Ross D. King es profesor de computación en la Universidadde Aberystwyth. Investiga cuestiones relativas a la actividadcientífica, entre las que se incluyen métodos para aplicarla computación a la química y la biología.

Robots científicosConciben hipótesis, realizan experimentos para verificarlasy evalúan los resultados. Todo ello sin intervención humana

• pUEDEN AUTOMATIZARSE LOS DESCUBRIMIENTOS¿científicas? Con ello no nos referimos a auto-matizar los experimentos. Nos preguntamossobre la posibilidad de construir una máquina(un «robot científico») que lleve a cabo todo

el proceso que aporta nuevos conocimientos a la ciencia. Nues-tro grupo de investigación lleva un decenio tratando de de-sarrollar una.

A ello nos mueven dos finalidades. La primera, comprendermejor la ciencia. Tal y como sostenía el físico y premio nóbelRichard Feynman, es imposible entender aquello que no po-demos crear. Construir un robot científico nos obliga a tomardecisiones de ingeniería que tengan en cuenta los mecanismosque intervienen en la formulación de hipótesis, la relación en-tre objetos físicos y conceptos abstractos, y la existente entrelos fenómenos observados y su formulación teórica.

Nuestra segunda motivación es de carácter técnico: máqui-nas de ese tipo posibilitarían una investigación más producti-va y rentable. Hoy, la complejidad de algunas cuestiones cien-tíficas alcanza tales niveles que no existen suficientes expertosen el mundo para abordarlas. En esos casos, las mayores espe-ranzas residen en un tratamiento automatizado.

Los recursos informáticos destinados a la investigacióncientífica han experimentado mejoras constantes. Considere-mos la auto matización de laboratorios gracias a las técnicas decribado de alto rendimiento y sus aplicaciones a la secuencia-ción del ADN o la selección de fármacos, los ordenadores queautomatizan el análisis de datos y que ya comienzan a formu-lar hipótesis, o los programas de aprendizaje automático que seemplean en el diseño de fármacos. El objetivo de un robot cien-tífico consiste en combinar todas esas técnicas para automati-zar el proceso completo: formular hipótesis, concebir y realizarexperimentos que las sometan a prueba y repetir el ciclo hastaproducir nuevos conocimientos. ms posible construir una má-quina semejante? Dos robots diseñados por nuestro laborato-rio, así como otros en todo el mundo, sugieren una respuestaafirmativa.

EXPERIMENTOS CON LEVADURASLas primeras aplicaciones de la inteligencia artificial a los des-cubrimientos científicos se desarrollaron en la Universidad deStanford durante los decenios de 1960 y 1970. Se diseñó un pro-grama, DENDRAL, que analizaba los datos obtenidos por un es-pectrómetro de masas; el programa asociado, Meta-DENDRAL,

la complejidad de algunos problemascientífiCOS es tal que el diseño y la reali-zación de los experimentos necesariospara solucionarlos requieren una canti-dad prohibitiva de tiempo.

los robots científiCOS podrían llenar esevacío. Adam, un prototipo, formula hipó-tesis sobre las funciones de los genes dela levadura S. cerv;s;ae y concibe experi-mentos para verificarlas.

Mediante la inteligencia artificial y unequipo robótico, Adam descubrió los tresgenes que codifican cierta enzima de lalevadura, un resultado que había esca-pado a los científICOS.

los críticos sostienen queAdam no es uncientífico, pues requiere intervención hu-mana. Aun así, una colaboración entrerobots y humanos daría mejores resulta-dos que cualquiera de ellos por separado.

fue uno de los primeros sistemas de aprendizaje automático. Elobjetivo consistía en fabricar instrumentos que permitiesen ala misión Viking, de la NASA, explorar las posibles señales devida en Marte. Por desgracia, la tarea se encontraba más allá delos recursos técnicos de la época.

Desde entonces, programas como Prospector (en geología),Bacon (genérico) y sus sucesores han automatizado tareas comoel planteamiento de hipótesis y su comprobación experimental.Sin embargo, la mayoría de esos sistemas carece de la capaci-dad para realizar sus propios experimentos. Ello supone un re-quisito esencial que ha de satisfacer todo sistema que opere demanera autónoma, siquiera de modo parcial.

Adam, nuestro robot, carece de forma humana. Es un labo-ratorio complejo y automatizado, con forma de cubículo y deltamaño de una pequeña oficina. El equipo comprende un con-gelador, tres robots de tratamiento de líquidos, tres brazos 1'0-

bóticos, tres incubadoras, un centrifugador y otros dispositi-vos, todos ellos automatizados. Adam cuenta también con unpotente «cerebro»: un equipo informático que razona y con-trola los ordenadores personales que actúan sobre el equipofísico.

El diseño de Adam se orienta hacia un importante campode la biología, muy adecuado para la automatización: la genó-mica funcional, que investiga las relaciones entre los genes ylas funciones que estos llevan a cabo. Adam experimenta sobreel crecimiento de microorganismos. Para ello, selecciona cepasmicrobianas, los medios en que estas habrán de desarrollarsey, después, estudia su evolución durante varios días. El robotpuede poner en marcha hasta 1000 combinaciones de cepasy medios cada día; todo ello por su propia cuenta.

El primer estudio completo versó sobre Saccha1'Omyces ce-Tevisiae, la levadura que se emplea en la fabricación de pan, cer-veza, vino y whisky. El interés de esta levadura reside en queproporciona un buen modelo para entender el funcionamientode las células humanas. S. ce1'evisiae posee muchos menos ge-nes que nosotros y crece con rapidez. Y aunque los últimos an-tepasados comunes de humanos y levaduras se remontan a unosmil millones de afios atrás, ambos tipos de células aún compar-ten numerosas características.

Adam ha intentado esclarecer el mecanismo mediante el quela levadura emplea enzimas (proteínas que catalizan reaccionesbioquímicas) para convertir el medio de cultivo en más levadu-ra y residuos. Después de más de 150 años de estudio, los deta-lles del proceso todavía no se conocen. Se han cuantificado lasenzimas que produce la levadura, pero en algunos casos se des-conocen los genes que las codifican. Adam trató de descubrirlos genes «padre» de esas enzimas «huérfanas».

Como es natural, para poder realizar un descubrimiento,Adam necesita conocer la ciencia actual. Introdujimos en suprogramación abundantes conocimientos relativos al metabo-lismo y la genómica funcional de la levadura. La afirmación deque Adam posee «conocimientos» en lugar de «información»se presta al debate filosófico. En nuestra opinión, el uso del tér-mino se halla justificado, puesto que se refiere a lo que Adamemplea para razonar y dirigir sus interacciones con el mundofísico.

Ese conocimiento se representa en Adam mediante enuncia-dos lógicos. La lógica nació hace 2400 años con el objetivo dedescribir el conocimiento con mayor precisión que el lenguajenatural. La lógica moderna constituye el medio más preciso pararepresentar el saber científico e intercambiar conocimientos en-tre robots y seres humanos. Además, y dado que la lógica sirve

como lenguaje de programación, los conocimientos de Adampueden interpretarse como un programa informático.

Para iniciar la investigación, Adam fue programado con nu-merosos supuestos; por ejemplo, que el gen AROS de S. ceTevi-siae codifica la enzima 3-desoxi- D-arabino-heptulosonato-7-fos-fato, y que esta cataliza la reacción entre los compuestos fos-foenolpiruvato y D-eritrosa-4-fosfato para producir fosfato y2-deshidro-3-d esoxi- D-arabino-heptonato-7- fosfato.

En conjunto, todos esos hechos conforman un modelo demetabolismo de la levadura que integra conocimientos sobregenes, enzimas y metabolitos. La diferencia entre un modelo yuna enciclopedia reside en que el primero puede convertirse enun programa informático capaz de formular predicciones a par-tir de datos. Un robot científico puede integrar modelos abstrac-tos y equipos robóticos de laboratorio para comprobar y mejo-rar los modelos de modo automático.

RAZONAMIENTOS SOBRE GENESEl método científico contempla la formulación de hipótesis y sucomprobación experimental. De igual modo, Adam comienzapor postular un hecho relativo a la biología de la levadura, uti-liza luego su modelo de metabolismo para deducir las conse-cuencias experimentales de su hipótesis y, por último, comprue-ba empíricamente dichas consecuencias para averiguar si lossupuestos y las'observaciones se muestran compatibles.

El ciclo se inicia cuando Adam formula sus hipótesis acer-ca de qué genes codifican las enzimas huérfanas. A fin de con-siderar las hipótesis más verosímiles, Adam emplea sus co-nocimientos previos. Por ejemplo, Adam sabía que una de lasenzimas huérfanas era la 2-aminoadipato transaminasa, la cualcataliza la reacción entre el 2-oxoadipato y el L-glutamato paradar L-2-aminoadipato y 2-oxoglutarato (reacción que se produ-ce también en sentido inverso). Para concebir una hipótesissobre qué gen de la levadura codifica esta enzima, Adam pri-mero buscó si existía algún gen en otro organismo que tambiénla codificase. En efecto, entre los conocimientos de Adam figu-raba que, en la rata parda (Rattus nOTvegicus), el gen Aadat co-dificaba la misma enzima.

Adam tomó la secuencia proteica de la enzima codificadapor Aadat y examinó si en el genoma de la levadura se codi-ficaban secuencias similares. Adam sabe que, si dos secuen-cias se parecen lo suficiente, resulta razonable inferir que sonhomólogas; es decir, que comparten un ancestro común. Ytambién sabe que la función de ese ancestro común puede ha-berse conservado. En consecuencia, a partir de una semejan-za entre secuencias, Adam deduce que sus respectivos genesquizá desempeñen la misma función. El robot halló tres ge-nes de la levadura con secuencias similares a la de Aadat:YER152c, YJL060w e YJL202w. Después, formuló la hipótesisde que cada uno de ellos codificaba la enzima 2-aminoadipa-to transaminasa.

Adam realizó numerosos experimentos con el objetivo deverificar esas hipótesis. En su congelador disponía de unacolección completa de cepas, a cada una de las cuales se le ha-bía extraído un gen específico. Adam seleccionó y cultivó aque-llas que carecían de los genes YER152c, YJL060w e YJL202w,y estudió su crecimiento en presencia de los compuestos queintervienen en la reacción catalizada por la enzima, como elL-2-aminoadipato.

El paso siguiente consistía en experimentar con las cepas,por lo que Adam debía elegir qué pruebas llevar a cabo. Laciencia padece siempre restricciones financieras y, a menudo,

Selección de las muestrasUn brazo robótico toma muestrasde levadura congeladas y mezclacepas y medios de cultivo (insertosuperior).

Cultivo de la levaduraLa incubadora calienta las muestras durante24 horas. Cada 40 minutos. un brazorobótico inserta las placas en un lectoróptico que monitoriza el crecimientode la levadura (inserto inferior).

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Biología robóticaAdam, un prototipo de robot científico. investiga las funciones de los genesde la levadura S. cervisiae. Sus primeros resultados incluyeron la formulaciónde 20 hipótesis relativas a los genes que codifican determinadas enzimas.Después, realizó miles de experimentos para veriflcarlas.

Separación de célulasSe centrifuga cada placa paraseparar la levadura del medio.

Eliminación del medioSe hace fluir aguapara arrastrar el medioy suspender las cepasen una solución salina.

Tratamiento de las cepasPara contrastar las hipótesis,el brazo robot combina las cepascon diferentes medios de cultivoy con moléculas que afectanal metabolismo.

SeguimientoLa incubadora calienta cada placa durantevarios días. A intervalos de 20 minutos,un brazo coloca las placas en un lectorque envía a un ordenador los datos sobreel crecimiento de la cepa.

AnálisisElsoporte lógicode Adam analiza losresultados. Elprocesopuede prolongarsedurante varias horas.

El razonamiento de un robotPara «razonar», un robot emplea los mismos mecanismos quelas personas. Uno de ellos es la inferencia deductiva, el fundamentode las matemáticas y la computación. Elrazonamiento deductivoes sólido: a partir de una verdad solo pueden deducirse nuevasverdades. Por desgracia, ante la falta de una «teoría fmal», ladeducción no basta para que la ciencia progrese, ya que solo ela-bora consecuencias a partir de hechos conocidos.

Una segunda opción la proporciona el razonamiento abductivo.

Aunque este ya no es sólido, como demuestra el ejemplo quereproducimos aquí (no todas las cosas blancas son cisnes), su uti-lidad reside en que permite formular hipótesis novedosas que pue-den ser ciertas. Elgran logro de la ciencia consiste en llegar a laverdad no a partir de la mera deducción, sino también medianteel experimento. Si Adam supone que Daisy es un cisne, determi-nar la verdad de dicha proposición requiere atrapar a Daisyy veri-ficar si es un cisne, un pato u otra cosa.

Al igual que la abducción, la inducción ofrece una vía para ela-borar hipótesis nuevas. Sitodos los cisnes que vemos son blancos,resulta natural inferir, como ya hiciera Aristóteles, que todos loscisnes lo son. No obstante, la inducción no se encuentra libre deerror: la inducción aristotélica se mostró falsa cuando se descu-brieron cisnes negros en Australia. Las personas empleamos lainducción una y otra vez en la vida cotidiana. Es lo que nos ase-gura que mañana saldrá el soly que nuestro desayuno no contieneveneno. No obstante, el papel de la inducción en laciencia es con-trovertido. Su principaljustificación se basa en que, por regla gene-ral, funciona; un razonamiento que constituye, en sí mismo, unainducción.

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Aligualque loshumanos,losrobotsempleanvariosmétodosde razonamiento.Seano nosólidos,esosmétodospermitenformularhipótesisy sugerirexperimentosparacorroborarlas,

Porconsiguiente,todos loscisnessonblancos

los científicos compiten por. ser los primeros en resolver unproblema. Por tanto, diseñamos a Adam para que concibieseexperimentos eficientes que verificasen las hipótesis de ma-nera económica y con prontitud. Para ello, Adam asigna a cadahipótesis una probabilidad de acierto. Este proceder despier-ta controversias, ya que algunos filósofos, como Karl Popper,han negado la posibilidad de asociar probabilidades a las hi-pótesis. No obstante, la mayoría de los científicos asumen demanera tácita que algunas hipótesis resultan más verosími-les que otras. Suele seguirse el principio de economía o de la«navaja de Ockham»; ante dos hipótesis por lo demás igua-les, la más sencilla se tiene por la más probable. Adam tam-bién considera el coste de un experimento. Por el momento,este se limita al de los compuestos químicos utilizados, si bienun enfoque más completo habría de ponderar también el tiem-po invertido.

Dado un conjunto de hipótesis, sus probabilidades, una se-rie de experimentos posibles y sus costes, programamos a Adampara que escogiese una secuencia de experimentos que mini-mizara el coste de eliminar todas las hipótesis salvo una. Se-mejante óbjetivo supone una tarea muy complicada en compu-tación. No obstante, los experimentos seleccionados por Adamresolvieron los problemas con mayor velocidad y menores cos-tes que los que ofrecían otras estrategias, como la simple elec-ción de las pruebas más económicas. En ciertos casos, Adampuede diseñar un solo experimento que esclarezca un gran nú-mero de hipótesis a la vez, Los científicos se afanan por conse-guir ese objetivo, ya que tienden a considerar una sola hipóte-sis en cada ocasión.

DE VEINTE HIPÓTESIS, DOCE NOVEDOSASUna vez que Adam dirige su atención hacia los experimentosmás prometedores, utiliza su equipo robótica para realizarlos yobservar los resultados. A Adam no le es dado observar geneso enzimas de manera directa, sino la cantidad de luz que atra-viesa los cultivos de levadura. A partir de esos datos, y merceda un razonamiento complejo, Adam deduce si los indicios re-sultan compatibles con sus hipótesis. Tales cadenas argumen-tales son clásicas en la ciencia; los astrónomos, por ejemplo, in-fieren lo que sucede en galaxias remotas a partir de la radiaciónque llega a sus instrumentos.

Una de las tareas más complicadas para Adam fue decidir siuna hipótesis era coherente o no. Ya se conocen todos los genescuya supresión produce diferencias cualitativas en el crecimien-to de las levaduras; eliminar otros solo causa ligeras alteracio-nes en el crecimiento. Para decidir si alguna de esas pequeñasdiferencias ha de tenerse en cuenta, Adam aplicó sutiles técni-cas de aprendizaje automático.

Nuestro robot generó y confirmó por via experimental 20 hi-pótesis sobre los genes que codificaban algunas enzimas en lalevadura; hipótesis que, como toda pretensión científica, nece-sitaban ser confirmadas. Para verificar las conclusiones de nues-tro robot, recurrimos a fuentes de información de las que Adamno disponía y efectuamos nuestros propios experimentos. En-contramos que 7 de las 20 conclusiones de Adam ya se cono-cían, una era errónea y 12 resultaron novedosas.

A modo de comprobación, nuestros experimentos confir-maron que los tres genes (YER152c, YJL060w e YJL202w) co-dificaban la enzima 2-aminoadipato transaminasa. Parece pro-bable que la razón de no haber descubierto antes su funciónresidiese en que los tres codifican la misma enzima, la cual ca-taliza una serie de reacciones asociadas. Al contrario del caso

habitual, aquí no se daba la relación simple de una funciónenzimática por gen. Adam hubo de recurrir a minuciosos ex-perimentos y análisis estadísticos para desentraI'iar estas di-ficultades.

¿ES EL ROBOT UN CIENTíFICO?No faltan objetores a la apelación «robot científico». SeI'ialan,con cierto motivo, que Adam se parece más a un ayudante quea un científico independiente. ¿Es legítimo afirmar que Adamrealiza descubrimientos de manera autónoma? Precisemos enprimer lugar el alcance de su autonomía. No podemos, sin más,abandonar a Adam y volver semanas después para examinarsus conclusiones. Nuestro robot es un prototipo; sus soportesfísico y lógico sufren fallos y requieren con frecuencia la aten-ción de un técuico. La integración de los módulos lógicos deAdam también ha de mejorarse para que operen sin inconve-nientes, de forma continuada y sin intervención humana. Peroel proceso de formular hipótesis y confirmar por vía experimen-tal los nuevos conocimientos no depende de la atención huma-na, ni física ni intelectual.

La palabra «descubrir» suscita una discusión que se remon-ta al siglo XIX y a la figura romántica de Lady Ada Lovelace, hijade Lord Byron y colaboradora de Charles Babbage, el primeroen concebir una máquina computadora de uso general. LadyLovelace afirmaba: «La máquina analítica no pretende origi-nar nada. Puede hacer cualquier cosa que sepamos indicarle dequé manera debe realizar» (cursivas de la autora). Cien aI'iosdespués, Alan M. Turing argumentaba en sentido contrario apartir de una analogía con niI'ios: al igual que no cabe atribuira un maestro todo el mérito de sus discípulos, los hombres tam-poco deberían vanagloriarse de todos los logros de sus máqui-nas. Estos argumentos cobran cada vez mas importancia comer-cial; por ejemplo, según la ley de patentes de EE.UU., solo una«persona» puede «inventar» algo.

Por último, ¿qué hay de novedoso en la ciencia de Adam? Loson algunas de las correspondencias entre genes y funciones en-zimáticas de la S. cerevisiae que Adam ha postulado y confir-mado por vía experimental. Representan un conocimiento mo-desto, p.ero en manera alguna trivial. En el caso de la enzima2-aminoadipato transaminasa, Adam ha]]ó tres genes que qui-zá resuelvan un problema de medio siglo de antigüedad. Por su-puesto, Adam puede ]]egar a conclusiones erróneas -cualquierconocimiento científico es provisional-, pero no parece verosí-mil que todas ellas lo sean. Sus resultados son de dominio pú-blico desde hace dos aI'ios y, en ese tiempo, nadie ha detectadoerrores. Que sepamos, ningún científico ajeno a nuestro grupoha intentado todavía reproducirlos.

Otra manera de averiguar si Adam puede considerarse o noun científico pasa por generalizar los mecanismos de los que sesirve para enunciar hipótesis nuevas. Cuando Adam finalizó susexperimentos, iniciamos el desarro]]o de Eva, un segundo robot.Eva aplica los mismos ciclos automatizados de investigación ala selección y disefio de fármacos, un importante objetivo clíni-co y comercial. Las lecciones de diseI'io que hemos aprendido deAdam han hecho de Eva un sistema mucho más elegante, quecentra su investigación en la malaria, la esquistosomiasis, laenfermedad del sueI'io y el mal de Chagas. Su soporte lógico seencuentra todavía en desarrollo, pero ya ha encontrado com-puestos prometedores frente a la malaria.

Otros investigadores han seguido una senda similar. HodLipson, de la Universidad de Cornell, utiliza la experimenta-ción automatizada para perfeccionar el diseí10 de robots móvi-

les y estudiar sistemas dinámicos. Otros intentan desarrollarrobots científicos en áreas como la química, la biología o la in-geniería.

Varios grupos, entre e]]os el nuestro, buscan la manera deautomatizar la investigación en física cuántica, sobre todo enlo que ataí1e al control de procesos cuánticos. Herschel A. Ra-bitz, de la Universidad de Princeton, investiga con láseres defemtosegundos (lO-I") para crear o romper enlaces químicos. Entales casos, la dificultad radica en formular experimentos inge-niosos con suma rapidez.

COLABORACiÓN HUMANASi aceptamos la idea de que los robots ejercen de científicos, nosgustaría conocer sus límites. Al respecto, resulta instructivo com-parar la automatización de la ciencia con la del ajedrez. Este úl-timo caso constituye un problema resuelto: los ordenadores jue-gan al ajedrez igualo mejor que los campeones del mundo yllevan a cabo movimientos de belleza exquisita. El dominio delajedrez por parte de los ordenadores se debe a que el juego de-fine un mundo abstracto y cerrado: 64 casillas y 32 piezas. Sibien la ciencia comparte en gran medida el carácter abstracto,la automatización se presenta más penosa porque los experi-mentos se realizan en el mundo físico. En cualquier caso, tene-mos la esperanza de que desarro]]ar un robot con aptitudes cien-tíficas de calidad resulte más sencillo que diseI'iar sistemas deinteligencia artificial capacitados para la interacción social conhumanos. En la ciencia, nos es lícito asumir que el mundo físi-co no intenta engaí1arnos, un paralelo que no podemos exten-der al ámbito social.

Los genios del ajedrez se sirven hoy de ordenadores paramejorar su juego, analizar posiciones y planear estrategias. Delmismo modo, cabe esperar que científicos humanos y robóti-cos cooperen para conseguir mejores resultados que los quecualquiera lograría por separado. Los progresos en los equiposde computación y en los sistemas de inteligencia artificial con-ducirán a robots cada vez más expertos.

¿Llegarán algún día tales creaciones a modificar los paradig-mas científicos o se limitarán a elaborar informes científicos ru-tinarios? Es esta una pregunta fundamental en lo que respectaal futuro de la ciencia. Algunos, como el nóbel de física PhilipAnderson, opinan que la profundidad de tales cambios alcanzaniveles tan profundos que su automatización se antoja imposi-ble. Por su parte, el también laureado Frank Wilczek ha escritoque, de aquí alOa aí1os, el mejor físico será una máquina. Eltiempo lo dirá.

Sea como fuere, en el futuro veremos la colaboración de cien-tíficos humanos y robóticos. El conocimiento se transcribirá enel lenguaje de la lógica y se difundirá instantáneamente a tra-vés de la Red. Y, poco a poco, los robots desempefiarán un pa-pel cada vez más importante en el progreso científico.

Computing machinery and intelligence. A. M. Turíng en Mind. vol. lIX. n.' 236. págs. 433-460, octubre de 1950. http://loebner.net/Prizel/TuringArticle.htmlHow DENDRAL was conceived and born. Joshua Lederberg. ACM Symposium on theHistory 01 Medicallnformatics, National Library of Medicine. 5 de noviembre de 1987. http://proflles. n Im. n ih.gov/8 81Al L/Y I PUbbalyp.pdfAn introduction to the philosophy of science. Rudolf Carnap. Dirigido por Martín Gardner.Dover, 1995.The chemistry of life. Cuarta edición. Steven Rose. Penguin, 1999.The automation 01 science. Ross D. King et al. en Science. vol. 324. págs. 85-89. 3 de abrilde 2009