ramón BrenaRaúl Monroy

Rogelio Soto RodríguezSairam Cerón

Manuel ValenzuelaEdgar Vallejo

7.1.1 DefiniciónLa Inteligencia Artificial es la rama de las ciencias computacionales que bus-ca crear computadoras que se comporten como humanos en varios tipos de tareas que requieren el uso de inteligencia, entre ellas:• Procesamiento de lenguaje natural (hablado y escrito)• Robótica y visión (máquinas capaces de percibir y actuar sobre un medio

ambiente físico)• Razonamiento experto (uso de conocimiento y razonamiento)• Juegos (ajedrez, damas, backgammon)

La megatendencia se define como el uso generalizado y creciente de las técnicas de la inteligencia artificial para controlar, optimizar, predecir, diag-nosticar, diseñar y explicar, procesos y sistemas en diversos sectores como salud, transporte, gobierno, empresa, manufactura, cómputo, comunicación y educación.

7.1 Descripción

7Inteligencia artificial


CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL

7.1.2 DetonadoresDentro de los procesos que detonan e impulsan el avance de la megatendencia se en-cuentran: el aumento de la capacidad del hardware, ya que permiten procesar más infor-mación en menos espacio; la evolución en las formas de comunicarse entre el hombre y las computadoras, gracias al desarrollo de sistemas de interacción, recepción y gene-ración de información que involucran todos los medios humanos posibles; la necesidad tecnológica de las personas para comunicarse en cualquier lado y en cualquier momen-to, en la actualidad la gente busca estar comunicada y conectada en cualquier lugar a donde va, porque el trabajo se vuelve parte de nuestra vida; la creciente movilidad de personas y mercancías, ya que se requiere infraestructura que permita esta la movilidad por vías marítimas, aéreas y terrestres, de manera real o virtual; el aumento del comercio internacional, pues al existir menos barreras arancelarias y más acuerdos comerciales se generan nuevos mercados de productos y servicios alrededor del mundo; la estan-darización de procesos y tecnologías en las empresas, debido a que al globalizarse, las compañías y sus sistemas deben armonizarse para poder compartir información y realizar sus operaciones.

7.1.3 Comportamientos tecnológicosEsta megatendencia tendrá un fuerte impacto en la sociedad; por ejemplo, las empresas utilizarán sistemas inteligentes para el diagnóstico y toma de decisiones, el creciente uso del Internet provoca el desarrollo de más servicios basados en web, el reconocimiento de patrones se utiliza en sitios de Internet y sistemas de seguridad, la expansión del Internet a diversas poblaciones genera el desarrollo de más servicios de e-learning, las empresas buscan continuamente una optimización de sus procesos que incluya todos los aspectos del negocio y lo hacen a través de sistemas inteligentes de planeación de los recursos. Además, el aumento de tráfico genera medios de transporte y autopistas inteligentes, la comunicación entre personas se realiza a través de interfaces inteligentes y será común el control de dispositivos mediante el pensamiento.


Temas de investigación de mayor relevancia:

Diseño inteligente

Logística inteligente

Algoritmos de “ruteo” en redes

E-learning y tutores inteligentes

Tabla 7.1Temas de investigación





Dentro del conjunto de tecnologías existentes que sostienen a la megatendencia se en-cuentran:

Modelos de usuarios

Agentes inteligentes

Sistemas expertos difusos para la toma de decisiones

Automatización de procesos administrativos

Diagnóstico médico

Planeación de producción

Optimización de procesos y de la red grid

Programación de tareas en cómputo grid

Patrones de comportamiento

Seguridad informática

Robótica

Control automático de procesos industriales

Manejo y descubrimiento de conocimiento

Modelación del comportamiento normal y anómalo de aplicaciones, usuarios y sistemas operativos

Criterios de seguridad (autenticación, integridad, no repudiación y privacidad)

Aplicaciones en protocolos de seguridad y de transacciones

Algoritmos genéticos y de schedulling

Diseño mecánico

Reconocimiento de patrones

Teorías de manipulación

Minería de datos (árboles de decisión, redes neurales, reglas expertas, entre otros)

Controles automáticos y simuladores interactivos inteligentes

Modelado estadístico y modelos predictivos

Protocolos recocido simulado

Lógica difusa

Semántica cuantitativa






Tabla 7.4 Procesos industriales




Algunas de las tecnologías emergentes impulsadas por la megatendencia son:


Argumentación y clasificadores

Fusión de sensores

Programadores lógicos controlables de alto rendimiento

Análisis de cripto-sistemas

Computación evolutiva

Planeación de movilidad y de trayectorias

Sistemas adaptativos, difusos, expertos y multiagentes

7.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios generados se localizan en las áreas de proce-

sos industriales, medicina, negocios, educación, gobierno, productos y servicios comer-ciales y seguridad. Algunos de ellos son:

Procesos industriales

Sistemas de control y supervisión de calidad en procesos de producción y optimización de diseño

Sistemas de diagnóstico de fallas para autos

Ruteo y distribución para flotillas de transporte

Vehículos autónomos e híbridos

Detectores de fallas sistemas de producción en serie

Controladores automáticos de procesos industriales

Simuladores de diseño automotriz

Calles y carreteras inteligentes




Tabla 7.5 Medicina

Tabla 7.6 Negocios


Medicina

Diagnosticadores de imágenes médicas

Detectores de predisposición genética a enfermedades

Dosificadores implantables de medicamentos

Humanoides de ayuda para discapacitados

Negocios

Sistemas de planificación automática en organizaciones

Sistemas de descubrimiento de conocimiento y de optimización multiobjetivo

Modelación de usuarios

Sistemas de digitalización y estandarización de contenidos e inteligentes de distribución de información

Sistemas de análisis de inversiones, riesgos y tendencias

Programadores de tareas en cómputo distribuido

Recursos de planeación inteligente empresarial (ierp)

Sistemas de: administración de incertidumbre; reconocimiento de patrones de compra

Buscadores inteligentes de información

Sistemas de: interpretación de índices económicos, pronósticos financieros e inteligencia de negocios

Sistemas de clasificación y agrupamiento de bases de datos

Sistemas de optimización de la red distribuida


Tabla 7.7 Educación

Educación

Automatización de los procesos de gestión educativa

Tutores virtuales inteligentes

Enseñanza virtual y en línea



Tabla 7.8 Gobierno

Gobierno

Portales virtuales para el gobierno (e-government)





Tabla 7.9 Productos y servicios comerciales

Tabla 7.10 Seguridad

Productos y servicios comerciales

Procesadores inteligentes de imágenes

Dispositivos móviles inteligentes

Interfaces inteligentes

Vida y visión artificial

Aparatos electrodomésticos inteligentes

Robots de servicio

Seguridad

Aplicaciones de software y hardware para protección de equipos, datos y redes

Identificadores de patrones de conducta sospechosos

Sistemas de detección de intrusiones en programas computacionales

Dispositivos de seguridad

7.5.2 Proyectos de inversióna) Vehículos híbridos, vehículos autónomos, logística, programación de tareas,

robótica, control automático de procesos: Compañías como Honda, Rockwell, General Electric y FLSmith están apostando a proyectos de automatización de vehículos autónomos, robótica y automatización. Los proyectos de vehículos autónomos tienen una competencia internacional, un ejemplo importante es “DARPA Urban Challenge”1 en donde universidades como Stanford y el mit invierten en la investigación y desarrollo de estos proyectos que integran varias tecnologías de Inteligencia Artificial.

b) Herramientas de software para el diagnóstico de predisposiciones genéticas a enfermedades y sistemas inteligentes para el apoyo a la toma de decisiones: Estas herramientas basadas en técnicas de inteligencia artificial pueden complementar los resultados de los métodos estadísticos tradicionales en aplicaciones de medicina para contribuir al entendimiento de los orígenes de enfermedades.

c) Sistemas inteligentes basados en reglas difusas para la toma de decisiones: Estos sistemas expertos se utilizan para representar conocimientos, por ejemplo: procesos de producción.

1) http://cs.stanford.edu/group/roadrunner/



d) Sistemas de toma de decisiones gubernamentales, portales de e-Gobierno (como en Ciudad de México y Morelos), sistemas de toma de decisiones en reclusorios y juzgados, sistemas de distribución y acceso a la información, sistemas de detección de patrones sospechosos y sistemas inteligentes: fuertes proyectos de inversión se están desarrollando para integrar la tecnología computacional y en particular los sistemas inteligentes en las áreas de seguridad y procuración de justicia, así como en el poder judicial. La creación de sistemas inteligentes específicamente diseñados para descubrimiento de patrones de comportamiento delictivos, soporte a la toma de decisiones judiciales y pre-liberaciones en reclusorios, ha generado una nueva área de trabajo dentro de la megatendencia.

e) Paquetes computacionales de Analytics para la toma de decisiones basada en datos: que buscan apoyar la toma de decisiones optimizando herramientas como la minería de datos, econometría, optimización y administración de modelos.2

f) Bussiness intelligence, pronósticos financieros, distribución de información y análisis de riesgos, son áreas en las que el ritmo de inversión es creciente. Prácticamente todas las grandes compañías dedicadas al manejo de información y de datos –como Oracle, IBM, Bull y SAP- están invirtiendo grandes cantidades en el desarrollo de nuevos proyectos.3

7.6 Taxonomía

2) Compañías como Google y sas ofrecen paquetes computacionales de Analytics

3) Existen productos en etapa de prototipo como JITIK: www.ensitech.com



Procesos industriales Fabricación y diseño

Sistemas expertos

Sistemas de diagnóstico de fallas para autos

Clasificadores


Redes neurales

Sistemas difusos

Sistemas expertosVehículos híbridos

Lógica difusa

Planeación de trayectorias Vehículos autónomos




Procesos industriales

Fabricación y diseño


Vehículos autónomosSistemas expertos

Lógica difusa


Programador lógico controlable de alto rendimiento Simuladores de diseño automotriz

Modelado estadístico

Clasificadores Calles y carreteras inteligentes

Sistemas expertos Ruteo y distribución para flotillas de transportePlaneación de trayectorias

Control de calidad

Computación evolutiva Sistema de optimización de diseño

Sistemas expertos

Sistemas de control y supervisión de calidad en procesos de producción


Redes neurales

Sistemas difusos

Modelos predictivos

Sistemas expertos Detectores de fallas sistemas de producción en serieClasificadores

Planeación de trayectorias Controladores automáticos de procesos industrialesRecocido simulado

Medicina Diagnóstico y detección


Diagnosticadores de imágenes médicas

Redes neurales

Minería de datos


Sistemas expertos

Clasificadores



Detectores de predisposición genética a enfermedades

Lógica

Redes neurales

Minería de datos


Sistemas expertos

Reglas expertas




Medicina Atención médica

Sistemas expertos

Dosificadores implantables de medicamentos

Fusión de sensores

Lógica difusa


Fusión de sensores

Humanoides de ayuda para discapacitados

Teoría de manipulación

Planeación de trayectorias

Planeación de movilidad



Lógica difusa


Negocios

Planeación y administración


Sistemas de planificación automática en organizaciones


Redes neurales

Sistemas difusos

Sistemas expertos Recursos de planeación inteligente empresarial (ierp)Árboles de decisión

Clasificadores Sistemas de descubrimiento de conocimientoRedes neurales

Computación evolutiva Sistemas de optimización multiobjetivo

Lógica difusa sistemas de administración de incertidumbreAlgoritmos genéticos

Mercadotecnia

Sistemas expertos

Modelación de usuarios

Lógica difusa



Algoritmo genético

Sistemas expertos

Sistemas de reconocimiento de patrones de compra

Lógica difusa

Clasificadores







Negocios

Mercadotecnia

Clasificadores

Sistemas de digitalización y estandarización de contenidosSimuladores interactivos

inteligentes

Análisis económico

Sistemas expertos

sistemas de análisis de inversionesModelado estadístico


Lógica difusa

Sistemas expertosSistemas de interpretación de índices económicosComputación evolutiva

Lógica difusa

Sistemas expertosSistemas de pronósticos financieros


Sistemas expertos

Sistemas de análisis de tendenciasModelado estadístico


Lógica difusa

Sistemas de análisis de riesgosSistemas expertos



Sistemas expertos

Sistemas de inteligencia de negocios



Lógica difusa

Minería de datos


Sistemas inteligentes de distribución de información

Sistemas expertos

Modelos predictivos

Algoritmos de schedulling


Lógica difusa

Clasificadores

ClasificadoresBuscadores inteligentes de información






Negocios Minería de datos

Sistemas expertos Programadores de tareas en cómputo distribuidoAlgoritmos de Schedulling

Computación evolutivaSistemas de optimización de la red distribuidaAlgoritmos de Schedulling

Patrones de comportamiento

Sistemas expertos

Sistemas de clasificación y agrupamiento de bases de datos

Clasificadores


Algoritmo genético

Educación

Gestión educativa

Sistemas expertos

Automatización de los procesos de gestión educativa


Simuladores interactivos inteligentes

Enseñanza inteligente

Computación evolutiva Enseñanza virtual y en línea

Sistemas expertos Tutores virtuales inteligentes





Gobierno Minería de datos Semántica cuantitativa Portales virtuales para el gobierno (e-government)


Comercio

Clasificadores Procesadores inteligentes de imágenes

Clasificadores Visión artificial

Planeación de trayectorias Dispositivos móviles inteligentes

Lógica difusa Aparatos electrodomésticos inteligentes

Sistemas inteligentes

Sistemas expertos

Interfaces inteligentes


Lógica difusa



Sistemas adaptativos

Vida artificialÁrboles de decisión


Lógica difusa





Sistemas inteligentes

Computación evolutiva Vida artificial

Diseño mecánico

Robots de servicio

Control automático




Lógica difusa


Sistemas multiagentes

Seguridad

Seguridad biométrica

Fusión de sensores

Dispositivos de seguridad



Aplicaciones en protocolos de seguridad

Protocolos de transacciones

Criterios de privacidad

Criterios de autenticación

Criterios de integridad

Criterios de no repudiación

Sistemas expertos

Clasificadores




Argumentación




Aplicaciones en protocolos de seguridad

Protocolos de transacciones

Criterios de privacidad





Seguridad


Criterios de autenticación


Criterios de integridad

Criterios de no repudiación

Sistemas expertos

Clasificadores



Argumentación

Clasificadores Sistemas de detección de intrusiones en programas computacionalesRedes neurales

Criminalística

Sistemas expertosIdentificador de patrones de conducta sospechosos



8Joaquín Oseguera

Olimpia SalasAlex Elías

Horacio AhuettCiro Rodríguez

Materiales inteligentes e ingeniería de superficies

8.1.1 DefiniciónMateriales cuyas propiedades eléctricas, mecánicas, acústicas o cuya estructura, composición o funciones cambian de manera específica en respuesta a un estímulo proveniente del ambiente. Este cambio debe ser predecible y capaz de ser incorporado como tecnología en productos comerciales.

La ingeniería de superficies se refiere a la modificación de la super-ficie de cualquier material para producir componentes con una combi-nación única de propiedades que mejoren –de manera predecible- su desempeño, impacto en el ambiente y costo.

Existen principalmente 5 diferentes tipos de materiales inteligen-tes, también utilizados en la ingeniería de superficies: piezo-cristales (pzt), metales con efecto memoria, metales magneto-resistivos, vi-drios electro-crómicos y los polímeros electro-activos y de efecto memoria.

8.1.2 DetonadoresLos principales impulsores de la megatendencia son los avances en las disciplinas involucradas, que incluyen: ciencia de superficies, técnicas

8.1 Descripción


CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES

de vacío, magnetismo, caracterización de superficies, plasmas, electrónica, biotecnolo-gía, catálisis y sobretodo los avances en nanotecnología.

8.1.3 Comportamientos tecnológicosEl impacto de la ingeniería de superficies se puede medir a través del número de sectores donde tiene aplicaciones. Se han identificado al menos 15 sectores primarios donde esta disciplina es un importante recurso tecnológico, incluyendo los biomateriales, la generación de energía, la transformación de metales, la electrónica, la extracción de petróleo, la industria automotriz, la aeronáutica y la alimentaria. Por ejemplo, un estudio hecho en Inglaterra indica que el 80% de las industrias aeronáutica y automotriz depende de la ingeniería de superficies y se ha reconocido que es uno de los métodos más importantes para diferenciar un producto en términos de calidad, desempeño y costo. Adicionalmente, el progreso en esta disciplina ha permitido a su vez el desarrollo de tecnologías emergentes muy relevantes en las economías actuales por ejemplo los mems4, el almacenamiento de datos y las fibras ópticas.

Actualmente algunas industrias están estrechamente vinculadas a la utilización de superficies y materiales inteligentes, como la aeronáutica, en donde la eficiencia de los motores no se puede aumentar sin el uso de barreras térmicas aplicadas en las superficie de componentes sometidos a altas temperaturas y cargas. Otro ejemplo es el desarrollo de recubrimientos protectores para ambientes carburizan-tes, que ha requerido del desarrollo de modelos termodinámicos para aumentar las bases de datos de corrosión en estos ambientes. Así también, la adaptación de la espectrocopía molecular ha permitido analizar in-situ los productos de la corrosión aumentando al mismo tiempo el rango de aplicaciones para esta técnica de análisis (Argonne, 2007)

Existen diversos tipos de materiales inteligentes que están establecidos a nivel co-mercial, ya que las aplicaciones potenciales de estas tecnologías abarcan múltiples in-dustrias. En México hay oportunidades en diversas áreas, particularmente en la industria aeronáutica, en el desarrollo de la bio-medicina, para las aplicaciones de los bio-materia-les y en la industria automotriz. Esta megatendencia está influenciando muchos produc-tos industriales y de consumo.

Por otro lado, la diversidad ambiental y el cambio climático generan la demanda del diseño de materiales vinculados con las propiedades y condiciones en que actuarán. Además, debido a la pérdida de la calidad de ciertos instrumentos se diseñan mejores técnicas de análisis de corrosión y desarrollo de recubrimientos protectores. También, para mejorar las superficies se está diseñando la aplicación de tratamientos termoquí-micos convencionales y asistidos por plasmas. Para la caracterización superficies y ma-teriales se incrementa el uso de difracción de rayos X, la microscopía de campo y la

4) Sistemas micro-electro-mecánicos



microscopía de tunelaje. Finalmente se han utilizado diversas formas de interacción de la radiación con la materia para caracterizar estructuralmente los materiales y superficies

A continuación se presentan ejemplos de la manera en que industrias existentes han introducido el uso de materiales inteligentes. Se discuten también casos en que estas aplicaciones pueden ampliarse.

8.1.3.1 BiomaterialesLa biocompatibilidad de un material es quizá su propiedad más importante cuando éste es usado como prótesis en la medicina y en el campo dental. La biocompatibilidad signi-fica que el material no es tóxico, es decir, que no genera una reacción de rechazo cuando es implantado en el cuerpo. Antes de la aparición de los materiales inteligentes y debi-do a las rigurosas demandas de las propiedades del material para biocompatibilidad, sólo tres materiales metálicos habían sido autorizados para usarse como materiales para implantes: Fe–Cr–Ni, Co–Cr and Ti–Al–V. Las investigaciones realizadas en la compati-bilidad del Ti–Ni (nitinol), material con efecto memoria, demuestran que éste tiene una resistencia a la corrosión superior a otros materiales metálicos. Esto se debe a la forma-ción de capas pasivas de óxido de titanio (TiO2). Esta cualidad permite el uso extensivo de brackets de nitinol en la industria dental, por ejemplo. Se ha reportado también el uso de grapas para unir hueso en el campo de la medicina. De igual manera, esta propiedad permite el desarrollo de equipo quirúrgico y de dispositivos médicos.

A partir de materiales inteligentes se ha desarrollando equipo de diagnóstico y far-macéutico para tratamientos, así como prótesis. Ejemplos típicos son las pinzas para biopsias y stents (cubiertas intra-arteriales) de nitinol.

8.1.3.2 Estructuras inteligentesLas estructuras inteligentes son compuestos de materiales que incorporan las fun-ciones particulares de sensores y actuadores para desarrollar acciones inteligentes que permiten detectar y prevenir fallas en éstas. Los cinco componentes básicos de una estructura son: adquisición de datos (sensores táctiles), transmisión de datos (nervios sensores), unidad de comando y control (cerebro), instrucciones de datos (nervios motores) y mecanismos de acción. El desarrollo de estructuras con base en materiales inteligentes ha sido explorado en los campos de la construcción, la aeronáutica y la industria automotriz. Por ejemplo, existen puentes equipados con sensores para monitorear la propagación de fracturas, desplazamiento de juntas, vibración y corrosión.

8.1.3.3 Tecnología electrónica automotrizLa principal área de aplicación es en sensores, entre los que destacan los sistemas micro electro-mecánicos o mems, utilizados en el sistema de antibloqueo (abs); en el sistema de sensado de los cinturones de seguridad; en la detección de apertura y



cierre del quemacocos y en la detección de las condiciones hidráulicas de los sistemas abs y vso, por citar algunos ejemplos. Estos sensores utilizan generalmente materiales piezo resistivos (pzt).

8.1.3.4 Estructural en el campo automotrizLa empresa General Motors tiene como objetivo para el 2010 el desarrollo de aleaciones de memoria de forma y de polímeros para integrarlos en los nuevos diseños de vehí-culos, donde se desea aprovechar la ventaja de estos materiales para manipular sus propiedades. En particular, la capacidad para recuperar la forma y rigidez cuando son sometidos a un proceso de calentamiento, a un campo magnético o a una fuente de voltaje pueden ser útiles después de un impacto.

Otro ejemplo de los resultados que gm ha obtenido es el desarrollo de suspen-siones semi-activas (Delphis’s MagneRide). Ésta ha demostrado las bondades que existenten al utilizar fluidos magnetoreológicos, los que presentan una rápida res-puesta ante diferentes situaciones de manejo. Su aplicación permite la eliminación de válvulas electromecánicas y una mayor versatilidad de los amortiguadores (al poder cambiar hasta 1,000 veces por segundo el parámetro de viscosidad). El re-sultado final es un incremento en la seguridad y en el nivel de control de estabilidad del vehículo.

8.1.3.5 VibracionesLas vibraciones y el ruido de transmisión estructural constituyen uno de los problemas fundamentales cuando se quiere mejorar el confort en los medios de transporte, au-mentar la vida útil de elementos y componentes o cuando se pretende reducir las vibra-ciones en procesos en máquinas-herramienta para mejorar la calidad de los acabados superficiales. La solución del problema de la transmisión de vibraciones estructurales se puede abordar ya sea controlando las fuentes o impidiendo el paso de las vibraciones a través de los elementos de conexión. En este último caso, el aislante debe mantener dos cualidades que son generalmente excluyentes: capacidad de filtrado de vibraciones y sacrificar rigidez estructural. Para lograr estas características, se han utilizado materiales piezocerámicos monolíticos embebidos en una matriz viscoelástica o fibras con matriz polimérica. Además de añadir la resistencia del material base, la flexibilidad de la matriz polimérica permite la confortabilidad en las superficies curvas y proporciona una coraza de protección alrededor del material piezoeléctrico.

En la medida en que los diseñadores de productos tengan un mejor entendimiento de las cualidades de los Materiales Inteligentes, sus aplicaciones habrán de incrementar-se. En la actualidad, la aplicación y cualidades de estos materiales no forman parte de los cursos de enseñanza regulares de entrenamiento de ingenieros. Esto es particularmente cierto en México.



Por otro lado, algunas de las áreas en las que existe un potencial inmediato para la aplicación de materiales inteligentes son:

Carreteras inteligentes / ingeniería civilEl beneficio de construir un sistema de transporte inteligente tendrá un tremendo impacto en la productividad. El principal objetivo en sistemas de automatización mediante el uso de carreteras inteligentes es el mejoramiento de seguridad y reducción de accidentes de tráfico.

Transductores / electrónicaActualmente el crecimiento en el mercado de transductores ha sido rápido y se predice que continuará a su actual paso. El mercado de sensores era de $5 mil millones de dólares en 1990, y creció a $13 mil millones de dólares con un crecimiento anual del 8% durante la siguiente década. Los sensores piezo-eléctricos y electro-restrictivos abarcan una porción significativa del mercado de transductores fundamentalmente debido a la producción automotriz, amortiguamiento de vibraciones activas y la generación de imá-genes médicas.

Baterías / electrónicaLas baterías son la principal fuente de poder. Actualmente el mercado de las baterías excede los $30 mil millones de dólares por año. Los rápidos avances tecnológicos y miniaturización en electrónica han creado un incremento de la demanda por baterías compactas e iluminación. Ejemplos de dispositivos portátiles son celulares, laptops, computadoras y cámaras de video las cuales requieren baterías de alta densidad de energía. El desarrollo de baterías de alta densidad de energía está siendo posible debido al desarrollo de materiales inteligentes y procesos.

Actuadores electromecánicos / equipo quirúrgicoEl desarrollo de actuadores electromagnéticos de precisión ha crecido de manera im-portante. La principal ventaja de estos actuadores es su alta precisión, en el orden de los 10 nanómetros, rápida respuesta en el tiempo (10 μs) y alta fuerza regenerativa con baja propulsión. Estas propiedades de los actuadores electromagnéticos hacen que sean atractivos para sistemas ópticos, maquinaria de precisión y pequeños motores de alta potencia.


Temas de investigación sobresalientes a nivel mundial:




El uso comercial de tecnología ultrasónica de imágenes

Transductores magnetorestrictivos en equipo industrial

Terminación magnetoreológica (MRF), tecnología de afinamiento de superficies

Sistemas de control de ruido en equipo industrial

Investigación de estructuras adaptables y compositos inteligentes

Fluidos magnetoreológicos (ERF), fluidos que cambian de viscosidad debido a una carga eléctrica


En México, de acuerdo a datos del 2003, menos de 5 de los más de 500 proyec-tos que recibieron apoyo en la convocatoria de Ciencias Básicas de conacyt podrían considerarse como asociados a materiales inteligentes. Entre las líneas de investigación relacionadas que se reportan en la actualidad se encuentran:• Desarrollo de Materiales Electro-cerámicos (Centro de Materiales Avanzados cimav)• Caracterización de Bio-materiales (ipn)

Para el 2006, hubo un incremente ligero, pues se identificaron 5 proyectos de entre los más de 500 apoyados a través de la convocatoria de Ciencias Básicas.• Polímeros opto-electrónicos para aplicaciones en holografía dinámica,

comunicaciones ópticas, celdas fotovoltaicas ($1,750,000 para el Centro de Investigaciones en Óptica)

• Sensores MEM para gasas ($335,000 Cinvestav)• Materiales catalíticos inteligentes para reducción de Nox ($2,200,000 unam)• Bio-materiales para remediación de aguas residuales ($1,300,000 uam)• Polímeros inteligentes para el encapsulamiento y liberación de sustancias bio-activas

($1,140,00)Se nota un interés por desarrollar materiales que permiten reducir la contaminación.


Las tecnologías asociadas con la ingeniería de superficies tiene diversas vertientes que pueden agruparse en dos conjuntos. El primer grupo está asociado con la síntesis de materiales, éste tiene como recurso principal los tratamientos termo-químicos asistidos por plasmas. El depósito físico de vapores, el depósito químico de vapores, el “plasma spray” y el plasma por arco, son ejemplos relevantes de este grupo de tecnologías. Es importante destacar que este grupo de desarrollos sostienen sus procesos con base en sistemas tecnológicos que requieren niveles de vacío importantes. En un segundo grupo se tienen los tratamientos termoquímicos convencionales, tal es el caso de la reacción





gas-sólido, o variantes de esta, las post-descargas, las cuales producen especies neu-tras pero excitadas en diversas configuraciones electrónicas, para estas tecnologías la difusión de un elemento desde un gas hasta el sólido es el evento principal en el proce-so.

Dentro de las tecnologías existentes encontramos:

Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad y de carbono-boro-nitrógeno o a base de cromo-platino

Rociados térmicos, nitruración, inmersiones térmicas, pulverización catódica

Piezo-cerámicos, piezo-eléctricos y piezo-resistivos

Polímeros biocompatibles y conductivos

Luminiscencia en fibras ópticas

Estructuras multicapa

Depósitos por láser pulsado y por transferencia inducida por láser de biomoléculas

Ligamentos artificiales con nanoestructuras bioactivas

Materiales cerámicos y magnetorestrictivos

Difracción de rayos gama

Electrodeposiciones


Algunas de las tecnologías emergentes en la megatendencia son:


Capas mecano-luminiscentes

Deposiciones pacvd asistidas por plasma ecr

Descargas deb arco

Interacciones haz de láser-sólido

Implantaciones por plasma nanocomposite de compuestos metálicos

Nanotubos de arcilla

Vaporizaciones con láser

Fluidos magnetoreológicos

Fusiones de polímeros

Tecnologías híbridas




Estados Unidos y el Reino Unido son los países líderes en investigación y uso de ma-teriales inteligentes. Lo anterior debido al alto presupuesto destinado por sus respectivos departamentos de defensa nacionales. Sin embargo, las aplicaciones van más allá del desarrollo de sistemas dedicados con fines bélicos, las áreas de biomedicina y transpor-te terrestre y aéreo han sido campo fértil para el uso de estos materiales.

Estos materiales abren posibilidades tecnológicas que pueden ser aplicadas en la generación de nuevos productos. Los materiales inteligentes fortalecen las tecnologías emergentes que tienen como objetivo crear sensores y actuadores que simplifiquen me-canismos, incrementen la eficiencia energética y reduzcan el volumen en los productos finales. Algunos ejemplos específicos de tecnologías emergentes se presentan a conti-nuación.a) Motor Ultrasónico: basado en el movimiento del rotor a base de vibraciones excitadas

en un estator por medio de efectos piezoeléctricos. La sincronización de las pulsaciones generadas por los actuadores piezoeléctricos producen velocidades de rotación ultrasónicas que pueden ser aplicadas en micro-maquinado con arranque de viruta, tales como micro-fresado y micro-taladrado.

b) Polímeros estimulo-receptivos: la Universidad de Case Western Reserve con una inversión de $335,000 dólares, está realizando investigación en polímeros estimulo-receptivos los cuales cambian mediante la aplicación de un estímulo externo como cambios en su temperatura, fuerza iónica, ph, campos eléctricos y magnéticos o mediante análisis químico o biológico. Las principales aplicaciones son películas inteligentes en sensores, actuadores y dispositivos electro-ópticos.

c) Materiales magnéticos inteligentes para sensores: la Universidad de Sheffield con un monto de €120,323 euros está realizando investigación en películas magnéticas

Pistola de iones de cátodos hollow (hollow cathode ion gun)

pvd Industrial

Matrices viscoelásticas

Multicapas moleculares

Tratamientos termoquímicos por difusión

Inmersiones iónicas en plasma

Recubrimientos en capa mcraly, sonaspray o spray forming

Superficies hidrofóbicas

Metal dusting

Fibras con matrices poliméricas

Impregnaciones por vacío

High energy Electron Synchroton Resonance

Películas nano-estructuradas



ultra-delgadas, la investigación presenta la oportunidad de establecer cómo es que diferentes técnicas de fabricación cambian las propiedades magnéticas y micro-estructuras de materiales inteligentes tales como las aleaciones FeCo y FeGa. Estos tienen aplicación práctica en discos magnéticos y memorias de computadora.

d) Reducción retroalimentada de vibraciones mecánicas: mediante la aplicación de actuadores eléctricos se puede reducir e inclusive cancelar las vibraciones mecánicas de estructuras, tales como fuselajes de aviones. De esta manera, los aviones que entren a la zona de resonancia durante su vuelo podrán cancelar las vibraciones mecánicas que podrían generar inestabilidad durante su trayecto o inclusive una falla catastrófica; esto mediante un panel compuesto por tecnología basada en actuadores piezoeléctricos, conocido como panel de vibración supersónico (Flutter).

e) Cancelación de ruido: el ruido es considerado una vibración acústica contaminante en el ambiente, que se requiere reducir o cancelar en aplicaciones tales como salas acústicas de grabación, cabinas interiores de aeronaves o áreas industriales con procesos de producción estruendosos. En estos ejemplos como en otros casos, las fuentes de ruido no pueden ser removidas y se requiere de sistemas activos de reducción o cancelación de ruido. Es decir, sistemas que no solo aislen el ruido sino que detecten su nivel actual y que por medios activos sean capaces generar vibraciones acústicas para disminuir o cancelar el ruido ambiental. La tecnología de generación de ondas sonoras mediante membranas excitadas con actuadores piezoeléctricos ha demostrado gran potencial para la disminución y cancelación de ruido con la posibilidad de aplicarse en áreas confinadas.

f) Control de amortiguamiento activo: la tecnología de amortiguamiento activo de vibraciones basada en elastómeros y fluidos tiene grandes ventajas sobre los sistemas de amortiguamiento pasivo aplicado en la industria del transporte terrestre y aéreo. Los avances en el diseño de rotores de alta velocidad y bajo costo han provocado que se genere en poco tiempo un desbalanceo dinámico en los vehículos y naves. Este desbalanceo produce vibraciones que disminuyen la confortabilidad en el interior de los medios de transporte. Así, los sistemas de amortiguamiento activo se adaptan a las condiciones variables para disminuir el efecto de las vibraciones mecánicas y por lo tanto incrementar la confortabilidad. Los sistemas activos de amortiguamiento basados en elastómeros y fluidos magnetoreológicos además de ser adaptivos a las condiciones variables de vibraciones, son compactos con respecto a los sistemas convencionales.

g) Sistemas de administración de medicamentos: los avances de la investigación biomédica han abierto campos potenciales de aplicación para polímeros biocompatibles. A través de los polímeros inteligentes para administración de sustancias, los desarrollos caen en dos categorías: regular externamente o sistemas pulsantes y sistemas regulados.



h) Impresión molecular: se están realizando investigaciones con el uso de polímeros para impresión molecular en combinación con fibra óptica luminiscente para crear sensores químicos altamente sensitivos. Este campo muestra promesas para el mercado de biosensores sintéticos.

i) Visualización de la distribución de esfuerzos: la aplicación de recubrimientos inteligentes junto con capas de material con propiedades de mecano-luminiscencia para analizar esfuerzos dinámicos, no sólo da un nuevo método para una evaluación no destructiva de materiales, sino que ha abierto una ventana en el desarrollo de nuevos sistemas inteligentes y dispositivos opto-mecánicos. La función de estos dispositivos es grabar en imágenes el esfuerzo aplicado en una capa luminiscente.

8.5.1 Lista de productos y serviciosDentro de los productos y servicios generados por la megatendencia se encuentran den-tro de las áreas de medicina e industria las siguientes:


Tabla 8.5 Industria

Medicina

Recubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas

Impresiones moleculares

Sistemas de administración de medicamentos

Biosensores


Industria

Absorbentes acústicos para zonas abiertas

Arreglos de sensores en aeronaves

Capas adherentes para aparatos mecánicos, conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos integrados

Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica

Baterías

Carreteras inteligentes

Circuitos y micro-estructuras




Industria

Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datos

Conductos de agua caliente aislados térmicamente

Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz

Metalización de grifos y tuberías

Motores ultrasónicos para robótica

Pantallas de televisión y de computadoras

Protección de herramientas de corte de alta velocidad y contra la corrosión a alta temperatura

Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos y duros para piezas móviles del motor

Herramientas de visualización de la distribución de esfuerzos

Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos

Válvulas y llaves de paso recubiertas con níquel-teflón

Trenes de levitación magnética (MAGLEV)

Aluminizado de manijas, cerraduras.

Atenuación del ruido del fuselaje de un avión

Recubrimientos de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua, frotamiento, fricción

Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves y de vibraciones

Capacitores

Celdas electrovoltaicas

Componentes de automóviles metalizados

Cristales recubiertos con celulosa como aislante acústico

Pinturas de autos con mayor resistencia al agua y al sol

Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos

Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio

Dispositivos semiconductores

Plásticos resistentes al calor

Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis

Recubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos

Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico

Transductores para sensores de vibraciones activas

Tubos para cañerías resistentes a la corrosión

Sensores de frenado para autos


8.5.2 Proyectos de inversiónDentro de los principales proyectos se encuentran:



a) Desarrollo de automóviles ligeros, a través de materiales que proporcionan gracias a esta característica un mejor desempeño.

b) Desarrollo de lubricantes sólidos para la industria automotriz, estos recubrimientos disminuyen notablemente la fricción

c) Desarrollo de herramientas de alto rendimiento, ya que los recubrimientos superduros proporcionan una resistencia superior al desgaste

d) Desarrollo de turbinas de mayor eficiencia para la industria aeronáutica: los recubrimientos de barreras térmicas permiten una mayor temperatura de operación en las turbinas aumentando su eficiencia.

e) Desarrollo de materiales biocompatibles para la industria médicaf) Desarrollo de dispositivos para almacenamiento de datos en la industria de la

electrónica, ya que los depósitos de materiales especiales permiten obtener una mayor capacidad de almacenamiento de datos.

g) Empaques en la industria alimenticia, con capacidad de respuesta ante fechas de caducidad, apertura del empaque y no toxicidad.

h) Desarrollo de nuevos materiales para maquinaria diesel de alto rendimientoi) En la arquitectura, desarrollo de recubrimientos estéticos y con propiedades ópticas

específicas que aumenten la funcionalidad de los diseños.j) Desarrollo de materiales cerámicos e innovación de compuestos: El centro para

materiales avanzados y estructuras inteligentes de la Universidad de Norte de Carolina, está invirtiendo $3,871,172 dólares en realizar investigación en el desarrollo de materiales cerámicos, con aplicaciones en componentes estructurales, energía, barreras térmicas (aislantes), componentes electrónicos, sensores. Los materiales cerámicos estructurales pueden ser utilizados en aplicaciones de altas temperaturas, los materiales cerámicos inteligentes y parches piezo-cerámicos, además, pueden sujetarse a las superficies externas de estructuras o ser directamente implantados en el material para obtener mediciones del comportamiento estructural. El mercado mundial de estos materiales es de $8.6 miles de millones de dólares por año.

k) Sensores electromagnéticos inteligentes para identificación de daños en estructuras y materiales: La Universidad de Dartmouth está invirtiendo $271,835 dólares en mejorar el desempeño de sensores electromagnéticos incrementando la sensibilidad en el control por medio de materiales inteligentes “Magnetostrictive”, el cual explota la relación entre la ganancia de control con retroalimentación y los parámetros que caracterizan el sistema de la geometría del daño. Estos sensores pueden usarse para detectar fallas en sistemas mecánicos y civiles, así como en el seguimiento de desperfectos crecientes bajo cargas aleatorias. El mercado global para el desarrollo de sensores fue de $5.7 miles de millones de dólares en el 2006 y se estima que crecerá a $9.4 miles de millones de dólares para el 2012 con una tasa de crecimiento anual del 6.4%.

l) Sensores para glucosa (industria biomédica): Los sensores biomédicos están basados en el rápido avance en películas químicas delgadas, tejidos finos e ingeniería celular. Es



previsible que los sensores biológicos puedan ser hechos usando enzimas complejas o reacciones celulares. Se vislumbra la aplicación de polímeros inteligentes en estos dispositivos en el lazo de retroalimentación, ya sea trasmitiendo una señal o respondiendo directamente a la anormalidad, por ejemplo en combinación con depósitos de drogas. Algunos de los desafíos para el desarrollo de materiales para sensores biomédicos incluyen mejoras en biocompatibilidad, tiempo de vida del sensor, minimizar las señales, maximizar la sensibilidad, desarrollo de la capacidad para ajustar los sensores en vivo y utilizar materiales que sean estériles o esterilizables. En la actualidad el monitoreo de glucosa en la sangre en los Estados Unidos asciende aproximadamente a $750 millones por año y crece a una tasa de 10% por año. Actualmente se están desarrollando sistemas para liberar enzimas sensibles a la glucosa utilizando materiales inteligentes. El uso de estos materiales permite entonces el monitoreo y la administración de medicamento.

Una aplicación importante para generar este tipo de biomateriales es para eliminar el cáncer. Debido a que el cáncer es una de las principales enfermedades en el mundo. Varias terapias tales como radioactivas y quimioterapia han sido desarrolladas para eli-minar el cáncer o tumores. Sin embargo el tratamiento por sí mismo es peligroso para los pacientes debido a que los productos químicos para la quimioterapia son bastante tóxicos. Por lo que la Universidad de Keele está invirtiendo €207,072 anuales en investi-gaciones para desarrollar pequeñas nano-cápsulas que puedan contener agentes anti-cáncer, estas cápsulas incluyen nano-partículas magnéticas que puedan mover la célula con cáncer o tumor mediante un magneto externo.

Como puede observarse, las aplicaciones que han recibido mayor atención se en-cuentran en industrias en las que el desempeño funcional es de suma importancia: Ae-roespacial y Biomedicina. Se menciona una aplicación emergente: monitoreo y control de daños en estructuras. A nivel de tecnología, los dispositivos que mayor uso hacen de los materiales inteligentes son los sensores y actuadores, que ven su desempeño mejorado. En el caso de instrumentos quirúrgicos, las propiedades químicas de estos materiales han permitido el incremento en el uso de estos materiales.



Medicina Biomateriales Depósitos por láser pulsadoRecubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas




Medicina Biomateriales

Depósitos por transferencia inducida por láser de biomoléculas

BiosensoresDescargas deb arco

Vaporización con láser

Polímeros biocompatibles Sistemas de administración de medicamentos

PolímerosImpresión molecular

Luminiscencia en fibra óptica

Industria

Microelectrónica y semiconductores

Electrodeposición

Capas conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos integrados

Materiales magnéticos Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datosEstructuras multicapa

Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad

Celdas electrovoltaicas

Capacitores

Inmersión iónica en plasma Pantallas de televisión y de computadorasInteracción haz de láser-sólido

Piezoeléctricos Baterías

Impregnación por vacíoCircuitos y micro-estructuras

Piezoeléctricos

Ligamento artificial con nanoestructura bioactiva Dispositivos semiconductores

Polímeros conductivos Arreglo de sensores en aeronaves

Piezoresistivos

Sensores de frenado para autos

Transductores para sensores de vibraciones activas

Piezoeléctricos Motor ultrasónico para robótica

Productos de consumo

Electrodeposición Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos

Rociado térmico Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos

Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos




Industria

Productos de consumo

Materiales cerámicos Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico

Rociado térmicoCristales recubiertos con celulosa como aislante acústico

Recubrimiento (sonaspray) Absorbentes acústicos para zonas abiertas

Multicapas molecularesRecubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos

Ingeniería y Metalurgia

Fusión de polímeros

Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz

Materiales magnetoestrictivos Carreteras inteligentes

Piezocerámicos monolíticosAtenuación del ruido del fuselaje de un aviónMatrices viscoelásticas

Fibras con matriz polimérica

Piezoeléctricos Control de vibraciones

Fluidos magnetoreológicos Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves

Capas mecano-luminiscentes Visualización de la distribución de esfuerzos

Spray forming Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio

Aplicaciones cerámicas

Nanotubos de arcilla Plásticos resistentes al calor

Recubrimientos en capa McrALI

Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica

Recubrimientos a base de cromo-platino

Materiales cerámicos

Materiales cerámicos Conductos de agua caliente aislados térmicamente

Superficies / catálisis

Metal dusting Protección contra la corrosión a alta temperatura

Rociado térmico

Recubrimiento de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua, frotamiento, fricción




Industria

Superficies / catálisis

Superficies hidrofóbicas Pintura de autos con mayor resistencia al agua y al sol

Niquelado químico Válvulas y llaves de paso recubiertas con niquel-teflon

Electrodeposición Metalización de grifos y tuberías

Inmersión térmica Aluminizado de manijas, cerraduras.

Difracción de rayos gamaTubos para cañerías resistentes a la corrosiónTratamiento termoquímico por

difusión

Tribología (desgaste y fricción)

Rociado térmico

Protección de herramientas de corte de alta velocidad

Recubrimiento de carbono-boro-nitrógeno

Pulverización catódica

Electrodeposición Componentes de automóviles metalizados

Estructuras multicapaRecubrimientos duros para piezas móviles del motor

Implantación por plasma nanocomposite de compuestos metálicos

Electrodeposición

Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis

Nitruración Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis

Piezoeléctricos

mems

Deposición pacvd asistida por plasma ecr

Capas adherentes para aparatos mecánicos


MEMS (Sistemas micro-electro-mecánicos)

Andrés GarcíaAldo Díaz

Sergio Omar MartínezGraciano Dieck Assad

9

9.1.1 DefiniciónSe les denomina mems (Micro-Electro-Mechanical Systems), porque su tama-ño está directamente relacionado a escalas milimétricas. El impacto de la integración de sensores, actuadores y elementos electrónicos a nivel micro, proporciona soluciones con bajo consumo de energía, reducción en el tama-ño de los componentes, mayores anchos de banda, mejorando la calidad de vida, desarrollando mejores aplicaciones y dispositivos en diversas áreas, entre ellas biomedicina (salud y calidad de vida), telecomunicaciones (radio-frecuencia y redes ópticas), automotriz y aeroespacial.

9.1.2 DetonadoresEl área de mems abarca la integración de elementos mecánicos, sensores, actuadores y elementos electrónicos sobre un substrato común. Su tamaño está directamente relacionado a escalas milimétricas, aunque actualmente la tendencia es incidir en dimensiones menores tal es el caso de los nems (Nano Electromechanical Systems), donde los dispositivos interactúan a nivel celular.

9.1.3 Comportamientos tecnológicosLa introducción de los mems en dispositivos y sistemas ha mejorado la fun-cionalidad de ellos. Entre los avances más importantes se encuentran el uso eficiente de la energía e incremento del ancho de banda a través del diseño

9.1 Descripción


CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS)

de los dispositivos microelectrónicos en forma más inteligente. Cabe destacar que aun-que este tipo de sistemas no se consideran 100% inmunes a fallas, sí se puede garantizar estadísticamente que los dispositivos microelectrónicos modernos tienen una confiabili-dad extremadamente alta. Reducción del tamaño del sistema de sensado de temperatu-ra, presión y nivel de líquidos del motor, así como la reducción del tamaño de sensores de posición, presión y fuerza del tren motriz y del sistema de frenado del automóvil, con-templando también la construcción de sensores en el automóvil en base a acelerómetros y giroscopios; la reducción en el tamaño de estos sistemas permite reducir el peso de los mismos y aprovechar los espacios, así mismo permite integrar más sistemas de sensado para añadir más variables informativas al conductor tanto del funcionamiento del vehículo como de las variables externas (dirección, temperatura ambiente, etc.); la minimización del tamaño de componentes electro-mecánicos (medidor de presión, acelerómetros, re-sonadores, switches, etc.).

Los dispositivos mems usados para el desarrollo de sistemas de comunicación han traído una serie de avances tecnológicos que promueven la mejora en la forma como di-seminamos, captamos y procesamos información en términos de capacidad, de energía y de tiempo de respuesta. Los Biomems también han sido de gran avance, en términos de su capacidad de revolucionar el cuidado de la salud, en el sentido de que sensores implantables, o no invasivos de los que son parte central, pueden ser usados como he-rramientas básicas en la práctica médica, lo que permite monitoreo continuo.


Circuitos de recepción en un solo ci para el acondicionamiento electrónico y despliegue de información

Sensores inalámbricos con sistemas de adquisición de datos de alto desempeño.

Microlíneas de transmisión, microactuadores, circuitos integrados

Biomems y rf-mems

Micro-interruptores

Micro-relevadores

Sistemas de integración de funciones (como telefonía celular, correo electrónico, negocios electrónicos, etc.)

Dispositivos de transmisión y modulación en un solo circuito integrado

Inductores, varactores y capacitores

Redes inalámbricas

Resonadores, filtros y antenas







Dentro de las tecnologías existentes en la megatendencia se encuentran:

Actuadores

Circuitos de radio frecuencia, multi-capas

Dispositivos digitales de microespejos

Resonadores de filamentos delgados

Interruptores

Antenas

Circuitos para acelerómetros y giroscopios

Sensores de presión y los inalámbricos

Fotodetectores

Transductores




Algunas de las tecnologías emergentes a partir del desarrollo de la megatendencia son:


Microsensores biológicos

Microsistemas de navegación inercial

Modulación interferométrica reflexiva

Redes inalámbricas sensoriales

Micro-antenas

Líneas de transmisión micromaquinadas




Tabla 9.4 Sector automotriz

Tabla 9.5 Electrónica

9.5.1 Lista de productos y serviciosDentro de los productos y servicios generados en las áreas del sector automotriz, elec-trónica, y medio ambiente, se encuentran:

Sector automotriz

Bolsas de aire para automóviles

Medidores de nivel del combustible y de la presión del vapor

Neumáticos inteligentes

Detectores de rodamiento en suspensiones

Sensores de velocidad angular, presión y fuerza para prótesis y órtesis inteligentes

Sensores químicos

Dispositivos de medición de glucosa sanguínea

Sistemas implantables para administración de fármacos

Biosensores

Sistemas de monitoreo continuo de signos vitales

Controles de estabilidad dinámicos

Controladores de la fuerza del freno y de la tracción

Sistemas de control electrónicos (x-by-wire)

Sistemas de navegación internos

Separación y caracterización de moléculas orgánicas y células

Sensores fisiológicos embebidos

Conteo de células de diferentes tipos in vivo

Sistemas para el suministro inteligente de insulina

Laboratorios en un chip (lab-in-a-chip)

Sistemas de registro de actividad encefalográfica portátil

Electrónica

Controles de consolas de video juegos

Pantallas en dispositivos móviles

Interruptores

Telemetría inalámbrica para monitoreo y automatización de procesos preventivos






Tabla 9.6 Medio ambiente

Medio ambiente

Sensores en los escapes de los autos para medir las emisiones de gases contaminantes

Sensores de monitoreo de la calidad del agua y del aire

Electrónica

Inductores

Reproductores multimedia personales

Teléfonos móviles

Espectrofotómetros

Condensadores conmutables


Áreas de aplicación

Áreas de aplicación específica Tecnología Productos y servicios

Sector automotriz

Respuesta

Circuitos para acelerómetros Bolsas de aire para automóvilesCircuitos multicapas

Sensores de presión Neumáticos inteligentes

Medición y monitoreoSensores de presión Medidores de nivel del combustible y

de la presión del vapor

Circuitos para giroscopios Detectores de rodamiento en suspensiones

Control

Circuitos para acelerómetros Controles de estabilidad dinámicos

Líneas de transmisión micromaquinadas Controladores de la fuerza del freno y

de la tracciónCircuitos para acelerómetros

Circuitos de radio frecuenciaSistemas de control electrónicos (x-by-wire)

Sistemas de navegación internosMicrosistemas de navegación inercial





Sector automotriz

Medición y monitoreo

Micro-antenas Sensores de velocidad angular, presión y fuerza para prótesis y órtesis inteligentes

Microsensores biológicos

Sensores químicos

Dispositivos de medición de glucosa sanguinea

Sensores fisiológicos embebidos

Separación y caracterización de moléculas orgánicas y células

Conteo de células de diferentes tipos in vivo

Sistemas implantables para administración de fármacos

BiosensoresSensores inalámbricos

Circuitos de radio frecuencia

Sistemas para el suministro inteligente de insulina

Sistemas de monitoreo continuo de signos vitales

Sistemas de registro de actividad encefalográfica portátil

Respuesta

Circuitos de radio frecuencia Laboratorios en un chip (lab-in-a-chip)

Sensores de presiónSensores de velocidad angular, presión y fuerza para prótesis y órtesis inteligentes

Electrónica

Control

Actuadores

Controles de consolas de video juegos

Interruptores

Transductores

Circuitos para acelerómetros

Procesamiento de información

Líneas de transmisión micromaquinadas

Reproductores multimedia personalesAntenas

Modulación interferométrica reflexiva

Circuitos para acelerómetros

Pantallas en dispositivos móvilesDispositivos digitales de microespejos






Electrónica

Procesamiento de información

Modulación interferométrica reflexiva Teléfonos móviles

Circuitos de radio frecuencia

Respuesta

InterruptoresRedes inalámbricas sensoriales

Fotodetectores Espectrofotómetro

Redes inalámbricas sensoriales

Telemetría inalámbrica para monitoreo y automatización de procesos preventivos

Resonadores de filamentos delgados Condensadores conmutablesCircuitos de radio frecuencia

InductoresRedes inalámbricas sensoriales

Medio ambiente Medición y monitoreo

Microsensores biológicos Sensores de monitoreo de la calidad del agua y del aire

Resonadores de filamentos delgados Sensores en los escapes de los autos

para medir las emisiones de gases contaminantesRedes inalámbricas

sensoriales

Micro y nanotecnologíaÁlex Elias Zúñiga

Ciro RodríguezHoracio AhuettOscar Martínez

10

10.1.1 DefiniciónEstudio de propiedades de estructuras funcionales con dimensiones de 1 a 100 nm para la nanotecnología, lo cual permite manipular materiales a un nivel mole-cular y a su vez, construir moléculas complejas mediante el avance tecnológico hecho en precisión atómica. Por su parte la micro-tecnología genera la capacidad de diseñar y fabricar sistemas miniaturizados con dimensiones características que van de 1mm hasta 1micrometro. Ambas dan pie a nuevas técnicas para la crea-ción de materiales compuestos que se pueden aplicar a la manufactura de distin-tos dispositivos utilizados en diversas áreas de la ciencia y de la vida cotidiana.

El propósito general de esta megatendencia se centra en alcanzar los siguientes objetivos que permitan: a) La obtención de ventajas competitivas implementando la nanotecnología

y buscando posicionar a las empresas en niveles tecnológicos de clase mundial;

b) Generar conocimiento y experiencia en la caracterización, experimentación, metodologías, métodos y procedimientos de vanguardia que permitan el desarrollo y manufactura de dispositivos basados en materiales nanoestructurados;

10.1 Descripción


CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA

c) La implementación de un esquema efectivo para el desarrollo de Investigación y Desarrollo (i & d) mediante la colaboración academia-centros de investigación-industria;

d) El desarrollo de capital humano en el área de nanotecnología aplicada al desarrollo de nuevos productos.

La nanociencia consiste en el estudio de los fenómenos y manipulación de los ma-teriales a escalas atómicas, moleculares y macromoleculares en donde sus propiedades pueden diferir significativamente en cada una de estas escalas. Por otra parte, las nano-tecnologías están relacionadas con el diseño, caracterización, producción y fabricación de dispositivos cuyas formas y características son controladas en la escala del nanóme-tro.5

10.1.2 DetonadoresEl avance de la nanotecnología comenzó con el descubrimiento en Japón de los na-notubos de carbón por S. Iijima en 1991 [6]. Los nanotubos de carbón son arreglos moleculares 1/80,000 veces más delgados que el diámetro de un cabello humano o 10 veces el tamaño de un átomo de hidrógeno. Un nanotubo es una fibra hueca basada en la estructura molecular del carbono C60. Específicamente, los nanotubos de carbono son estructuras de capa de grafito enrolladas en forma de hélice para formar un tubo que puede ser de una sola pared o bien multipared como el ilustrado en la siguiente figura:

5) The Royal Society & The Royal Academy of Engineering. Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, July 2004.

Figura 10.1 Nanotubo de doble pared

Fuente: The Institute of Nanotechnology, 2002.



10.1.3 Comportamientos tecnológicosResulta claro que en esta megatendencia abarca rubros que van desde la medicina has-ta aplicaciones aeroespaciales pasando por el uso eficiente de energía. Los tratamientos contra enfermedades, el suministro de medicamentos y la detección de virus se vuelven menos invasivos y más exactos, los consumidores optan por materiales más ligeros y más resistentes, existe una preocupación por la contaminación que motiva a buscar al-ternativas de reciclaje, ahorro y almacenamiento de energía, la miniaturización entra a una nueva etapa: autos, computadoras, teléfonos e información integrada a productos comunes y los avances en la industria aeroespacial permiten el turismo espacial y la construcción de bases en satélites cercanos a la Tierra.


Temas de investigación importantes para la megatendencia:

Química e ingeniería de materiales

Energía y medio ambiente

Tecnología aeroespacial

Nanomanufactura

Dispositivos electrónicos




Algunas de las tecnologías existentes de mayor impacto en la megatendencia:



Cristales polimétricos sintetizados

Ingeniería de materiales, de precisión y de superficies

Ingeniería mecánica

Materiales nano-estructurados

Metales nanodepositados

Sensores de fuerza e integrados

Súper-baterías

Incorporación de polímeros hidrofóbicos

Neutralización de microorganismos alterantes y patógenos

Lipomas recubiertos con polímeros

Memorias de acceso magnético aleatorio

Puntos cuánticos luminiscentes

Superficies bioselectivas





Dentro de las tecnologías emergentes generadas por la megatendencia se encuentran:


Tabla 10.4 Nanotecnología biomédica e industria

10.5.1 Lista de productos y serviciosDentro de los productos y servicios impulsados por la megatendencia sobresalen en las áreas de nanotecnología biomédica e industria, y micro y nanotecnología para aplicacio-nes eléctricas, los siguientes:

Nanocables, nanocristales de silicio, nanohilos, nanolitografía y nanotubos de carbono

Biodispositivos y biomateriales

Plata nano-cristalina

Optoelectrónica

Deposición de capa atómica (ADL) y química de vapores (CVD)

Electrónica cuántica y plástica

Ingeniería genética

Nanotecnología biomédica e industria

Materiales termoeléctricos

Recubrimientos anti-estáticos, con aislantes térmicos, anti-adhesivos, anti-corrosivos y fotoactivos

Materiales inteligentes para vehículos espaciales y estructuras espaciales

Pantallas planas de computadoras y televisiones

Transistores orgánicos que actúan como sensores

Plataformas in vitro para detección de ácidos nucléicos y proteínas

Envases activos

Nano-polvos para protectores solares

Marcadores inteligentes para localización de células específicas

Marcadores aplicados a la imagenología y el diagnóstico biomédico

Catéteres antibacteriales

Marcadores celulares y moleculares





Nanotecnología biomédica e industria

Electrodos de baterías

13. Filtros para potabilizar agua

15. Armazones para cultivo celular

16. Telas hidrofóbicas

Dispositivos de suministro de medicamentos para el tratamiento de cáncer de ovarios y para destrucción selectiva de células cancerosas

Materiales con propiedades ópticas/ térmicas/ mecánicas / otras programables

Superficies biocompatibles para prótesis

Sensores de detección de elementos patógenos en alimentos

Pesticidas y fertilizantes modificados genéticamente

Telas que eliminan el mal olor

Tratamientos antibacteriales para heridas

Partículas para detección y eliminación de microbios resistentes a los antibióticos

Dispositivos inteligentes de liberación de medicamentos

Purificación de biomoléculas

Circuitos integrados (chips de silicón)

Membranas de separación y coloidales

Prótesis inteligentes

Dispositivos médicos implantables de monitoreo

Tabla 10.5 Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas

Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas

Dispositivos electrónicos moleculares, médicos de superficies anti-alergénicas y optoelectrónicos

Componentes con una elevada relación de elongación/masa y optoelectrónicos

Capacitadores utilizados en autos híbridos

Computadoras ópticas

Láseres de puntos cuánticos

Microprocesadores

Reactores catalíticos

Sistemas de procesamiento de señales ópticas

Transistores orgánicos

Celdas de combustión, de energía de almacenamiento de hidrógeno, fotovoltaicas y solares

Microscopios de fuerza atómica, de resonancia magnética e híbrido

Chips de memoria de súper alta densidad



Tabla 10.6 Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas


10.6 Taxonomía


Nanotecnología biomédica e industrial

Nano-películas

Ingeniería de superficies

Materiales termoeléctricos

Recubrimientos anti-adhesivos

Recubrimientos antiestáticos

Recubrimientos con aislantes térmicos

Recubrimientos fotoactivos

Recubrimientos anticorrosivos


Materiales inteligentes para vehículos espaciales y estructuras espaciales

Materiales con propiedades ópticas/térmicas/mecánicas/ otras programables

Incorporación de polímeros hidrofóbicos Telas hidrofóbicasNano-hilos

Cristales polimétricos sintetizados

Pantallas planas de computadoras y televisiones

Ingeniería de materiales Superficies biocompatibles para prótesis

Nano-sensores

Deposición química de vapores (cvd) Transistores orgánicos que

actúan como sensoresNano-litografía

Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas

Fibra óptica

Microcomponentes mecánicos

Nano-chips multifuncionales

Semiconductores

Supercapacitores





Nano-sensores

Neutralización de microorganismos alterantes y patógenos

Sensores de detección de elementos patógenos en alimentos

Bio-dispositivos

Sensores integrados Dispositivos médicos implantables de monitoreoBiomateriales

Nano-partículas

Ingeniería genética Pesticidas y fertilizantes modificados genéticamente

Ingeniería de superficiesEnvases activos

Nano-cristales de silicio

Plata nano-cristalinaTelas que eliminan el mal olor

Nano-hilos

Nano-tubos de carbono Nano-polvo para protectores solares

Puntos cuánticos luminiscentes

Marcadores inteligentes para localización de células específicas

Marcadores aplicados a la imagenología y el diagnóstico biomédico

Plata nano-cristalina

Partículas para detección y eliminación de microbios resistentes a los antibióticos

Tratamiento antibacterial para heridas

Catéteres antibacteriales

Superficies bio-selectivas Purificación de biomoléculas

Lipomas recubiertos con polímeros

Dispositivo de suministro de medicamentos para el tratamiento de cáncer de ovarios

Puntos cuánticos luminiscentes Marcadores celulares y

molecularesBiomateriales

Nano-chips

Nano-cables Circuitos integrados (chips de silicón)Electrónica plástica

Nano-tubos de carbono Electrodos de baterias

Nano-membranas selectivas

Deposición química de vapores (cvd) Membranas de separación





Nano-membranas selectivas

Deposición de capa atómica (adl) Membranas de separación


Deposición química de vapores (cvd) Filtros para potabilizar aguaIngeniería de materiales

Ingeniería de superficies Membranas coloidales

Nano-dispositivos

Sensores integrados

Dispositivos para destrucción selectiva de células cancerosas

Dispositivos inteligentes de liberación de medicamentos

Ingeniería de materiales Prótesis inteligentes

Plata nano-cristalina Dispositivos para destrucción selectiva de células cancerosasBiomateriales

Estructuras

Materiales nano-estructurados Armazones para cultivo

celularIngeniería de materiales

Materiales nano-estructurados

Plataforma in vitro para detección de ácidos nucléicos y proteínas

Micro y nanotecnología para aplicaciones electrónicas

Micro-componentes

Ingeniería mecánica Microcomponentes mecánicos

Memorias de acceso magnético aleatorio

Chips de memoria de super alta densidadNano-cristales

Nano-tubos

Nano-cablesNano-chips multi-funcionales

Nano-células

Nano cristalesFibra óptica

Nano-hilos

Nano-tubos de carbono

Transistores orgánicos

Componentes con una elevada relación de elongación/masa

Capacitadores utilizados en autos híbridos

Dispositivos electrónicos moleculares




Micro y nanotecnología para aplicaciones electrónicas

Micro-componentes

Nano-litografía Dispositivos optoelectrónicos

Super-bateríasSupercapacitores

Nano-tubos de carbono

Electrónica plástica Semiconductores

Nano-litografía Microprocesadores

Deposición química de vapores (cvd) Reactores catalíticosMetales nanodepositados

Aparatos ópticos

Ingeniería de precisiónMicroscopio de resonancia magnética

Microscopio de fuerza atómicaSensores de fuerza

Ingeniería de precisión Microscopio híbrido

Láser

Electrónica cuántica Computadoras ópticas

Optoelectrónica

Componentes optoelectrónicos

Láseres de puntos cuánticos

Sistemas de procesamiento de señales ópticas

Celdas Super-baterías

Celdas de energía de almacenamiento de hidrógeno

Celdas de combustión

Celdas solares

Celdas fotovoltaicas


Nuevas tecnologías energéticas

Pedro Ponce CruzRicardo Fernández

Edgar Coronado

11

11.1.1 DefiniciónAplicación de nuevas formas de conversión de la energía empleando recur-sos naturales renovables para sustituir recursos tradicionales no renovables (combustibles fósiles), entre estas formas de energía se encuentran:• Solar (fotovoltaico y térmico)• Eólica• Biomasa• Celdas de combustible (hidrógeno)

11.1.1.1 Energía eólicaLa energía eólica tuvo un desarrollo significativo alrededor de 1950 con apli-caciones muy sencillas como son sistemas de bombeo o para cargar pe-queñas baterías. En los años setenta se inició con la generación de energía eléctrica para suministro de las demandas de bajo voltaje, pero la explosión tecnología permitió el empleo de este recurso como una posibilidad rentable de generación para bajo, mediano y alto voltaje.

México sin lugar a dudas presenta un enorme potencial para la ge-neración de energía eólica. Tenemos un fuerte recurso de vientos en va-rias zonas de la república Mexicana, como se ha demostrado en Oaxaca donde se cumplen de manera formidable las condiciones necesarias

11.1 Descripción


CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS

Figura 11.1 Mapa Eólico de Oaxaca

Fuente: National Renewable Energy Laboratory

para la generación Eolo-eléctrica. Dichas condiciones se muestran en la siguiente figura.

El desarrollo de los sistemas eólicos debe ir a la par con la demanda energética que presenta un crecimiento día con día. Asimismo, existen oportunidades de diseño e innovación en los aerogeneradores para hacerlos más eficientes, más capaces, más silenciosos, más baratos, etc. Lo anterior abre un gran número de líneas de investigación que permiten el desarrollo de esta oportunidad energética que muestra un gran potencial al explotarse de manera apropiada y que a su vez tiene la gran bondad de ser totalmente inocua al ecosistema.

11.1.1.2 Biomasa.El hombre ha utilizado la biomasa de diferentes maneras, la más antigua es generando calor mediante la quema de madera (combustión directa). Sin embargo la biomasa se refiera a toda la materia orgánica que puede provenir de árboles, plantas, desechos de animales, de la agricultura y urbanos.

La tecnología para el desarrollo de los bio combustibles ha avanzado a pasos agi-gantados ya que ha probado ser eficiente y limpia, atrayendo así grandes capitales de inversión y un gran interés en su investigación y desarrollo. Los procesos que dan pie a esta tecnología se pueden dividir en combustión directa, termo-químicos y bioquímicos.

Uno de los grandes componentes de este recurso alterno es el uso de combustibles sintetizados a partir de materia orgánica. Ejemplos de estos son el Bioetanol, del cual se producen actualmente 45 millones de litros en México pero que aún no tienen uso en el



transporte ni la generación eléctrica, sino en la industria química. Otro gran participante de esta fuente alterna es el biodiesel, combustible que se procesa a partir de grasas ani-males o vegetales, obteniendo así propiedades muy nobles y un bajo costo. Este último ha sido desarrollado como un proyecto conjunto del Tecnológico de Monterrey y Grupo Energético S.A.

Existen otro tipo de proyectos que utilizan la biomasa de desecho para genera ener-gía, tales como “Bioenergía Nuevo León S.A.” que utiliza biogás extraído de un relleno sanitario para generar energía eléctrica en un orden de 7 MegaWatts.

11.1.1.3 SolarLa energía solar se ha utilizado de distintas formas desde el principio de la civilización, siendo su principal uso el de calentar agua y algunos objetos. Albert Einstein recibió el premio Nobel de física en 1921 por la contribución a la mecánica cuántica donde habló del efecto fotoeléctrico. Este se basa en la energía que tiene la onda electromagnética (luz). la cual al estar en contacto con ciertos materiales (Si, Se, Ga, As) genera una dife-rencia de potencial al orientar sus átomos en cierta dirección.

La ubicación global de México (entre el Ecuador y el Trópico de Cáncer) hace de este un país con un enorme potencial para el aprovechamiento de la energía solar. Esta energía puede ser utilizada tanto de manera térmica como para la generación eléctrica mediante el efecto foto-voltaico. A pesar de que la eficiencia en el aprovechamiento de la energía solar es actualmente baja (25% aprox), se ha calculado que podemos tener una generación de 6000 GigaWatts-hora por año según experimentos que se han llevado a cabo en el norte del país. La siguiente figura muestra un mapa de insolación en territorio Mexicano.

Figura 11.2 Mapa de insolación en México

Fuente: National Renewable Energy Laboratory



Gráfica 11.1 Estado de la producción mundial de energía eléctrica por fuente.1

1) Keyword energy statistics 2005. International Energy Agency.

Una de las aplicaciones experimentales de la energía solar para generar electricidad ha sido una torre solar de enfriamiento que genera hasta 200 MW; se pueden usar tam-bién máquinas térmicas tales como el motor Stirling que podría llevar energía eléctrica a donde no llega la red nacional. Sin embargo, es en la práctica donde las aplicaciones solares realmente sorprenden, como la instalación de calentadores de agua solares que utilizan la energía térmica del sol para proveer a las familias de agua caliente para cocinar o para su higiene personal. Se utilizan también paneles foto-voltaicos para generación de energía eléctrica en pequeña escala en comunidades donde es muy difícil acercar el tendido eléctrico o cualquier lugar donde se quiera aprovechar este recurso renovable.

La evolución y desarrollo tecnológico son la base de nuestra megatendencia, esta ha propiciado cambios en la tecnología, cambiando la manera de generar electricidad y creando una economía de energía alternativa.

11.1.2 DetonadoresMéxico se encuentra en un momento de decisión, las estimaciones de reservas probadas de petróleo ascienden solamente a poco más de 9 años, por lo tanto se deben tomar acciones para lograr cubrir la demanda de energía, generándola de otra manera.

A nivel mundial, como se aprecia en la figura 11.2, se está haciendo uso masivo de los combustibles fósiles para la generación eléctrica que, entre otras acciones, ha traído como consecuencia un aumento en los índices de contaminación provocando un incre-mento en las emisiones de co2, provocando el calentamiento global.

Otras 0.5%

Hidroeléctrtico 2.2%

Nuclear 6.5%

Gas natural 21.2%

Petroleo 21.2%

Carbon 24.4%

Combustibles renobables y desperdicios 10.8%

Carbon 24.4%

Petroleo 21.2%

Gas natural 21.2%





En México las situación no es diferente ya que de acuerdo con la Secretaría de Ener-gía un 75% de la energía eléctrica que se consume en México se genera mediante la que-ma de combustibles fósiles. Sin embargo se cuenta con un gran potencial para producir energía eléctrica aprovechando los recursos renovables, como se muestra en la tabla 1.

Altos niveles de insolación Zonas con alta intensidad de vientos

Potenciales de uso de biomasa.

5 kWh/m2-día en promedio 2,900 mw datos por cfe 1,000 mw en biomasa cañera

Tabla 11.1 Potencial Energético en México

11.1.3 Comportamientos tecnológicosEl precio y la demanda incremental de la energía eléctrica, aunados a una conciencia ambiental han dado lugar al desarrollo de energías alternas para la producción de elec-tricidad. Estas tecnologías buscan una generación más eficiente, sin repercusiones al medio ambiente y que minimice el impacto a la salud mundial. En base a esto se han desarrollado nuevos métodos de generación y distintos protocolos (El Protocolo de Kyo-to, por ejemplo) que buscan aprovechar al máximo los recursos naturales.


Temas de investigación asociados:

En ingeniería de materiales: Silicio Monocristalino y Polímeros Conjugados

Desarrollo de nuevas tecnologías en celdas de combustible

Electrónica de Potencia

Uso del hidrógeno en transporte

Almacenamiento de hidrógeno como auxiliar en la generación eléctrica

Conversión de biomasa (biodiesel y etanol)

Turbinas de velocidad variable

Ciclos solares de mayor potencia




Dentro de las tecnologías existentes relacionadas con la megatendencia se encuentran:




Ácido fosfórico

Adecuación de unidades rectificadoras

Aerogeneradores

Aleaciones de metales

Anemómetros

Bombas de calor geotérmicas

Cálculos del abrigo del viento

Captores de calor subterráneo

Procesos termodinámicos (Ciclos Brayton, Ciclos Rankine, Ciclos Stirling y Ciclos combinados)

Cilindros de hormigón

Colectores solares

Combustibles alcohólicos

Conductos para distribución de aire

Controladores híbridos

Convección natural y forzada

Conversiones fotovoltaicas

Digestión anaeróbica

Diseños aerodinámicos y de generadores asíncronos


Turbinas: de Kaplan de eje horizontal y reversibles, hidráulicas verticales y de diferentes capacidades.

Sistemas eólicos, solares térmicos y fotovoltaicos, y termodinámicos

Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal)

Enriquecimiento de uranio

Fluidos alternos al vapor de agua

Generación híbrida con ciclos eólicos

Ingeniería hidráulica y mecánica

Inversores matriciales

Licuefacción de hidrógeno

Captura de co2

Ósmosis inversa

Evaluaciones físicas ( de rugosidad, del cizallamiento, del efecto de la estela y del efecto del parque)

Paneles solares

Rellenos sanitarios

Supercondensadores

Transesterificación




Transformadores

Turbogeneradores

Electrónica de potencia y semiconductores

Electrólisis solar

Ingeniería de fluidos, y de materiales fotosensibles

Sistemas de telecontrol y de control autónomo

Tecnologías de ensamble, de refrigeración, electrolíticas y de construcción

Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generado


Dentro de las tecnologías emergentes se identificaron:


Técnicas de pwm

Tecnologías fototérmicas y termonucleares

Vapor seco

Puntos cuánticos

Polímeros sólidos y conjugados

Plasma

Plantaciones energéticas

Óxidos sólidos

Materiales (compuestos y fotosensibles)

Membranas de intercambio protónico

Modulación de vectores espaciales (spwm)

Nanotubos de carbono

Materiales celulosos

Manejo de polímeros

Empleo de igbts

Carbonatos fundidos

Generación de hidrógeno




Tabla 11.5 Energía eólica

Tabla 11.6 Energía solar


11.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios generados por la Megatendencia el las áreas de energía eólica, energía solar, baterías y celdas de combustible, biocombustibles, hidró-geno, energía nuclear, energía geotérmica, energía hidráulica, energía del mar, y energía termoeléctrica, son:

Energía eólica

Turbinas eólicas de eje vertical, velocidad variable y de diferentes capacidades

Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución

Micro-turbinas de vientos

Aerogeneradores y aeromotores

Desalinizadores eólicos

Diseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes)

Generadores eólicos controlados por inteligencia artificial

Sistemas eólicos híbridos

Aerogeneradores para mar adentro

Parques eólicos

Energía solar

Materiales fotosensibles

Celdas fotovoltaicas libres de silicio y de combustible regenerativas

Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas

Turbinas de alto rendimiento

Generadores pequeños para sistemas parabólicos

Máquinas de mayor potencia

Seguimiento del sol

Gases de trabajo

Paneles solares

Bombeo fotovoltaico

Calentadores de agua para uso doméstico o industrial

Inversores

Torres autoportantes y retenidas de energía solar





Energía solar

Fluidos secos (como el tolueno)

Albercas solares

Colectores solares de mayor nivel de absorción

Fluidos alternos al vapor de agua


Células solares semiconductoras

Estufas solares

Aparatos de calefacción y refrigeración

Lámparas de alumbrado público con paneles solares

Tabla 11.7 Baterías y celdas de combustible

Tabla 11.8 Biocombustibles

Tabla 11.9 Hidrógeno

Baterías y celdas de combustible

Baterías de alta densidad

Súper-baterías




Biocombustibles

Celdas de combustible de metanol directo (dmfc)

• Biodiesel, bioetanol y biogas

Biodigestores anaeróbicos • Metanol

Hidrógeno

Celdas y contenedores para transporte de energía

Producción de hidrógeno

Celdas de combustible

Tabla 11.10 Energía nuclear


Energía nuclear

Fisión nuclear

Fusión nuclear



Tabla 11.11 Energía geotérmica

Tabla 11.12 Energía hidráulica

Tabla 11.13 Energía del mar

Tabla 11.14 Energía termoeléctrica






Energía geotérmica

Desalinizadores geotérmicos

Plantas de generación eléctrica

Sistemas de calefacción de piscinas

Energía hidráulica

Mini-hidráulicas

Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva

Energía del mar

Convertidores noruegos de Kvaerner

Convertidores dentro del mar y de energía térmica-oceánica

Centrales maremotrices

Columnas de agua oscilatorias

Energía termoeléctrica

Turbinas de ciclo combinado

11.6 Taxonomía


Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios

Energía eólica Turbinas y generadores

Ingeniería mecánica

Turbinas eólicas de eje verticalDiseño de generador asíncrono

Diseño aerodinámico





Energía eólica

Turbinas y generadores

Ingeniería mecánicaTurbinas eólicas de velocidad variableTecnología de refrigeración


Tecnología de ensambleTurbinas eólicas de diferentes capacidadesTecnología de refrigeración


Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generador Micro-turbinas de vientosDiseño aerodinámico

Ingeniería mecánicaDiseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes)



Sistemas híbridos de generación

Turbinas de diferentes capacidades

Sistemas eólicos híbridos

Controladores híbridos

Adecuación de unidades rectificadoras


Tecnología de ensamble

Diseño y eficiencia

Evaluación de rugosidad

Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución

Evaluación del cizallamiento

Cálculo del abrigo del viento

Evaluación del efecto de la estela

Evaluación del efecto del parque



Parques eólicosSistema de telecontrol


Transformador

Anemómetro

Ingeniería mecánicaAerogeneradores


Ingeniería mecánica Aeromotores

Ingeniería mecánica Aerogeneradores para mar adentroDiseño aerodinámico





Energía eólica


Tecnología de ensambleGeneradores eólicos controlados por inteligencia artificial


Sistemas de control autónomo

Sistema eólico Desalinizadores eólicos

Energía solar

Conversión fotovoltaicaMateriales fotosensiblesIngeniería de materiales

fotosensibles

Convección naturalTorres autoportantes y retenidas de energía solarConvección forzada

Colectores solares

Materiales fotosensibles

Celdas fotovoltaicas libres de silicio

Polímeros conjugados

Puntos cuánticos

Ingeniería de materiales fotosensibles

Electrólisis solar Celdas de combustible regenerativasPaneles solares

Modulación de vector espacial (spwm) Inversores

Generación híbrida con ciclos eólicos

Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas

Generación de hidrógeno

Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos

Conversión fotovoltaica

Ingeniería de materiales fotosensibles

Ciclo rankine Turbinas de alto rendimiento

Ciclo rankine Fluidos secos (como el tolueno)Vapor seco

Ciclo rankine

Albercas solaresColectores solares

Tecnologías fototérmicas

Ciclo Stirling Máquinas de mayor potencia





Energía solar


Ciclo StirlingSeguimiento del solIngeniería de materiales

fotosensibles

Ciclo StirlingGases de trabajo

Generadores pequeños para sistemas parabólicos

Ingeniería de fluidos Fluidos alternos al vapor de agua

Empleo de igbt’sInversores matriciales

Técnicas de pwm

Equipo e instalaciones

Tecnologías fototérmicas Colectores solares de mayor nivel de absorciónCiclo Brayton

Ingeniería de materiales fotosensibles Células solares

semiconductorasSistemas fotovoltaicos

Colectores solares Paneles solares

Colectores solaresEstufas solares

Tecnologías fototérmicas

Sistemas fotovoltaicos Bombeo fotovoltaico

Colectores solares Calentadores de agua para uso doméstico o industrialTecnologías fototérmicas

Sistemas fotovoltaicosLámparas de alumbrado público con paneles solares

Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos Aparatos de calefacción/

refrigeraciónTecnologías fototérmicas

Baterías y celdas de combustible Fuentes de energía portátil

Supercondensadores Super-baterías

Nanotubos de carbono Baterías de alta densidad

Biocombustibles

Construcción y diseño Tecnologías de construcción Biodigestores anaeróbicos

Procesos químicos


MetanolMateriales celulosos



Manejo de polímeros Celdas de combustible de metanol directo (dmfc)Electrólisis





Biocombustibles

Procesos químicos

Rellenos sanitariosBiogas

Digestión anaeróbica

Utilización de grasas animales

BiodieselMateriales celulosos




BioetanolMateriales celulosos



Hidrógeno

Polímeros sólidos

Celdas de combustible

Óxidos sólidos

Ácido fosfórico

Membranas de intercambio protónico

Carbonatos fundidos

Obtención a partir de metanol

Producción de hidrógeno

Obtención por electrólisis

Obtención por captura de c02

Ingeniería de materialesCombustible cerámico compuesto

Materiales compuestos

Criogénica Licuefacción de hidrógeno Celdas y contenedores para transporte de energía

Energía nuclear

Reactores nuclearesEnriquecimiento de uranio Fisión nuclear

Tecnología termonuclear

Fusión nuclearGases Plasma

Ingeniería de materiales Aleaciones de metales

Energía geotérmica

Membranas Ósmosis inversa Desalinizadores geotérmicos

Sistemas térmicos


Aparatos de calefacción y rerigeración


Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal)

Conductos para distribución de aire

Sistemas termodinámicos






Captores de calor subterráneoPlantas de generación eléctricaTurbogeneradores

Vapor seco


Sistemas de calefacción de piscinas


Sistemas termodinámicos

Vapor seco

Energía hidraúlica Equipo e instalacionesIngeniería hidraúlica Mini-hidráulicas

Ingeniería hidraúlica Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva

Energía del mar

Construcción y diseño Cilindros de hormigón Convertidores noruego de kvaerner

Turbinas y generadores

Turbinas

Turbinas hidráulicas verticales Convertidores dentro del marTecnología electrolítica

Turbinas de kaplan de eje horizontal y reversibles Central maremotriz

Turbogeneradores Central maremotriz

Aerogeneradores Columnas de agua oscilatoria

Turbogenerador Convertidores de energía térmica oceánica

Energía termoeléctrica

Ciclos combinadosTurbinas de ciclo combinadoFluidos Fluidos alternos al vapor de

agua

Realidad mixtaJosé Ignacio Icaza

Mercedes MuñozIsaac Rudomín

12

12.1.1 DefiniciónEl desarrollo de grandes industrias alrededor de los videojuegos, comunica-ciones y otras actividades de entretenimiento, principalmente entre adoles-centes, han generado la aparición de hardware de bajo costo y alto rendi-miento, que mediante el software apropiado, puede ser utilizado para ampliar y mejorar los desarrollos de realidad mixta, definida ésta como el continuo que va desde la realidad hasta la realidad virtual (simulaciones inmersivas de ambientes reales), pasando por la realidad aumentada (representaciones de entidades reales aumentadas con información digital) y la virtualidad aumen-tada (mundos virtuales como videojuegos o Second Life, aumentados con representaciones de entidades reales).

12.1.2 DetonadoresLos cambios característicos (transformaciones) que impulsan a esta mega-tendencia son:• Hardware, algoritmos y apis para Gráficas Computacionales. Las

necesidades de la industria de videojuegos han generado el desarrollo de equipos poderosos y de bajo costo. Posibilitando gráficas interactivas en tiempo real y el procesamiento general en procesadores gráficos permite aplicaciones de videojuegos, visualización y cálculos científicos

12.1 Descripción


CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA

y financieros, entre otros. Tecnologías, hardware y software: CPUs Multicore, GPUs, CELL-Blade, Dx10, OpenGL, GLSL, HLSL, Cg, CUDA y Rapidmind y APIs.

• Interface Humano-Computadora se vuelve más rica. Cámaras, rfid, gps, dispositivos de despliegue estereoscópicos y/o portátiles así como sensores de bajo precio posibilitan interfaces más naturales para ambientes reales (por ejemplo el wii y el Iphone) y simulaciones tridimensionales. Las interfaces tangibles y hápticas, multisensoriales se vuelven comunes para aplicaciones de realidad virtual interactiva y realidad aumentada.

• Equipo computacional con capacidades gráficas ya no son solo pcs, dado que ahora consolas de juego, teléfonos móviles, pdas, etc. como opciones de entretenimiento y comunicación, posibilitan la existencia de interfaces avanzadas.

• Nuevos dispositivos como procesadores gráficos programables permiten simulaciones grandes y eficientes, inclusive en computadoras personales, extendiendo la simulación como una herramienta para la toma de decisiones tanto en la ciencia como en el área de negocios (avances en algoritmos y hardware de bajo costo).

• El web esta morfeándose hacia Second Life y otros Metaversos; Mundos Espejo y otros medios sociales parecidos son ahora posibles debido a la existencia de redes de alta velocidad y computadoras más poderosas.

La realidad mixta (mixed reality) combina objetos físicos y digitales para lograr una interacción mucho más poderosa y que tiene aplicaciones diversas en ciencia, industria y servicios. Casi todos los productos y servicios involucran el desarrollo de software; no obstante, su desarrollo requiere de muy poca inversión en equipo, debido al incesante aumento de capacidad de cómputo y capacidad gráfica de las computadoras moder-nas. Una observación más es que el desarrollo y el mercado para este tipo de software son inherentemente globales y no están sujeto a cuestiones de exportación/importación, ya que el software puede desarrollarse en cualquier parte del mundo e igualmente “ba-jarse” a cualquier sitio.

12.1.3 Comportamientos tecnológicosMuchos de los elementos asociados a la megatendencia ya se están manifestando. Actualmente los adolescentes buscan medios para la socialización y educación por medio de videojuegos, mundos virtuales y mundos espejo. La industria turística se expande hacia los viajes virtuales para planear los viajes reales (ejemplo: Google Earth). Los servidores de telefonía móvil podrán tener acceso a aplicaciones de rea-lidad aumentada móvil para obtener información de todo tipo de objetos, eventos y entornos en base a la localización del usuario. Además, los científicos de diversas disciplinas (físicos, biólogos, sociólogos) usarán desde su escritorio simulaciones



tridimensionales con realidad virtual o aumentada, la creación de aplicaciones de arquitectura virtual permitirá que los arquitectos llevarán a sus clientes a paseos virtuales por las edificaciones que estén diseñando, posibilitando incluso que los mismos clientes alteren esos diseños, los artistas están tomando nuevas formas de producir objetos y eventos artísticos bi/tridimensionales, en mundos virtuales o rea-les, y opcionalmente interactivos o alterables por el público. Por medio de platafor-mas virtuales los ingenieros harán uso de simulación tridimensional de diseños inge-nieriles y de realidad aumentada, los médicos utilizarán simulación tridimensional de órganos del cuerpo humano así como realidad aumentada durante intervenciones quirúrgicas, los educadores diseñarán nuevos ambientes de aprendizaje en mundos virtuales; aprovecharán mundos-espejo en el currículum y utilizarán aplicaciones educativas de realidad mixta tales como simulaciones físicas, laboratorios virtuales, laboratorios reales aumentados. Finalmente, con la creación de mundos virtuales, los mercadotecnistas tendrán que utilizar nuevas estrategias de mercadotecnia y hay demanda creciente de personas capaces de lograr dispositivos y aplicaciones de realidad virtual, capaces además de trabajar en equipo con otros expertos en muy diversas disciplinas y a distancia


Temas de investigación de mayor impacto en la Megatendencia:


Ejercicios en realidad virtual para pacientes de infarto y otras dolencias

Modelación y estructuración de drogas y proteínas

Cómputo ubicuo

Síntesis de Imagen

Ambientes educacionales inmersivos y laboratorios virtuales

Interfaces avanzadas para realidad mixta y videojuegos

Simulación de multitudes





Tabla 12.4 Educación virtual




En desarrollo y manejo de imágenes: Motion capture, Imágenes 3d y tecnologías de procesamiento.

Tecnologías ultrasónicas para mastografías

Monitores: Head-Up displays

Sistemas de posicionamiento global (gps)

gpus multicore

Tecnologías de triangulación


Algunas de las tecnologías emergentes a partir de la Megatendencia son:

Tecnologías avanzadas de procesamiento de datos e imágenes bwc (Body Wearable Computer)

Tecnologías de información 3d Procesadores gráficos programables

12.5.1 Lista de productos y ServiciosDentro de los productos y servicios generados por la Megatendencia en las áreas de educación virtual, medicina, entretenimiento, seguridad y defensa, comunicaciones, arte y arquitectura e ingeniería, se encuentran:

Educación virtual

Capacitación en la transferencia de tecnología e innovación

Ambientes de aprendizaje en mundos virtuales


Tecnologías existentes de mayor relación con la Megatendencia:

12.5 Productos y servicios generados



Tabla 12.5 MedicinaTabla 12.5 Medicina

Tabla 12.6 Entretenimiento

Tabla 12.7 Seguridad y defensa





Medicina

Mastografías

Entretenimiento

Series de ciencia ficción con formatos 3D

Video juegos

Películas en tercera dimensión

Seguridad y defensa

Dispositivos de localización de personas en ambientes al aire libre

Dispositivos en aviones de combate

Proyección de información necesaria para el piloto

Educación virtual

Recreaciones de paisajes del pasado extintos


Diplomados y cursos de capacitación para educación virtual

Paseos virtuales por ruinas reconstruidas

Laboratorios reales aumentados y virtuales

Tabla 12.8 Comunicaciones

Comunicaciones

Información de todo tipo de objetos, eventos y lugares a nuestro alrededor, para teléfonos móviles

Dispositivos de navegación en teléfonos móviles




Tabla 12.10 Arquitectura e ingeniería



Arquitectura e ingeniería

Diseños virtuales para dar a conocer edificaciones aun no construidas

Conservación virtual de arqueología histórica

Trazado digital

Diseños de construcciones modificables por los clientes

Consulta de mapas interactiva

12.6 Taxonomía



Educación virtual

Sistemas de aprendizajeTecnologías avanzadas de procesamiento de datos e imágenes

Capacitación en la transferencia de tecnología e innovación

Diplomados y cursos de capacitación para educación virtual


Simulación Procesadores gráficos programables

Ambientes de aprendizaje en mundos virtuales

Paseos virtuales por ruinas reconstruidas

Recreación de paisajes del pasado extintos

Educación virtual Simulación Procesadores gráficos programables

Laboratorios virtuales

Laboratorios reales aumentados

Medicina Imágenes médicas hiperespectrales

Tecnología ultrasónica para mastografías Mastografías

Entretenimiento Procesamiento de imagen Gpus multicore Video juegos

Tecnología de información 3d Películas en tercera dimensión

Tabla 12.9 Arte


Arte

Creación interactiva virtual de productos artísticos

Generación de música a partir de movimientos






Entretenimiento Procesamiento de imagen Imagen 3dSeries de ciencia ficción con formatos 3d

Seguridad y defensa

Dispositivos para seguridad y defensa

Head up displays

Dispositivos en aviones de combate

Proyección de información necesaria para el piloto

bwc (body wearable computer)

Dispositivos de localización de compañeros al aire libre

Comunicaciones Telefonía celular

gps Dispositivos de navegación en teléfonos móviles

Tecnologías de triangulación

Información de todo tipo de objetos, eventos y lugares a nuestro alrededor, para teléfonos móviles

Arte Diseño de obras de arte

Tecnología de procesamiento de imágenes

Creación interactiva virtual de productos artistícos

Motion capture Generación de música a partir de movimientos

Arquitectura e ingeniería Simulación de prototipos Tecnología de información

3d

Diseños de construcciones modificables por los clientes

Diseños virtuales para dar a conocer edificaciones aun no construidas

Conservación virtual de arqueología histórica

Trazado digital

Tecnologías inalámbricasAlfonso Alva

David Muñoz RodríguezLuis Fernando González Pérez

Jair Mercury GonzálezRamón Rodríguez Cruz

13

13.1.1 DefiniciónDebido a que las tecnologías inalámbricas se expanden en un rango muy amplio de aplicaciones esta investigación no aborda todos los posibles usos sino los más representativos, a continuación proponemos una clasificación de tecnologías inalámbricas:1. Redes inalámbricas ad-hoc y de sensores 2. Redes de comunicación multimedia inalámbrica3. Redes de comunicación celular

En general la primera categoría concierne al diseño e implantación de redes inalámbricas capaces de captar información del entorno para propósitos de mo-nitoreo y control. Estas redes se emplean para un número nutrido de aplicaciones que van desde la investigación ecológica hasta la automatización industrial, moni-toreo de vehículos, optimación logística de centros de salud, etc. En muchos casos acciones apropiadas deben de tomarse ante la ocurrencia de determinados even-tos. Estas acciones pueden estar dirigidas por redes inalámbricas de nodos con capacidad de actuar. Las principales características de esta categoría de sistemas inalámbricos la constituyen su cobertura modesta de corto alcance, su capacidad media o baja de transmisión de información y su bajo consumo de potencia.

13.1 Descripción


CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS

En la segunda categoría, como lo sugiere el título, colocamos a todas las tecnolo-gías inalámbricas de alta velocidad. Por alta velocidad nos referimos a la capacidad de transmitir contenido multimedia (audio y video) en tiempo real. Ejemplos de esta cate-goría son las redes inalámbricas que soportan transmisión continua de audio y video, video conferencia, etc. La principal característica en esta categoría es el flujo masivo de información en ambientes interiores y regiones metropolitanas. Esta categoría puede subdividirse a la vez en redes inalámbricas de área personal (wpan), redes inalámbricas de área local (wlan) y redes inalámbricas de área metropolitana (wman). Es notable como esta categoría no depende del área de cobertura sino de la cantidad de informa-ción que comunica.

La última categoría está relacionada con las comunicaciones celulares convencio-nales, es decir, comunicaciones de voz y datos dentro de una red metropolitana. La principal característica en esta categoría es el área de cobertura, así como la tasa de transmisión de entre 200 y 380 kbps. Dentro de esta clasificación tenemos a las tecnolo-gías gsm y su evolución hasta umts (3g) por un lado y a cdma y su evolución por el otro. En un futuro cercano se espera que estas dos últimas categorías se mezclen en una sola área de sistemas inalámbricos y comunicaciones móviles conocida como “sistemas de comunicación 4g”

13.1.2 DetonadoresLos sensores y actuadores trabajando juntos y formando redes proporcionan inteligencia en la fábrica, en la granja, en la oficina, en la clínica, en el supermercado, etc. Esta inteli-gencia permite un uso más eficiente de los recursos y evitar accidentes, lo que a su vez reduce considerablemente los costos de la empresa. Se desarrollarán nodos capaces de reunir información del ambiente y de activar mecanismos de una forma automática, de dimensiones pequeñas, con capacidad de procesamiento y baratos; para poder ser vendidos por millones por todo el mundo y ser costeables. Cuando una masa crítica se alcanza, un estándar puede ser desarrollado y un efecto amplificador con una retroali-mentación positiva se logra. Las tendencias en redes inalámbricas de sensores seguirán esta regla.

Nodos inalámbricos con sensores, actuadores y electrónica de radiofrecuencia son el tipo de dispositivo que puede ser construido como un “Sistema Inteligente en un Chip” (isoc) por sus siglas en inglés. Para permitirles a estos dispositivos un tamaño más pe-queño, se conduce investigación en semiconductores basada en silicio. La madurez de esta investigación se espera para el año 2015 en el cual dispositivos confiables y baratos con baja potencia de disipación se podrán construir. El éxito no depende solamente de los avances en las tecnologías de silicio pero en una mezcla de microelectrónica y fotónica con nano-química y biotecnología. El futuro de los isocs permitirá el desarro-llo de nuevos circuitos y sistemas con propiedades nuevas extraordinarias relevantes para casi cualquier sector de la economía. Esta integración apoyada en la biotecnología



proporciona los cimientos para un futuro en el que el sensado , la percepción de las imá-genes, el procesamiento de información y las comunicaciones puedan ser integrados.

Para poder comunicar estos nuevos dispositivos híbridos se requiere de una platafor-ma. Se necesitan desarrollar nuevos protocolos y establecerse estándares. La construc-ción de los circuitos integrados nos impone límites en las bandas de frecuencia a las que pueden operar. La compatibilidad electromagnética de los futuros dispositivos dentro de los nodos determinará las cotas en las frecuencias de operación. Las tecnologías actual-mente estandarizadas guiarán la futura investigación. Es por ello que podemos esperar el uso de sistemas móviles, reconfigurables y redes inalámbricas personales basadas en el estándar ieee 802.15 y sus estándares derivados mencionados anteriormente. Siempre que las redes bajo estos estándares puedan coexistir pacíficamente e interactuar entre ellos de manera eficiente, el desarrollo e integración de redes de sensores y actuadores será económicamente posible muy pronto.

Algunas redes formadas por dispositivos de sensado interconectados entre sí, son capaces de recuperar y retransmitir contenido multimedia en forma de cadenas de sím-bolos de audio y video, imágenes estáticas y datos provenientes de las variables sen-sadas. Cuando estas redes logran la comunicación descrita a través de un medio ina-lámbrico se les denomina Redes Inalámbricas Multimedia de Sensores (wmsn) por sus siglas en inglés. Aplicaciones existentes que utilizan redes de sensores incluyen rastreo, automatización de enseres domésticos, monitoreo ambiental, vigilancia y reconocimiento del campo de batalla. El avance en el desarrollo de estas aplicaciones se debe en gran medida a la evolución de redes wmsn. Algunas otras aplicaciones serán habilitadas gra-cias al uso de estas redes próximamente, tal es el caso de los sistemas de vigilancia mul-timedia, los sistemas de control y disminución de tráfico vehicular, el aprovisionamiento de servicios avanzados de salud y los servicios de localización de personas.

Adicionalmente a la integración de redes automáticas que sensan un dispositivo externo y actúan de acuerdo a la información recabada de a cuerdo con una máqui-na de estados finita, existen esquemas que demandan intercambio de información. Tecnologías pasivas que actúan cuando son interrogadas por un mecanismo ina-lámbrico pueden ser administradas y respuestas en tiempo real pueden ser activa-das. Esta comunicación inalámbrica pasiva es un elemento nuclear de colaboración inter empresarial subyacente en muchos modelos emergentes extendidos en los negocios, la seguridad en el hogar y otros dominios. El ejemplo primordial es el de identificación por radiofrecuencia presente en las cadenas de suministro (tales como Wal-Mart, FedEx o Cisco). El siguiente paso es el de rastreo de patrones en los consumidores de manera que se puedan identificar preferencias hacia ciertos productos por zonas. Esto permitiría un mecanismo eficiente de desplazamiento de mercancía. Esta aplicación impone retos tanto en el desarrollo de etiquetas de rfid poderosas como en procesos de minería de datos.



Dentro de las áreas militares el número de aplicaciones es enorme. Es precisamente en este nicho en el que nacieron las tecnologías de redes de sensores y redes auto con-figurables. Debido a que el retorno de inversión no es la prioridad para la investigación de la marina y la armada, se espera que audaces líneas de investigación usando nuevos materiales y diferentes bandas de frecuencia sean adoptadas por este sector de la eco-nomía con el propósito de desarrollar aplicaciones de guerra.

La tendencia más clara es la de la interconexión e interacción de redes reconfi-gurables de sensores inteligentes entre sí y con otros dispositivos inalámbricos en otras redes inalámbricas. Esta tendencia obedece a la necesidad de proporcionarle a la gente información en tiempo real independientemente del momento y lugar en el que se encuentren con el fin de incrementar su productividad y capacidades de competitividad.

En el presente las tecnologías inalámbricas de alta velocidad están experimentando una enorme cantidad de mejoras gracias a los recientes avances en la teoría de teleco-municaciones y diseño electrónico en la muy alta escala de integración (vlsi) por sus siglas en inglés. Por ejemplo, en el área de uwb se espera que este año los primeros dispositivos electrónicos para consumo con esta tecnología se encuentren disponibles en el mercado. Esto hará posible la transmisión de aplicaciones multimedia en alcances cortos con mucho menos consumo de batería que lo que sus contrapartes convencio-nales actuales.

En el área de Wi-Fi desde el año pasado ha habido muchas actividades alrededor de la estandarización del ieee 802.10. La nueva versión de este estándar, el 802.11n, es una especificación tendiente a incrementar la velocidad de red, confiabilidad y distancia de operación de las redes inalámbricas. El rendimiento en la transmisión de datos sin encabezado se espera que alcance los 600 Mbps o más de 10 veces el rendimiento del estándar 802.11g. La tecnología clave para que el nuevo estándar alcance un rendi-miento de 600 Mbps es el uso de sistemas mimo que utiliza múltiples antenas en ambos sentidos. En la fuente de información o transmisor y en el destino o receptor de manera que se minimicen los errores y se optime la velocidad de la transmisión de datos.

En cuanto a wimax podemos decir que para un despliegue exitoso de este tipo de redes los vendedores de equipo deben afinar su estrategia para ofrecer productos que permitan utilidades con respecto al costo de la inversión. Para ello deben conocer las ne-cesidades del país en donde se desplegará la tecnología. Esto significa que las solucio-nes programables de procesamiento digital de señales (dsp) y los dispositivos de radio definidos por programas de software serán las tecnologías a ser usadas para implemen-tar wimax. Las soluciones basadas en software proporcionan la flexibilidad para enfrentar variaciones sin tener que retomar un rediseño completo para cada mercado.

En cuanto a tecnología de comunicación con base en células, la prospectiva tecno-lógica para las 3g se agrupa en dos nuevas generaciones: 3.5g y 4g. Algunos aspectos clave de éstas se muestran a continuación:



1. 3.5g (3.5th Generation or LTE –Long Term Evolution-): Mejora de umts, mejora a través de otras técnicas auxiliares, tales como: iburst, hyperman, wimax, wibro, gan (Generic Access Network). Esquema usado: mimo + ofdm + sc-fdma (Single Carrier), sdma, Beamforming.

2. 4g: Los estándares serán definidos por varios grupos de investigación de telecomunicaciones (por ejemplo: Airspan, Alvarion, Aperto Networks, Ensemble, Fujitsu, Intel, Nokia, Proxim, entre otros) basados en los requerimientos sociales y tecnológicos. La frecuencia de operación prospectada: 3-5 ghz (Tendencia de Internet inalámbrico). Propuestas de esquema: concepto “a cualquier hora, en cualquier lugar”; mimo, mu-mimo, ipv6, sdr (Software Defined Radio), algoritmos Alamoutti. Soluciones de prospectiva tecnológica al estado del arte: ruteo móvil cooperativo (cooperative mobile routing), Redes mimo (Net-mimo), Antena Inteligente mimo, control de supervisión celular, v-doip (voice-data over IP); 3d tv, Intelligent-Software-autoconfiguration based applications, Augmented Reality (ar = Enhanced Virtual Reality –evr-).

En conclusión, se busca que las tecnologías inalámbricas evolucionen hacia un escenario centrado en el usuario en donde una red de acceso generalizado dará soporte a una conexión completa en cualquier momento y lugar, basada en una infraestructura all-IP común, flexible y transparente que apoyará la escalabilidad y movilidad.

13.1.3 Comportamientos tecnológicosEntre los elementos característicos de la megatendencia más significativos tenemos que los sensores que observan variables físicas y recolectan información del am-biente para después tomar decisiones de manera autónoma permitirán evitar incen-dios, administrar inventarios, monitorear pacientes y realizar museos interactivos), existe una mayor dinámica en la interacción entre sensores y actuadores, con una lógica de acción más sofisticada, mediante la programación en lenguaje vhdl (len-guaje para sistemas de diseño) se podrá implementar más rápidamente los módulos de hardware, la radiofrecuencia (rfid) permite identificar y rastrear productos y ani-males para los procesos de inventario y control, el uso de tecnologías inalámbricas facilita el acceso global a personas e información, por medio de las tecnologías ina-lámbricas se están diseñando portales en línea de servicios (como finanzas en línea, gobierno en línea), el crecimiento del uso del internet provoca una mayor demanda de entretenimiento (mayor ancho de banda), el aumento de usuarios conectados a internet provoca el desarrollo de más servidores de banda ancha inalámbrica. Final-mente, se están produciendo libros accesibles a través de la red, el Business 2 Bu-siness (b2b) facilitará la comunicación y operación organizacional y la agricultura de precisión permitirá el monitoreo mediante información vía satélite de las condiciones de tierra, agua, plagas y meteorológica en productos agrícolas.





Modelos matemáticos de propagación y optimización del canal inalámbrico de comunicación

Diseño de baterías compactas, recargables y de alta duración

Compresión de información en hardware

Estructuras no resonantes en antenas

Codiseño y sistemas embebidos

Desarrollo de memorias y unidades de procesamiento cada vez más pequeñas y poderosas

Cosechamiento de energía luminosa, térmica o cinética

Interacción de protocolos de comunicación

Transductores con microsensores

Conservación de energía


Redes: inalámbricas con interacción ip-inalámbrico; inalámbricas de área personal (wpan); inalámbricas pasivas; de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) y personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth y en zigbee

Interconexión de redes de área local separadas geográfica

Protocolos de aplicaciones inalámbricas (wap)

Acceso inalámbrico portátil

Microondas terrestres

cdma

Satélites de comunicación de órbita alta y sistemas de posicionamiento global (gps)

Antenas: de frecuencia ultra-alta (uhf) y wifi




Dentro de las tecnologías existentes con impacto en la megatendencia se encuentran:






Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: Intelligent System on a Chip)

Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo)

Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb)

Banda ultra-ancha (uwb)

Ondas de radio de bajo poder

Semiconductores de silicio

umts


Algunas de las tecnologías emergentes generadas por la Megatendencia son:

13.5.1 Lista de productos y serviciosDentro de los productos y servicios a partir de la megatendencia en las áreas de redes masivas y redes específicas se encuentran:

Tabla 13.4 Redes masivas

Redes masivas

Dispositivos para transmisión de datos pesados (entretenimiento, música, videos, fotos, juegos, tv, impresiones)

Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar

Receptores de sistemas de posicionamiento global (gps)

Servicios de red en lugares remotos

13.5 Productos y servicios generados



Tabla 13.5 Redes específicas


Redes específicas

Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros y para el control de acceso en edificios

Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red

Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico

Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos

Sensores para sistemas autónomos empleados en robots

Auriculares inalámbricos para teléfono móvil

Boletos de admisión electrónicos

Teléfonos celulares con micro-navegadores

Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia

Etiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad)

Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales

Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos

RFID para señales de tráfico inteligentes en la carretera

Redes masivas

Televisión digital satelital

Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados

Dispositivos de comunicación automática

Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil

Sistemas de seguridad para transacciones virtuales

Aplicaciones móviles de siguiente generación

Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad

Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos

Localizadores satelitales para automóviles

Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos

Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi

Soluciones de seguridad inalámbrica

Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (IsoC: intelligent system on a chip)

Publicidad móvil

Operaciones bancarias desde pda´s o equipos celulares inteligentes

Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular

Dispositivos inalámbricos para computadoras




Fuente: Coordenadas, Órgano Oficial del Consejo Profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones, Electrónica y Computación. Año XXII, No. 78, Junio-Julio 2008. http://www.copitec.org.ar/boletines/revista/COORDENADAS%2078.pdf

Redes específicas

Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza

Termógrafos

Etiquetas para identificación de animales

Area de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios

Redes masivasRedes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Red inalámbrica con interacción ip-inalámbrico

Servicio de red en lugares remotos


Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar


Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi

Dispositivos para transmisión de datos (entretenimiento,música, videos, fotos, juegos, tv, impresiones)

Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap)

Banda ultra-ancha (uwb)

Antena de frecuencia ultra-alta (uhf)

Televisión digital satelitalMicroondas terrestres

Satélites de comunicación de órbita alta

Interconexión de redes de área local separadas geográfica

Microondas terrestres Receptores de sistema de posicionamiento global (gps)

Sistemas de posicionamiento global (gps)

Localizadores satelitales para automóviles

Antenas Wi-Fi Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos

Banda ultra-ancha (uwb) Soluciones de seguridad inalámbrica

13.6 Taxonomía




Redes masivas

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia)

Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos

Redes de comunicación multimedia (enfocado a los datos)

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados


Dispositivos de comunicación automática

Publicidad móvil

Banda ultra-ancha (uwb)Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad

umts

Aplicaciones móviles de siguiente generación

cdma


Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap) Operaciones bancarias desde

pda´s o equipos celulares inteligentes


Banda ultra-ancha (uwb) Sistemas de seguridad para transacciones virtuales

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee

Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular


Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvilAcceso inalámbrico portátil

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth

Dispositivos inalámbricos para computadoras

Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee

Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: intelligent system on a chip)

Semiconductores de silicio

Redes específicas Redes inalámbricas ad-hoc

Red inalámbrica de área personal (wpan)

Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos





Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap)

Teléfonos celulares con micro-navegadores

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee

Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales

Ondas de radio de bajo poderSensores para sistemas autónomos empleados en robots


Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en control de acceso en edificios



Red inalámbrica pasiva




Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) Termógrafo





Ondas de radio de bajo poderEtiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad)

Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en bluetooth

Boletos de admisión electrónicos



Etiquetas para identificación de animales






Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza

Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia

Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn)

rfid para señales de tráfico inteligentes en la carretera


Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros


Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red

Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico


Conclusiones

14

Las megatendencias tecnológicas presentadas en este libro describen la probable orientación que dirigirá el desarrollo científico y tecnológico de los próximos años. El impacto de los productos que surjan de estas megaten-dencias se verá en las herramientas con las que desempeñamos nuestro trabajo, en la forma de producción de artículos, y modificarán a los mismos productos de consumo que empleamos día a día. Con la demanda de estos nuevos productos y servicios se abrirán nuevas oportunidades empresaria-les que impactarán el desarrollo económico de las regiones que prevean y estén preparadas para estas transformaciones.

Es necesario comentar que cualquier aseveración que implique ade-lantar lo que pasará en el futuro, corre el riesgo de verse rebasada por el surgimiento de rupturas en los procesos de evolución tecnológica que no pueden preverse en el largo plazo. Los alcances de las megatenden-cias aquí citadas tienen una vigencia de 10 a 15 años y sin duda incluyen los temas que dominarán el desarrollo tecnológico futuro, sin embargo el lector debe estar pendiente del surgimiento de nuevas tecnologías que le permitan entender si éstas complementan o fortalecen a las aquí descritas.

En este libro se han descrito doce megatendencias tecnológicas que probablemente transformarán nuestra vida en los próximos años.

De inicio, se presentó el desarrollo de los sistemas ópticos como un sector de amplio alcance. Con el aumento de la utilización de la fibra óp-tica, las mejoras al láser, el avance de la nanotecnología y la holografía, ahora es posible manipular la luz con mayor precisión generando un va-riado número de aplicaciones. Entre estas aplicaciones las que tendrán mayor impacto serán aquéllas en los dispositivos de almacenamiento masivo y en los aparatos de cómputo, aumentando exponencialmente la capacidad, velocidad y la calidad de transmisión. Otras áreas con avances son la medicina, con el desarrollo de instrumentos ópticos para


CAPÍTULO 14: CONCLUSIONES

cirugías que permitirán una precisión no imaginada aún en procedimientos ope-rados a larga distancia a través de robots; los avances en las técnicas corrección de visión en débiles visuales; así como dispositivos que mejoran la capacidad de detección de tumores. Por otro lado, las telecomunicaciones; el procesamiento de imágenes satelitales con aplicaciones en meteorología, agricultura y cartografía; y la producción de pantallas (mini, macro, transparentes y flexibles) que harán posible nuevos tipos de teléfonos y otros aparatos electrónicos.

La biotecnología agrícola, impulsada principalmente por los avances en la gené-tica, debe satisfacer las necesidades que los nuevos estilos de vida de la sociedad, cada vez más sedentaria, con índices de obesidad en aumento y desde una edad más temprana, entre otros. Además del reto que implican los cambios climatológicos y la contaminación (modificando las condiciones de las tierras cultivables) e impul-sando el desarrollo de mejores granos. Es decir, el desarrollo tecnológico ofrecerá mejores granos, que sean resistentes a condiciones adversas; nuevas aplicaciones en la remediación de suelos, y para el consumidor final alimentos con nutrientes extras y con propiedades adicionales preventivas de enfermedades.

La biotecnología médica busca la evolución de la medicina tradicional –enfoca-da en el tratamiento- dirigiendo parte de sus avances a la predicción y prevención de enfermedades a nivel celular y molecular. Responde al aumento en la esperanza de vida de la población, al incremento en la tasa de incidencia de cáncer, al surgi-miento de nuevas enfermedades infecciosas o las favorecidas por un estilo de vida sedentario, así como al aumento en la demanda de productos y medicinas para auto-diagnóstico. Los avances tecnológicos se centrarán en el software de análisis a nivel molecular y celular, los tratamientos médicos personalizados de acuerdo al perfil genético del paciente (incluyendo los anticuerpos específicos), las innova-ciones en los dispositivos de diagnóstico y las mejoras a los procedimientos de la reproducción asistida.

El mejoramiento y sustitución de células, tejidos y órganos es el campo de la megatendencia presentada de Células y Tejidos Artificiales. Las causas del forta-lecimiento de esta actividad médica son principalmente la carencia de donadores, el rechazo de cuerpos biológicos y los avances en la tecnología de materiales. Los productos generados en esta megatendencia están asociados al desarrollo de tec-nologías de biomateriales, MEMS y manipulación genética y celular.

Las computadoras de alto rendimiento para el procesamiento de grandes vo-lúmenes de información son empleadas en el cálculo intensivo, almacenamiento masivo y minería de datos. Las programas para su operación y aprovechamiento representan verdaderos proyecto de inversión, más que las computadoras mismas. Estos avances responderán al estilo de vida y de hacer negocios donde los datos y la voz interactuarán con dispositivos móviles, por lo que se incrementan las necesi-dades de almacenamiento remoto, sincronización y respaldo de datos. A su vez, la



cantidad de información generada hace necesario herramientas de procesamiento para análisis, reportes y seguimiento estadístico de operaciones financieras, comer-ciales, etc.

La Inteligencia artificial (emulación del comportamiento humano por las com-putadoras) sólo fue posible con el aumento de la capacidad del hardware y la evo-lución de las interfases de comunicación humano-computadora. Los productos de esta megatendencia son muy vastos e incluyen sistemas de control en cualquier sistema automático; en medicina, dispositivos para el diagnóstico y tratamiento au-tónomos; en los negocios, simulaciones, clasificadores, y reconocimiento de patro-nes de comportamiento y en general cualquier robot autónomo.

La ingeniería de materiales ha sido impulsada por los avances en magnetismo, plasma y sobre todo nanotecnología. Los productos en donde habrá más aplicacio-nes serán las carrocerías de automóvil, herramientas móviles, recubrimientos para soportar altas temperaturas, materiales biocompatibles y el almacenamiento de da-tos.

Los sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS) se integran por elementos me-cánicos y sensores en escalas milimétricas. Hay diversos productos que los em-plean ya para ordenar, contar o suministrar fluidos o bien para realizar una labor me-cánica. En el campo de la electrónica se emplean experimentalmente en pequeños dispositivos que requieren movimiento. Si bien es un área muy nueva, es promisoria su utilización en micromáquinas que puedan interactuar con bacterias, o para atacar de manera específica tumores cancerígenos.

La micro y nanotecnología surge con el descubrimientos de los nanotubos de grafito en 1991. Esta megatendencia abarca rubros que van desde la medicina hasta aplicaciones aeroespaciales pasando por el uso eficiente de energía. Los tratamien-tos contra enfermedades, el suministro de medicamentos y la detección de virus se vuelven menos invasivos y más exactos, los consumidores optan por materiales más ligeros y más resistentes, existe una preocupación por la contaminación que motiva a buscar alternativas de reciclaje, ahorro y almacenamiento de energía, la minia-turización entra a una nueva etapa: autos, computadoras, teléfonos e información integrada a productos comunes y los avances en la industria aeroespacial permiten el turismo espacial y la construcción de bases en satélites cercanos a la Tierra.

El desarrollo de las nuevas fuentes de energía es impulsado por dos grandes fenómenos: por un lado el paulatino decrecimiento de las fuentes no renovables de energía, y por el otro la gran capacidad contaminante de las actuales energías. Los desarrollos de energía no fósil se encuentran en el campo eólico, solar, celdas de combustible, biocombustibles, hidrógeno, nuclear, geotérmica, hidráulica, energía del mar y termoeléctrica. México en particular cuenta con grandes recursos, prin-cipalmente en energía solar, eólica y maremotriz, que debe ser aprovechada por cuestiones económicas y ambientales.



La industria de videojuegos y comunicación que va desde las consolas de jue-go hasta simuladores virtuales tendrá aplicaciones más serias en el campo de la capacitación, el entrenamiento, actividades lúdicas y la educación. Específicamente existen oportunidades en la educación virtual, medicina, entretenimiento, dispositi-vos de combate, dispositivos de navegación y el arte.

Finalmente, se exploraron las tecnologías inalámbricas, que se adecuan a las nuevas formas de trabajo e interacción remota, tanto en actividades sociales como económicas. Ya existen aplicaciones como el rastreo satelital y llaves inteligentes para encender un automóvil a distancia. Tecnologías como RFID ya se emplean para el manejo de inventarios y rastreo logístico y nuevos protocolos como Zigbee mejorarán la comunicación entre dispositivos caseros y dispositivos como consolas de juego, televisores, teléfonos y computadoras.

Esperamos que la información mostrada en este libro se convierta en un referen-te para la exploración de nuevas oportunidades de negocio. Estamos convencidos de que el estudio del futuro no tiene ningún sentido si no se hace con la visión de aprovecharlo. Se pretende impulsar al lector a entender las consecuencias de estas transformaciones y sobre todo se invita a aprovechar las oportunidades detectadas, para que reditúen en el desarrollo de nuevos productos y procesos de alto valor agregado, que finalmente contribuyan al desarrollo regional.

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Algunos avancesdel futuro

Megatendencias tecnológicas

Fuentes: The Economist (The World in 2008) y Revista Expansión (Expansión N° 1000).Fuentes: The Economist (The World in 2008) y Revista Expansión (Expansión N° 1000).

Megaten-dencia Tema Información

Nuevastecnolo-gías ener-géticas

Reactoresnucleares

Hay interés por parte de Estados Unidos, Japón y la Unión Europea por generar más energía nuclear. China tiene planeado construir 30 plantas durante los siguientes 10 años.

Energíageotér-mica

La empresa Innamincka trata de explotar los 250°C que se pueden encontrar en la superficie del desierto de Australia para la generación de energía.

Fuentesde ener-gíaportátil

Científicos de la Universidad de Oregón diseñaron una celda de combustible biológica que usa bacterias para convertir materiales biodegradables en electricidad. La tecnología puede ser comercialmente viable en grandes plantas de tratamiento de agua.

Tecnolo-gíasinalám-bricas

Redesdecomuni-cacióncelular(enfo-cadoa ladistan-cia)

Para 2030 el internet será accesible en todo lugar y todo el tiempo; y todos los dispositivos se comunicarán entre ellos de manera automática.

Redesinalám-bricasAd-Hoc

En el 2050 por medio de dispositivos parecidos a los utilizados en encefalografía, las ondas cerebrales interactuarán con las máquinas.

La International Electrotechnical Comission ha generado nuevos estándares que conducirán a la esperada “casa interconectada” al hacer posible conexiones ente los electrodomésticos y el equipo audiovisual como las PC y televisiones.

En este libro se presentan las megatendencias que a juicio de los autores probablemente marcarán el futuro en el aspecto tecnológico, tratando de identificar los comportamientos que influenciarán a personas, grupos, instituciones, comunidades, regiones y países, para con ello identificar oportunidades de productos y servicios emergentes que puedan comercializarse en los mercados mundiales.

Para realizar este trabajo de investigación se desarrolló una metodología específica que permite identificar los componentes más importantes de la megatendencia, y se concentra en una técnica para la identificación de productos y servicios comercialmente atractivos en el futuro, a través del análisis de los elementos de mayor peso en el fortalecimiento de la megatendencia, así como en la evaluación del impacto de ésta en el mercado y en la sociedad.

La información de megatendencias en este libro busca motivar a los individuos, los empresarios y los gobiernos a aprovechar nuevas oportunidades de negocio, para que reditúen en el desarrollo de nuevos productos y procesos de alto valor agregado, que finalmente contribuyan al desarrollo regional.

Las megatendencias tecnológicasactuales y su impacto en la identificación

de oportunidades estratégicas de negocios

ISBN 978-607-7517-94-8

Las megatendencias tecnológicas actuales y su impacto

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