SISTEMA DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
DALYA JULIETH GALVIS PARADA
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
BUCARAMANGA
2015
SISTEMA DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
AUTORA
DALYA JULIETH GALVIS PARADA
Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el tiacutetulo de
Ingeniera Mecatroacutenica
DIRECTOR
Dr Sc Ing ANTONIO FAUSTINO MUNtildeOZ MONER PhD
SEMILLERO DE INSTRUMENTACIOacuteN Y CONTROL
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
BUCARAMANGA
2015
iii
Nota de Aceptacioacuten
Director Antonio Faustino Muntildeoz M
Jurado Carlos Alberto Rey S
Bucaramanga Junio 11 de 2015
iv
Eacuteste logro va dedicado a mi persona
favorita mi heacuteroe mi ejemplo a
seguir mi papito Nada hubiera sido
posible sin ti
v
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las
personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso
asiacute como en el transcurso de mi vida
Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo
necesario para ir construyendo el camino que llevo
A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme
preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio
que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido
mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus
sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier
reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y
lograr que tuviera una excelente vida te amo
A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como
bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender
cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo
mejor de eacutel en cada instante
A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos
los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo
pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas
A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por
haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y
sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio
A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz
A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta
desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos
ustedes gracias y mil gracias
vi
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
22 JUSTIFICACIOacuteN 3
3 OBJETIVOS 5
31 OBJETIVO GENERAL 5
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5
4 MARCO TEORICO 6
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y
CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16
461 Nanoestructuras baacutesicas 18
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24
471 EL TRANSISTOR CNT 24
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas
top-down 41
5 DISENtildeO METODOLOGICO 43
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO
EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44
521 Esfera de Bloch 44
522 Qubits 45
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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la aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles
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de Ingenieriacutea Eleacutectrica y Electroacutenica Universidad de los Andes Bogota Colombia
Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
httprcienticasuninorteeducoindexphpsaludarticleview38242435
107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
SISTEMA DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
AUTORA
DALYA JULIETH GALVIS PARADA
Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el tiacutetulo de
Ingeniera Mecatroacutenica
DIRECTOR
Dr Sc Ing ANTONIO FAUSTINO MUNtildeOZ MONER PhD
SEMILLERO DE INSTRUMENTACIOacuteN Y CONTROL
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS
PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA
BUCARAMANGA
2015
iii
Nota de Aceptacioacuten
Director Antonio Faustino Muntildeoz M
Jurado Carlos Alberto Rey S
Bucaramanga Junio 11 de 2015
iv
Eacuteste logro va dedicado a mi persona
favorita mi heacuteroe mi ejemplo a
seguir mi papito Nada hubiera sido
posible sin ti
v
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las
personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso
asiacute como en el transcurso de mi vida
Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo
necesario para ir construyendo el camino que llevo
A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme
preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio
que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido
mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus
sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier
reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y
lograr que tuviera una excelente vida te amo
A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como
bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender
cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo
mejor de eacutel en cada instante
A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos
los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo
pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas
A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por
haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y
sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio
A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz
A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta
desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos
ustedes gracias y mil gracias
vi
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
22 JUSTIFICACIOacuteN 3
3 OBJETIVOS 5
31 OBJETIVO GENERAL 5
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5
4 MARCO TEORICO 6
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y
CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16
461 Nanoestructuras baacutesicas 18
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24
471 EL TRANSISTOR CNT 24
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas
top-down 41
5 DISENtildeO METODOLOGICO 43
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO
EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44
521 Esfera de Bloch 44
522 Qubits 45
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
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Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
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47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
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Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
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anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
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corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
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Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
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15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
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El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
httprcienticasuninorteeducoindexphpsaludarticleview38242435
107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
iii
Nota de Aceptacioacuten
Director Antonio Faustino Muntildeoz M
Jurado Carlos Alberto Rey S
Bucaramanga Junio 11 de 2015
iv
Eacuteste logro va dedicado a mi persona
favorita mi heacuteroe mi ejemplo a
seguir mi papito Nada hubiera sido
posible sin ti
v
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las
personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso
asiacute como en el transcurso de mi vida
Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo
necesario para ir construyendo el camino que llevo
A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme
preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio
que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido
mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus
sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier
reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y
lograr que tuviera una excelente vida te amo
A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como
bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender
cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo
mejor de eacutel en cada instante
A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos
los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo
pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas
A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por
haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y
sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio
A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz
A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta
desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos
ustedes gracias y mil gracias
vi
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
22 JUSTIFICACIOacuteN 3
3 OBJETIVOS 5
31 OBJETIVO GENERAL 5
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5
4 MARCO TEORICO 6
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y
CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16
461 Nanoestructuras baacutesicas 18
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24
471 EL TRANSISTOR CNT 24
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas
top-down 41
5 DISENtildeO METODOLOGICO 43
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO
EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44
521 Esfera de Bloch 44
522 Qubits 45
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
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107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
iv
Eacuteste logro va dedicado a mi persona
favorita mi heacuteroe mi ejemplo a
seguir mi papito Nada hubiera sido
posible sin ti
v
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las
personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso
asiacute como en el transcurso de mi vida
Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo
necesario para ir construyendo el camino que llevo
A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme
preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio
que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido
mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus
sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier
reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y
lograr que tuviera una excelente vida te amo
A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como
bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender
cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo
mejor de eacutel en cada instante
A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos
los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo
pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas
A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por
haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y
sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio
A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz
A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta
desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos
ustedes gracias y mil gracias
vi
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
22 JUSTIFICACIOacuteN 3
3 OBJETIVOS 5
31 OBJETIVO GENERAL 5
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5
4 MARCO TEORICO 6
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y
CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16
461 Nanoestructuras baacutesicas 18
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24
471 EL TRANSISTOR CNT 24
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas
top-down 41
5 DISENtildeO METODOLOGICO 43
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO
EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44
521 Esfera de Bloch 44
522 Qubits 45
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
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107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
v
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las
personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso
asiacute como en el transcurso de mi vida
Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo
necesario para ir construyendo el camino que llevo
A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme
preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio
que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido
mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus
sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier
reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y
lograr que tuviera una excelente vida te amo
A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como
bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender
cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo
mejor de eacutel en cada instante
A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos
los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo
pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas
A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por
haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y
sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio
A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz
A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta
desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos
ustedes gracias y mil gracias
vi
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
22 JUSTIFICACIOacuteN 3
3 OBJETIVOS 5
31 OBJETIVO GENERAL 5
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5
4 MARCO TEORICO 6
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y
CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16
461 Nanoestructuras baacutesicas 18
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24
471 EL TRANSISTOR CNT 24
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas
top-down 41
5 DISENtildeO METODOLOGICO 43
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO
EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44
521 Esfera de Bloch 44
522 Qubits 45
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
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19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
httprcienticasuninorteeducoindexphpsaludarticleview38242435
107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
vi
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIOacuteN 1
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2
22 JUSTIFICACIOacuteN 3
3 OBJETIVOS 5
31 OBJETIVO GENERAL 5
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5
4 MARCO TEORICO 6
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y
CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16
461 Nanoestructuras baacutesicas 18
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24
471 EL TRANSISTOR CNT 24
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas
top-down 41
5 DISENtildeO METODOLOGICO 43
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO
EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44
521 Esfera de Bloch 44
522 Qubits 45
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
httprcienticasuninorteeducoindexphpsaludarticleview38242435
107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
vii
523 Estados de Bell 46
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de
cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51
6 RESULTADOS 53
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A
ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53
611 Modelo del circuito 54
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-
CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE
COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA
DE DISENtildeO TOP-DOWN 59
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE
FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON
CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91
641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79
642 Dualidad onda partiacutecula 79
643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84
65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)
BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO
7 CONCLUSIONES 97
8 BIBLIOGRAFIA 98
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
httprcienticasuninorteeducoindexphpsaludarticleview38242435
107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
viii
LISTA DE TABLAS
Paacuteg
TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16
TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21
TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22
TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47
TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74
TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75
TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85
TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86
TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87
TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89
TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
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107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
ix
LISTA DE FIGURAS
Paacuteg
FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10
FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10
FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11
FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13
FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14
FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18
FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20
FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23
FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23
FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26
FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26
FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28
FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30
FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS
ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31
FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB
APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31
FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34
FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36
FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38
FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39
FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40
FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41
FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42
FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43
FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45
FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46
FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48
FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49
FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50
FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50
FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54
FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55
FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56
FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
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107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
113
- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf
x
FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58
FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59
FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59
FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60
FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61
FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63
FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63
FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64
FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65
FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66
FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66
FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68
FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69
FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69
FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70
FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70
FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR
ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA
CUADRADA [31] 72
FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74
FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76
FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81
FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82
FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85
FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86
FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87
FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88
FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90
xi
LISTA DE ANEXOS
Paacuteg
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109
xii
RESUMEN
El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el
desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo
implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten
almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con
nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye
un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada
en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a
equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada
asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten
PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores
corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a
nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica
1
1 INTRODUCCIOacuteN
La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de
muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel
molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir
de investigaciones
El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras
en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta
cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica
para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la
electroestimulacioacuten
Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos
terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a
condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las
ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se
propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del
neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la
contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de
la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]
Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea
con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la
implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para
generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada
anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo
las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar
estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema
nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy
2
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION
21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA
La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar
electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la
excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo
una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La
electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un
trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan
Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica
Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas
contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que
la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos
en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica
Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que
tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de
herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis
poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad
cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria
caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal
Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en
personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros
inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso
de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas
Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente
teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a
calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento
de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la
electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los
3
equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos
provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser
quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos
alcanza la dermis
El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el
problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten
que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la
aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de
electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del
meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana
generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas
nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de
terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades
motoras
22 JUSTIFICACIOacuteN
El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a
lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten
con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la
realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la
terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes
investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar
tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten
terapia para su pronta recuperacioacuten
Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial
en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de
alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando
tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de
circuitos loacutegicos mutables
La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la
investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos
como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el
exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y
4
cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a
continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la
prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en
sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto
FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea
y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados
contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten
de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de
Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual
pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica
Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y
controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin
fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo
produce usa o comercializa
Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que
impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos
nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir
del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o
actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o
econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia
tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo
5
3 OBJETIVOS
31 OBJETIVO GENERAL
Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos
y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)
32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo
ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica
2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos
(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las
relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza
por metodologiacutea de disentildeo Top-down
3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la
membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la
electroestimulacioacuten
4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados
en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de
Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo
6
4 MARCO TEORICO
La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo
forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de
prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de
recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva
Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual
produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una
excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado
habitual
En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en
la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para
prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora
de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores
creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR
compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico
esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su
duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados
satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten
La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular
por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los
muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad
terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos
Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser
maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a
que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la
atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la
estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos
paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor
Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y
surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-
7
2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del
Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO
FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA
DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO
registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de
grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en
objetivos del proyecto mencionado
Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se
encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica
ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute
un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que
intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado
final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO
PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES
FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia
Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que
realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el
sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda
transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se
tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado
Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten
artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con
agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo
construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de
terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo
y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las
investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la
UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este
proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como
electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten
artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con
transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto
1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del
2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB
8
se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de
clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon
41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho
en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse
Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en
- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz
- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta
frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3
- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de
poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000
Hz
Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan
por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean
directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta
manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir
excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder
producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4
- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de
despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute
que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza
de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades
motoras
- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la
duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de
ascenso suficiente
3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al
paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior
9
- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida
que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado
(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo
En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que
genera la frecuencia y la forma
- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro
meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son
- Pulsos aislados
- En trenes de pulsos o raacutefagas
- Frecuencia Constante
- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos
- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus
dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo
- Bioquiacutemicos
- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa
- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular
- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en
cambios metaboacutelicos)
- Seguacuten las frecuencias
- Baja Frecuencia
- Media Frecuencia
- Baja Frecuencia
- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la
medicina son
- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor
constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos
- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en
establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su
valor va aumentando poco a poco
- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha
alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante
5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm
10
- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar
su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la
aplicacioacuten
- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran
conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido
poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y
frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o
frecuencia fija
Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6
- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica
fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en
consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la
sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes
cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas
Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7
6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-
muscularshtml
11
- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de
corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente
consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas
raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos
pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia
Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna
42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN
VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING
Y SU EVOLUCIOacuteN
Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el
paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8
- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde
el inicio del programa
- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo
osteoporosis
- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de
actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior
recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el
entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM
Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten
- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono
incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)
7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml
8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion
12
- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo
- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute
en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo
El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de
eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente
por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo
experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo
electrostaacutetico
A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han
dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes
actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso
Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta
poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que
este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es
auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es
limitada
43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING
Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos
conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual
estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con
textura color y densidad caracteriacutesticas
La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones
que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten
o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a
traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la
polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma
de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla
metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet
el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de
manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm
13
En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la
distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)
rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en
una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor
A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en
magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas
nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet
La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de
carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del
jet
La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la
repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una
fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre
progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un
cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que
la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da
lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante
las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)
Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9
9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
14
Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10
44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING
Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro
de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la
concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados
sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el
recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y
que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta
particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el
diaacutemetro de las fibras
Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la
concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el
diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el
diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes
disolucioacuten en el haz
Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los
poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la
formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea
la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas
10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf
15
investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la
formacioacuten de aglomeraciones
Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja
tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten
de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por
este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas
45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA
Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica
dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas
pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de
operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI
(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo
tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de
millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal
La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en
escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas
tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados
en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben
regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el
silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados
La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de
nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la
mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen
conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el
uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica
en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico
que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto
sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en
realidad son oro tipo de elementos
A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos
utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados
16
Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos
CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET
TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO
TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO
Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente
Desde temperatura ambiente
Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz
En el orden decenas de TeraHertz
En el orden decenas de TeraHertz
Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica
Tamantildeo 40 millones por chip
14 gigas por chip 14 gigas por chip
Fuente miacutenima de alimentacioacuten
15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios
Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono
46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR
NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)
Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten
basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras
estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera
a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades
Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea
1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos
que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los
materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la
nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas
funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico
2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las
estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se
basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y
17
semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos
de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos
electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar
nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico
3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas
estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es
criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea
El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las
nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El
carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los
investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una
moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han
denominado C60 buckyball
En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser
posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute
mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales
Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro
cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las
moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por
ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene
con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son
macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces
hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo
de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos
basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene
(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)
18
Figura 4-6 Estructuras de Fullerene
Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios
electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y
microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante
461 Nanoestructuras baacutesicas
A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran
los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos
4611 NANOTUBOS DE CARBONO
Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o
SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en
torno a estos elementos
19
Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas
estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La
formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe
ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT
basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades
interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas
Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de
nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma
adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con
cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de
veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes
investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada
Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se
transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal
dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados
de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier
nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de
carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera
moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que
puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor
que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en
todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro
20
Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT
Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden
ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan
a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por
ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de
carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales
conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono
tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros
teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las
altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de
electrones
Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en
la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y
quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados
mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas
propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos
21
Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos
Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3
Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3
Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1
Resistividad 10-4 Ωcm
Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3
Conductividad teacutermica -2000 WmK
Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm
Tiempo de relajacioacuten -1011 s
Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa
Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa
Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa
En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los
nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre
conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros
de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado
al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos
semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente
se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo
de elementos electroacutenicos fotoacutenicos
Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo
de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden
utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial
puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa
Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o
semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede
calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico
Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los
de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la
cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos
metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes
distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo
calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos
La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
22
Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono
PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO
Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten
Unidad de longitud del vector
119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono
Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones
Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten
Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero
Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-
1
Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)
300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT
Mediciones a temperature ambiente
Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =
41198902
ℎ= 155120583119878
1
119866= 65 119896Ω
Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor
Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs
Momento orbital magneacutetico
07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)
El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo
23
Figura 4-8 Nanotubo enrollado
4612 Puntos Cuaacutenticos
Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente
retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene
Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas
cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de
semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos
Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando
teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas
loacutegicas cuaacutennticas
Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos
24
47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT
En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos
con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT
471 EL TRANSISTOR CNT
Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con
configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea
reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las
aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es
que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura
ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico
complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas
computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor
desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro
reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo
y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos
elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima
de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un
diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos
metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm
El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer
transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un
semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de
dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea
como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente
fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los
dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de
compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea
Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es
comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes
corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT
para los voltajes de compuerta (gate) positivos
25
Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura
ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en
nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos
El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57
eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados
en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una
interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del
electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso
cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que
son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado
por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia
se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad
como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de
valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta
suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos
Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo
transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia
de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia
en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es
aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el
transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de
aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero
puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio
Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)
el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a
temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite
baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura
ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten
de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de
trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados
en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia
G la cual logra en el estado de conduccioacuten
Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera
Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica
que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de
metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones
26
anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal
en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto
El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior
(top gate)
Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET
La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una
conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora
donde la conductancia es unipolar
Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11
Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente
dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la
anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado
modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el
caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT
debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el
canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja
como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la
11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor
27
corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash
CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT
Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a
temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los
investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre
una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan
por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora
(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de
electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de
Coulomb fue observado en tales estructuras
Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores
son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta
densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un
ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo
consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por
transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en
aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten
teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las
fugas
Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs
existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las
impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la
buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al
desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un
semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos
electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo
el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3
asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este
transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de
encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear
integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01
uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores
(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan
correctamente a nivel de nanoescala
28
Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT
48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA
El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un
electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del
semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos
terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El
voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre
la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor
Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que
sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor
oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada
de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una
regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El
aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como
en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)
pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de
estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de
MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta
velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo
electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros
dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era
seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la
reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la
compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es
de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de
29
15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los
proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la
densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados
(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a
larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109
transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato
que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano
de arroz es igual al de 100 transistores
MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea
utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que
cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip
como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las
dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en
la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto
significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por
ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de
las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la
tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El
problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel
nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la
compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes
para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten
La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la
configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el
capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel
es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de
aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el
resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el
aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten
de vaciamiento
30
Figura 4-13 El transistor Mosfet
El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la
fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y
drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente
Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET
481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)
Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)
estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones
solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de
puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados
geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un
solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y
una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el
nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de
tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico
principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el
bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la
isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce
por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el
cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el
electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada
La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente
acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado
en la siguiente figura
31
Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje
En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades
similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos
electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un
electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten
tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia
tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD
y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los
subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de
transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el
conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es
aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la
energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite
que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el
bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es
bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo
desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo
Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto
32
Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten
C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1
(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma
alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde
la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a
V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura
hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y
el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo
es repetido varias veces
Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje
(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a
traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que
decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en
pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los
valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por
∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)
∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla
119877119905= resistencia total de la isla
La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera
representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta
sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo
ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y
cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas
para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple
cuando
119877119905 ≫ℎ
1198902 = 258 119896Ω (2)
Rt= resistencia total de la isla
H= constante de Planck
E= energiacutea del electroacuten
33
482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo
4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten
Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente
implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la
clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten
genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en
cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el
tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso
La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico
puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el
modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de
una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo
Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad
baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la
implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica
4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo
El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el
problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y
ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos
mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres
electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a
traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico
En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual
es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten
comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario
y el sensor
48221 Hardware evolutivo
34
El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la
clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias
una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es
evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una
cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un
tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en
las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables
al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente
La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se
aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un
primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en
ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por
medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente
lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta
metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
Inicio
Medio Aprendizaje
Funcionamiento
Modifica el
a b
Figura 4-16 Tipos de funcionamiento
Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible
que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener
el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle
los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es
que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el
dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo
dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez
con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos
al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos
35
En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de
aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su
funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte
posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware
evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda
suplir o modificar totalmente su estructura
En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo
cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que
sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de
ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo
que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en
ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema
afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan
sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para
el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia
bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica
La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su
estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada
denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la
naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la
habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres
Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que
permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier
tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field
Programmable Gate Array)
49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR
Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los
operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de
una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico
El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos
de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos
operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes
36
(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas
base de toda la loacutegica digital
Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes
de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir
las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute
en la implementacioacuten de estas dos compuertas
La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos
campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres
Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y
de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la
sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado
por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una
mejor manera la ceacutelula madre
Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta
NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2
entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe
incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND
y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen
Figura 4-17 Hardware evolutivo
37
Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND
dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar
una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones
asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos
4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor
Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las
PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo
loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se
cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de
compuertas loacutegicas
El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus
correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede
disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las
compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que
uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del
otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de
estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que
se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a
los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la
salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la
teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos
vivos
4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR
Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el
circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND
Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de
trabajo del transistor
38
Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]
Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital
a La impedancia de entrada debe ser alta
b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero
c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede
degenerar los componentes del circuito
d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta
e Debe ser sencillo a la hora de implantarse
Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis
Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro
del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector
de saturacioacuten
Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las
curvas que se puede observar
La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19
39
Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]
Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten
La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0
a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la
tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues
aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector
En el circuito se tiene
Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)
Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten
Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)
Para garantizar la saturacioacuten
Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)
Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)
Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la
tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc
= 5 v
40
Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de
5Kohms
En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y
el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la
ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k
Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten
seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la
corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los
componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten
igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes
Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio
mejores prestaciones
Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo
Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]
Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de
colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg
492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con
nanopartiacuteculas
41
El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial
proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la
membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen
y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el
material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se
propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de
propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S
Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]
Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas
de la piel artificial
- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la
membrana relativo a otro punto
- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una
referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la
membrana)
493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea
para las teacutecnicas top-down
Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo
aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los
debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de
tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos
42
Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten
Teacutecnicas Top Down
Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado
material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo
anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que
han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos
- Ingenieriacutea de precisioacuten
En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica
produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en
una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD
- Litografiacutea
Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones
o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La
habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el
desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten
43
5 DISENtildeO METODOLOGICO
51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y
ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA
NANOTECNOLOacuteGICA
En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de
dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del
proceso
Figura 5-1Dimensiones del modelo
Conversioacuten del modelo de
acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)
Ajuste del modelo de
acuerdo a los criterios de
escalonamiento nanomeacutetrico
seguacuten los principios
fiacutesicos
Aplicacioacuten de las propiedades en
sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos
Adquisicioacuten de sentildeales de
nanoinstrumentacioacuten se
transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica
Modelo de referencia a un
sistema de conocimiento incluye sistema
de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo
geneacutetico) aplicacioacuten de
control neuronal basada en sistemas
distribuidos y los resultados de las etapas anteriores
44
52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS
NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-
NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS
RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS
CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-
DOWN
Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las
comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas
que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha
tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica
cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las
comunicaciones cuaacutenticas
El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre
un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad
muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha
demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos
meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten
521 Esfera de Bloch
La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el
estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al
polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir
como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico
Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles
polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de
dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un
estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del
electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los
valores del qubit |0gt oacute |1gt
45
Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]
Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta
Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura
anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la
rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje
Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y
Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una
exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o
estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos
estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro
que realizariacutea y estado que tomariacutea
522 Qubits
Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica
Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo
o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt
ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir
diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como
|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)
Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades
probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente
46
prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en
superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de
onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio
Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez
medidos se tiene un resultado probabiliacutestico
En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados
llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo
anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con
una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado
|1gt y viceversa
Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo
523 Estados de Bell
Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica
pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico
de dos qubits
La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta
Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito
47
Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su
entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene
|0gt oacute |1gt
radic2 (8)
Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene
|00gt oacute |10gt
radic2 (9)
Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente
|12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt) (10)
El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta
seraacute
Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits
Entrada Salida (Estado de Bell)
|00gt |12057300 gt = 1
radic2(|00gt + |11gt)
|01gt |12057301 gt = 1
radic2(|01gt + |10gt)
|10gt |12057310 gt = 1
radic2(|00gt - |11gt)
|11gt |12057311 gt = 1
radic2(|01gt - |10gt)
53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
48
La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como
sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la
siguiente ilustracioacuten
Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta
El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se
fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de
dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia
las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser
seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin
seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo
que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad
Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y
preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso
reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del
nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal
por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada
uno de ellos
49
La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es
la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el
sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar
diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento
Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para
problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador
La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy
Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos
- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la
nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)
- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su
implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)
- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza
que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan
obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones
que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el
campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros
Figura 5-5 El mecanismo elitista12
12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control
Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003
50
531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y
experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor
Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una
representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n
Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten
Figura 5-6 clusterizacion13
Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo
Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten
de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la
base de reglas que soporte el sistema difuso
Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor
13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial
basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006
51
54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea
Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad
Por la cantidad y calidad de los datos
El consumo de potencia es bajo
Analizadores completos
Nuevas funciones
A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten
ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano
y micro fabricacioacuten
El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte
principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una
innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles
que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar
52
las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen
camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del
concepto inicial
Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del
prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y
su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se
continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo
para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas
se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea
53
6 RESULTADOS
61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO
(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA
Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido
un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como
interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de
acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea
de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el
momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de
herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa
Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos
generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de
nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran
lo siguiente
1 Un alto grado de paralelismo
2 Control miacutenimo durante el montaje
3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten
4 Las altas tasas de defectos
Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan
de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas
programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten
interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten
Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el
paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha
configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de
bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con
estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario
La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones
AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente
54
implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la
siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los
resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de
aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la
computacioacuten
611 Modelo del circuito
La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las
matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales
son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir
casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa
Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el
autoensamblaje
Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14
6111 Flujos de bits paralelos
El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos
Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete
es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)
loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente
al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la
14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
55
sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en
paquete X lleva un 1
6112 Dispositivos aleatorios
Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s
aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales
Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315
Mezcla de AND aleatorio
Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la
salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND
que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten
de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria
Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por
el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de
que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se
puede suponer que
15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011
56
119888 = 119875(119862 = 1) (11)
119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)
119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)
119888 = 119886 119887 (14)
Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas
por los dos haces de entrada
Agrupacioacuten de plexores
Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de
cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de
salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada
y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una
redistribucioacuten aleatoria
Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la
segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N
se puede asumir que
119888 = 119875(119862 = 1) (15)
119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)
119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)
Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]
57
Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de
las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada
6113 Disentildeo de circuitos
El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores
fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la
formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la
multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos
estructurados llamados diagramas de momento binario)
Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la
parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como
119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887
La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta
salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de
plexores para la adicioacuten
Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N
haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos
los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana
correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con
agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes
separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con
coeficientes fraccionarios
Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional
ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser
utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una
cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico
menos que esto corresponde a 0
58
Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]
Figura 6-5 Un circuito simple [26]
La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la
verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y
Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1
y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito
implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de
la tabla de la verdad
59
62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS
(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA
TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE
ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR
METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN
El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica
(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en
[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo
Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos
De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce
loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por
segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los
sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por
lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a
un aumento en el orden de un sistema
Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre
Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la
recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos
60
- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por
info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar
- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que
aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)
debido a la informacioacuten recibida
El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit
de informacioacuten en el sistema estudiado
En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice
un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)
El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la
clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la
informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las
cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de
informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del
mundo real
Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento
El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que
- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto
- Pi es un conjunto de estados (observadores)
- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)
- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales
Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege
61
- aop= identificacioacuten
- apo= invasivo
- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas
sintaacutecticas
- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten
- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten
- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten
- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural
- aoI = verificacioacuten de la integridad
El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite
interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de
evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de
informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma
1
1
1
1
2
2
IT
I
tt
ttI
dc
ba (18)
Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos
Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica
Informacioacuten de potencia PI
tIttPI (19)
Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por
segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la
potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]
62
Informacioacuten de impedancia Z
ttZtI (20)
Informacioacuten de la Resistencia R
tRtI (21)
Informacioacuten Inductancia L
dt
tdLtI
(22)
Informacioacuten de la capacitancia C
dt
tdICt (23)
Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas
las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la
teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas
cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada
de Fourier de la siguiente manera
tLj
tZLjZ
tILjI
~
~
~
jICjj
jLjjI
jRjI
jjZjI
~
~
~
~
Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto
63
Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten
La definicioacuten de un qubit dice que
10 (24)
122 (25)
Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch
|120595 gt= cos (120579
2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(
120579
2)|1 gt (26)
Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit
64
Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]
Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes
11111 10 (27)
22222 10 (28)
11100100
1010
21212121
22221111
(29)
Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es
1111101011000110100010002
1
102
110
2
110
2
1
23
(30)
Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas
compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas
universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos
65
Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas
Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase
1|1|
0|0|Z
O la compuerta de rotacioacuten
1|1|
0|0|
i
i
e
eT
O las compuertas NOT controladas
1011
1110
0101
0000
CNOT
El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente
entrelazados
0 11 02
1 (31)
Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman
Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la
informaacutetica
Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la
interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la
siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2
66
Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2
Interpretacioacuten
- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y
01 de dos variables de Y1 e Y2
- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01
son posibles en alguacuten momento
- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del
proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)
- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos
procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones
superpuestas)
Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten
Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten
022121
21212
cos01002
01000
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(32)
67
122121
21212
cos11102
11101
yypyyp
yypyypyp
FF
FF
(33)
Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la
aplicacioacuten de un cuanto se tiene que
2
222 cos2 jeBABABAC (34)
2)(
)()(
))(cos()()(2)()()(
jyj
jBjA
jjBjAjBjAj
eypyp
yypypypypyp
(35)
0122122212
221222121
1100002
1100000
ypyypypyyp
ypyypypyypyp
FF
FF
(36)
0122122212
22122212
cos1100002
110000
ypyypypyyp
ypyypypyyp
FF
FF
(37)
2
2212221201110000
j
FF eypyypypyyp (38)
Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las
bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las
bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes
Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene
1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)
68
N
NN
kji
kji
N
i
N
ji
jii
N
AAAPAAAPAAPAP
AAAP
1
21
1
1
21
(40)
Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades
Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla
de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten
los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y
termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten
Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones
puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las
propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica
generalmente en la dimensioacuten nm
69
Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]
Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute
en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma
Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]
70
Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]
Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la
superficie que aumenta la actividad quiacutemica
- catalizadores
- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible
Figura 6-20 Nanomateriales
- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de
la superficie
71
- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen
dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro
del material
Como ventajas de la nanoescala se tiene
Propiedad Aplicacioacuten
Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada
Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas
Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V
Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado
Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico
Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores
de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una
disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los
granos
- Imanes de alta potencia
- Almacenamiento de Informacioacuten
- Imaacutegenes meacutedicas
72
Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27
Gbir por pulgada cuadrada [31]
Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son
- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano
del material
- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de
200 a 300
- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de
conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido
y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)
Nanomateriales
Tamantildeo y forma de efectos
Nanoherramientas
SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten
anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos
y software para la nanotecnologiacutea en la
investigacioacuten y el desarrollo
Nanodispositivos
Sistema completo con componentes nanoestructurados
que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea
de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS
73
Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se
transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera
Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes
paraacutemetros
- Sensibilidad del receptor
- Potencia de salida
- Sentildeal de frecuencia
- Medio de propagacioacuten de la sentildeal
En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente
expresioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)
- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d
- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena
- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz
- d es la distancia (metros) desde la antena
Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en
dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a
medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por
ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de
la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y
aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se
veraacute reducida a -60 dBm
En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que
puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten
119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)
Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)
Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo
las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB
74
Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]
Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal
Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB
Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB
Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB
Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB
Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB
Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB
Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB
621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos
6211 Pruebas en INDOOR
En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede
haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con
los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los
resultados teoacutericos [33]
Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]
Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados
para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas
119889 = 10 119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3
minus 3244 = 7164119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
75
119875(119898119882) = 10minus7164
10 = 68 lowast 10minus8119898119882
Tabla 6-2 Distancia vs potencia
D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34
Pd (dBm)
-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759
Pd (mW)
14lowast 10minus8
44lowast 10minus8
35lowast 10minus8
28lowast 10minus8
229lowast 10minus8
2lowast 10minus8
19lowast 10minus8
174lowast 10minus8
La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW
y 73010minus11mW
6212 Pruebas en OUTDOOR
Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2
119889 = 4119898119890119905119903119900119904
119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2
minus 3244 = 4988119889119861119898
119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909
10
119875(119898119882) = 10minus4988
10 = 102 lowast 10minus5119898119882
D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40
Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988
Pd (mW) 10minus7
25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102
La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW
76
63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA
POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE
NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD
GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA
ELECTROESTIMULACIOacuteN
Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un
Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de
hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos
digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y
el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se
debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres
formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones
Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la
siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son
las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en
muchas sub-etapas S1 S2 S (n)
Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una
manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o
una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que
considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la
NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos
bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de
matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una
topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa
Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida
loacutegica estaacute conectada a varias compuertas
Figura 6-23 Circuito loacutegico general
16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie
Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department
University of Alberta Canada
77
Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada
etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son
Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)
Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)
helliphellip
N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)
Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de
las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas
Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada
por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La
matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de
2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los
valores de entrada
119860(119894 119895) =
sum sum hellip21199052
119894119899minus2sum sum 119860119899
2119905119899minus1
1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2
1198942
21199051
119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast
1198601(119894119899minus1 119895) (43)
Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas
se tiene que
119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090
119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899
119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091
119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1
1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090
119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091
119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899
119894 |119883119899minus1 =
119909119899minus11198941 ) (44)
Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y
119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por
ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas
78
Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones
indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de
la salida de la uacuteltima etapa
A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas
y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen
Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las
multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones
tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) para cualquier i j y k
Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las
compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR
gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada
anteriormente
119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas
del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones
Como resultado
119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961
1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)
O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado
k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898
119905ℎ cuando la
compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ
genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente
Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961
Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (44) equivale a cero por otra parte
119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) =
119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962
1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961
1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961
1198951198921198961 )
(46)
79
Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898
119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-
salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias
compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898
119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ
cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) En (46) equivale a
119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)
Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (46)
si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad
de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)
equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1
119895) en (45) para cualquier i j y k
631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL
NANOSISTEMA
El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la
dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la
luz
6311 Dualidad onda partiacutecula
De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se
propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los
fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia
etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos
para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck
y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos
fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla
concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos
La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula
119864 = ℎ119907 (47)
Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es
ℎ = 662607511990910minus34119895 119904
80
Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica
como el producto de la masa por la velocidad)
119875 = ℎ119896 (48)
Pero
ℎ =ℎ
2120587
y k es el nuacutemero de onda
119896 =2120587
120582=gt 120582 =
2120587
119896
Entonces
119875 =ℎ
120582 (49)
Que define el momento de un cuanto
6312 Estados cuaacutenticos
De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener
valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten
En = nhv (50)
Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de
la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada
Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente
Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben
fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura
81
Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]
A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono
Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro
mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la
nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales
avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los
CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y
mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de
cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud
Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT
Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas
encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la
siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja
formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared
simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades
fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe
tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten
Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con
una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica
si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT
es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es
uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe
por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que
no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector
chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por
82
119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)
Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y
los nuacutemeros n y m son enteros
Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT
El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o
semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman
en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de
investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs
(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se
los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas
geomeacutetricas del CNT
En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por
119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]
12
120587=
|119862|
120587 (52)
Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del
vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es
igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por
120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899
2119898+119899] (53)
Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT
zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces
como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT
83
zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector
chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden
ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos
pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores
La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por
119864119892 =4120101119907119865
3119889 (54)
Doacutende
119864119892= energiacutea del bandgap
120101= constante de Planck
d= diaacutemetro del nanotubo
119907119865= velocidad de Fermi
Y toma el valor
119864119892(119890119881) cong09
119889(119899119898) (55)
Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms
El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una
disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su
transformacioacuten en semiconductor
119881119892119872119860119883(119881) =1209
119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)
Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco
(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten
119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)
Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1
Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios
nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el
rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del
CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo
84
Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los
dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina
como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser
mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales
o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la
aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos
Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de
la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-
aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del
material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los
dispositivos basados en CNT
632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES
Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy
comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del
transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio
de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de
saturacioacuten
6321 Compuerta mutable NAND y NOR
Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta
NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de
la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito
85
Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]
Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se
encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute
trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un
interruptor abierto
Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que
un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que
Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
86
Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos
ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo
tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo
tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y
cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor
En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos
bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1
loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor
Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]
Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla
8-5 que
Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]
Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
87
Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una
compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se
comporta como un circuito nor
Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6
Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]
Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida
0 0 0 1
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 0
A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura
Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]
88
Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar
trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de
ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se
determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de
corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan
para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26
Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]
Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y
ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros
Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de
dichas mutaciones subsiste una pregunta
iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios
a la salida
Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la
sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits
de informacioacuten
La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la
informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se
hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de
cuatro bits como se ve en la tabla
89
Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]
lsb hellip msb
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos
significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las
entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico
NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre
electroacutenica
Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]
Ent2 Ent1 Ent0
Bit
control
or_nor
Op mut
n-or
Salida
1er
operador
Bit de
contro
Nand
nor
Op
mut
usad
Salida
encontrada
Salida
esperada
0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0
0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1
90
0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0
0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1
1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0
1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1
1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0
En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico
implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este
ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado
falta la solucioacuten inversa con la misma entrada
Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es
finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27
Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]
91
64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE
ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE
SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE
ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO
A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy
que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas
entradas y salidas
SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)
VARIABLES DE ENTRADA
92
VARIABLES DE SALIDA
93
REGLAS DEL SISTEMA
94
95
96
SUPERFICIE
97
7 CONCLUSIONES
Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y
teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de
electrohilado para un electroestimulador
Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y
salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de
electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado
A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos
como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el
disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento
del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica
Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de
simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-
nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza
por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm
Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se
vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de
electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes
Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el
meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana
con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja
estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo
y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor
Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la
electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado
(electrospinning) y demaacutes
98
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de Ingenieriacutea Eleacutectrica y Electroacutenica Universidad de los Andes Bogota Colombia
Noviembre de 2005
[41] MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGIacuteA UDES 2011
102
ANEXOS
ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA
iquestQUEacute OPINAN ALGUNAS ORGANIZACIONES RESPECTO A LA FORMA EN
QUE PUEDEN AFECTAR LA SALUD Y EL AMBIENTE LAS
NANOPARTIacuteCULAS
En el 2007 la EPA publica el ldquoLibro Blancordquo para el anaacutelisis de riesgos en nanotecnologiacutea
basaacutendose en un reporte hecho en el antildeo 1938 en el cual se hace una evaluacioacuten de
diferentes peligros caacutencer desarrollo ecoloacutegicos mutageacutenicos neurotoacutexicos y
reproductivos17
El libro blanco (documento oficial) realizado por personal de la US Enviromental
Protection Agency (Washington DC Estados Unidos) encontraacutendose alojado en su portal
web La US EPA es la agencia de proteccioacuten del medio ambiente de los Estados Unidos y
se encarga de dictaminar medidas teacutecnicas encaminada al cuidado del ambiente y los
recursos naturales
Este libro blanco se constituye como un documento informativo que pretende informar
sobre las uacuteltimas investigaciones realzadas en nanotecnologiacutea a la sociedad en general El
documento comienza con una introduccioacuten que describe queacute es la nanotecnologiacutea y las
razones por las cuales la US EPA se encuentra interesada en esta ciencia debido a las
oportunidades y desafiacuteos que existen en relacioacuten con la nanotecnologiacutea y el medio
ambiente A continuacioacuten se enfoca en una discusioacuten de los beneficios medioambientales
potenciales de la nanotecnologiacutea mediante la descripcioacuten de las tecnologiacuteas ambientales
asiacute como otras aplicaciones que pueden fomentar la utilizacioacuten sostenible de los recursos
17 Panorama y perspectivas de la nanotecnologiacutea Revista Virtual Pro Agosto 2009 (91) pp17-18 Recuperado
demhttpwwwrevistavirtualprocomrevistaindexphped=2009-08-01amppag=17
103
Luego se presenta un panorama general de la informacioacuten existente sobre los
nanomateriales con respecto a los componentes necesarios para llevar a cabo una
evaluacioacuten de riesgos El documento proporciona un amplio examen de las necesidades de
investigacioacuten para las aplicaciones ambientales y las implicaciones de la nanotecnologiacutea
Finalmente este libro blanco plantea algunas recomendaciones que incluyen
1 Investigacioacuten sobre aplicaciones ambientales
2 Evaluacioacuten de riesgos de la investigacioacuten
3 Prevencioacuten de la contaminacioacuten gestioacuten y sostenibilidad
4 Colaboracioacuten y liderazgo
5 Capacitacioacuten
En el 2005 el encuentro del Comiteacute Teacutecnico sobre las Nanotecnologiacuteas de la International
Organization for Standardrization (ISO) crea la normatividad ISO 20918 que rige esta
nueva tecnologiacutea Esta norma incluye diferentes reglamentaciones como terminologiacutea y
nomenclatura medicioacuten y caracterizacioacuten y salid seguridad y medio ambiente
ISOTC 229 desarrollaraacute normas y documentos normativos que19
1 Apoyaraacuten el desarrollo sostenible y responsable asiacute como la difusioacuten global de
estas tecnologiacuteas emergentes
2 Facilitaraacuten el comercio global de nanotecnologiacuteas productos de nanotecnologiacutea y
productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
3 Mejoraraacute la calidad seguridad proteccioacuten del consumidor y ambiental asiacute como el
uso racional de los recursos naturales en el contexto de las nanotecnologiacuteas
4 Promocionaraacuten buenas praacutecticas sobre produccioacuten utilizacioacuten y desecho de
nanomateriales productos y desecho de nanomateriales productos de
nanotecnologiacutea y productos y sistemas basados en las nanotecnologiacuteas
18 Si desea leer maacutes sobre esta normatividad puede consultar el siguiente artiacuteculo httpwwwcopantorgdocuments18175122010-
08-17
19 Tomado de la paacutegina web Garciacutea Diacuteaz J (2006) Normalizacioacuten sobre Nanotecnologiacuteas AENOR p 26-28 Recuperado de
httpwwwnanospainorglesWorking20GroupsNanoSpain_WGIndustrial_Normalizacionpdf
104
El comiteacute ha estructurado en 3 grupos de trabajo
6 WG1 Terminology and nomenclature
7 WG2 Measurement and characterization
8 WG3 Health safety and environment
La administracioacuten de Alimentos y Medicamentos (FDA Food and Drugs Administration) es
una organizacioacuten del gobierno de los Estados Unidos la cual debe regular los alimentos en
general tambieacuten las industrias cosmeacuteticas Farmaceacuteuticas los productos veterinarios
productos Bioloacutegicos y hasta aparatos meacutedicos Esta regulacioacuten Industrial es tanto en
productos de consumo humano como de animal20
Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA
La administracioacuten de Medicamentos y Alimentos de Estados Unidos (FDA en Ingleacutes) regula
una amplia variedad de productos incluyendo alimentos cosmeacuteticos medicinas
faacutermacos drogas aparatos productos veterinarios y productos de la industria del tabaco
algunos de los cuales pueden contener nanomateriales El argumento de la FDA para
controlar el uso de los nanomateriales es que pueden tener propiedades fiacutesicas quiacutemicas
y bioloacutegicas diferentes a las de sus contrapartes macroscoacutepicas
SUPERVISIOacuteN DE LA NANOTECNOLOGIacuteA POR FDA
En enero de 2005 la Foods and Drugs Administration (FDA) oacutergano federal de Estados
Unidos que controla las medicinas y los alimentos autorizoacute el uso de abraxane el primer
tratamiento meacutedico que utiliza nanoestructuras disentildeado para tratar el caacutencer de seno
Este avance de la nanotecnologiacutea aplicada en medicina es usado en pacientes en las cuales
no han funcionado otras quimioterapias El abraxane usa nanopartiacuteculas de la proteiacutena
albuacutemina para encapsular el faacutermaco paclitaxel que se introduce al cuerpo mediante
inyecciones Sin encapsularse el paclitaxel requiere usar solventes que producen efectos
secundarios graves como anemia y naacuteuseas
20 Si desea saber maacutes sobre los riesgos en la alimentacioacuten lea siguiente informe ldquoReunioacuten Conjunta FAOOMS de Expertos acerca de la
aplicacioacuten de la nanotecnologiacutea en los sectores alimentario y agropecuario posibles consecuencias para la inocuidad de los alimentosrdquo
Recuperado de httpwwwfaoorgdocrep015i1434si1434s00pdf
105
Cada nanopartiacutecula de abraxane mide 130 nm de diaacutemetro lo que le permite traspasar las
membranas de los vasos sanguiacuteneos pasar por la zona entre el vaso y tejido del tumor y
finalmente ser entregado al tumor canceriacutegeno
Los estudios demuestran que el abraxane puede ofrecer mejores grados de respuesta en
las mujeres con caacutencer de mama debido a que la medicina encapsulada penetra de
manera maacutes eficaz el tumor
En su paacutegina web la FDA sentildeala que ldquoEste organismo se ha encontrado durante mucho
tiempo con la mezcla de promesas riesgo e incertidumbre que acompantildea a las
tecnologiacuteas emergentes La nanotecnologiacutea no es uacutenica en este sentido sentildeala la FDA Los
muacuteltiples cambios bioloacutegicos quiacutemicos y de otra naturaleza que hacen a los productos
nanotecnoloacutegicos tan excitantes requieren de un examen concienzudo para determinar
cualquier efecto en la seguridad efectividad o cualquier otro atributo del producto
Comprender la nanotecnologiacutea es una prioridad de la FDA quien monitorea la evolucioacuten
de la ciencia y quien tiene una agenda de investigacioacuten robusta para asesorar la
efectividad y seguridad de una forma suficientemente flexible para una variedad de
productos incluyendo nanomaterialesrdquo21
Sobre la nanotecnologiacutea en especiacutefico la FDA mantiene una poliacutetica regulatoria enfocada
en el producto y basada en investigacioacuten cientiacutefica para regular apropiadamente
productos usando esta tecnologiacutea emergente Los estaacutendares legales variacutean entre varias
clases que la FDA regula La FDA regularaacute los productos de la nanotecnologiacutea bajo las
autoridades establecidas seguacuten los estatutos de acuerdo con los estaacutendares legales
establecidos aplicables para cada producto bajo su jurisdiccioacuten La agencia toma un
enfoque cientiacutefico para asesorar cada producto y no hace ninguna generalizacioacuten sobre la
seguridad de los productos
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA LEGISLACIOacuteN NORMAS Y LEYES
(SALUD Y MEDIO AMBIENTE)
21 Joseacute Luis Carrillo Aguado Coacutemo es la Nanotecnologiacutea seguacuten la FDA periodistasenlineaorg Recuperado de
httpwwwperiodistasenlineaorgmodulesphpop=modloadampname=Newsamp_le=articleampsid=23516
106
La nanotecnologiacutea se podriacutea calificar como la ciencia que revolucionoacute el siglo 21 Se han
invertido miles de millones de doacutelares en financiar proyectos de educacioacuten investigacioacuten y
desarrollo de nuevos materiales Sin embargo en el campo del medio ambiente y
socioeconoacutemico no existe mucha informacioacuten disponible Si bien es cierto que hay mucha
expectativa alrededor de los posibles beneficios los riesgos auacuten son desconocidos cada
material tiene su propio conjunto de riesgos por esto es necesario investigar maacutes en la
toxicologiacutea
NANOBIOEacuteTICA NANOBIOPOLIacuteTICA Y NANOTECNOLOGIacuteA
Debido a los avances logrados en el campo de la nanotecnologiacutea en los uacuteltimos 30 antildeos es
importante evaluar el efecto de la misma en el medio ambiente tras la discusioacuten sobre los
beneficios como la mejora de la calidad de vida del hombre y el medio ambiente se
encuentran aspectos eacuteticos y morales relacionados con la vida y la muerte que llevan a
analizar las posibles consecuencias de la investigacioacuten en el campo de la nanotecnologiacutea
Se cree que los avances de la nanotecnologiacutea tambieacuten traeraacuten consecuencias sobre todos
los organismos habitantes de la tierra en casos como22
1 Criogenia congelacioacuten yo preservacioacuten de un cuerpo con el fin de resucitarlo en el
futuro
2 Coacutedigo geneacutetico manipulacioacuten del ADN con el fin de crear clones
microorganismos letales insercioacuten de dispositivos bioelectroacutenicos para medir
actividades metaboacutelicas y trasmitir la informacioacuten a hospitales o compantildeiacuteas de
seguros sin que las personas lo sepan
3 Aplicaciones militares o nanoterrorismo crear nanobots que sean capaces de
atacar poblaciones objetivo
4 Nanocomputacioacuten la computacioacuten molecular y cuaacutentica podriacutea violar cualquier
sistema de coacutemputo o de seguridad a nivel mundial generar ciberterrorismo
22 Marquez J (2008) Nanobioeacutetica nanobiopoliacutetica y nanotecnologiacutea Revista Salud Uninorte 24 (1) 140-157 Recuperado de
httprcienticasuninorteeducoindexphpsaludarticleview38242435
107
5 Desarrollo nanoescalar surgen preguntar del efecto de las nano partiacuteculas en el
medio ambiente coacutemo medir estos efectos cuaacuteles seraacuten los impactos sociales y
eacuteticos
EFECTOS DE LA NANOTECNOLOGIacuteA EN EL MEDIO AMBIENTE Y EN LA
SALUD
Impacto de la nanotecnologiacutea en el medio ambiente y la salud
SALUD
- La inhalacioacuten frecuente de nano partiacuteculas podriacutea causar caacutencer de pulmoacuten
- El contacto de la piel con nanopartiacuteculas podriacutea ocasionar alergias en la
piel
- Sistema digestivo por su capacidad de absorcioacuten puede asimilar
nanopartiacuteculas que son nocivas
MEDIO AMBIENTE
- Las sustancias nanoscoacutepicas arrojadas al medio ambiente puede ser
ingeridas o inhaladas y bioacumuladas a traveacutes de redes alimenticias
- Otro factor de riesgo es la liberacioacuten de nanopartiacuteculas por faacutebricas y
laboratorios de investigacioacuten en sistemas de drenaje y en los suelos
- Empresas que producen nanopartiacuteculas en polvo podriacutean liberarlas al
medio ambiente
BALANZA DE IMPACTO
A continuacioacuten se observa un cuadro comparativo de los impactos positivos y
negativos que tiene el uso de la nanotecnologiacutea en las diversas ramas de investigacioacuten
108
NANOTECNOLOGIacuteA SALUD Y BIOEacuteTICA23
No estaacute del todo claro a queacute nos referimos exactamente cuando hablamos de
nanotecnologiacutea La nanotecnologiacutea no es una realidad singular claramente delimitable
Esta nocioacuten agrupa maacutes bien un variado y heterogeacuteneo conglomerado de programas de
investigacioacuten y de innovaciones Aunque por motivos estiliacutesticos en estas paacuteginas
hablaremos indistintamente en singular o plural de nuestro objeto de anaacutelisis ya se
reconoce ampliamente que ldquonanotecnologiacuteardquo es un teacutermino que contiene cierta
vaguedad que se convierte a menudo en una coacutemoda etiqueta una ldquopalabra comodiacutenrdquo
para sustituir a otros teacuterminos maacutes precisos a la hora de referirse a las investigaciones en
marcha En ocasiones se abusa de ella para elaborar discursos tan amplios que resultan
poco menos que vaciacuteos maniobras retoacutericas para predisponer favorablemente a la
opinioacuten puacuteblica con respecto a proyectos de muy distinto geacutenero vehiacuteculos para la
23 Joseacute Manuel de Coacutezar Escalante Universidad de la Laguna (Tenerife) PREMIO ldquoJunta general del principado de Asturias-sociedad
internacional de bioeacutetica (SIBI)rdquo 2ordm10
NEGATIVO
Aumenta la toxicidad por el tamantildeo de las partiacuteculas que son faacutecilmente
absorbidas por la piel
La nanotecnologiacutea auementa la contaminacioacuten y por ende aumenta el
riesgo a la salud
POSITIVO
Patentes y manipulacioacuten de la informacioacuten
Disminucioacuten del hambre
Aumenta la productividad
Cura a enfermedades de difiacutecil tratamiento como el caacutencer
Creacioacuten de nanomaacutequinas
Ecosistemas maacutes limpios
109
obtencioacuten de fondos de investigacioacuten y capital de riesgo y en fin otra serie de objetivos
que en poco tienen el rigor terminoloacutegico (Berube 2006)
Es innegable que hay algunos rasgos comunes en la investigacioacuten y produccioacuten de
cualquier objeto o proceso nanotecnoloacutegico asiacute como unas caracteriacutesticas baacutesicas en lo
que se refiere a sus efectos en la innovacioacuten (tecnologiacutea de propoacutesito general
posibilitadora disruptiva convergente etc) Ahora bien tales caracteriacutesticas poseen una
utilidad limitada a la hora de ponerse de acuerdo sobre una definicioacuten precisa de
ldquonanotecnologiacuteardquo
iquestSimplemente la escala a la que se opera iquestSe requiere como insistiacutea el guruacute Eric Drexler
alguacuten tipo de maacutequinas ensambladoras a nivel molecular que se replicaran a siacute mismas24
De modo que el panorama es confuso sobre todo ndashclaro estaacutendash para el no experto
Sostendremos en el siguiente capiacutetulo que lo mejor es concentrarse en nanotecnologiacuteas
concretas trazando su alcance y liacutemites de la manera maacutes precisa posible aunque sin
perder de vista la panoraacutemica general es decir el conjunto de grandes cuestiones que
definen por doacutende se encamina la investigacioacuten nanotecnoloacutegica hacia doacutende se dirige la
sociedad y por supuesto si ese camino nos parece o no acertado
Como en tantas otras cuestiones definicionales que afectan a campos nuevos de la
ciencia de la tecnologiacutea y de la reflexioacuten criacutetica sobre las mismas los teacuterminos
recientemente acuntildeados de ldquonanoeacuteticardquo (ldquonanoethicsrdquo) y ldquonanobioeacuteticardquo
(ldquonanobioethicsrdquo) se prestan a una prolongada discusioacuten conceptual resistieacutendose a ser
aclarados a satisfaccioacuten de todos Varios son los peligros que presenta el contentarse con
una nueva etiqueta terminoloacutegica que pueda simplificar en exceso un conjunto muy
numeroso y heterogeacuteneo de investigaciones aplicaciones y problemas eacutetico-sociales Aun
asiacute el valor de la nanobioeacutetica es el de apuntar a fenoacutemenos que se estaacuten produciendo en
este preciso instante lejos de la atencioacuten de muchos expertos del pensamiento eacutetico y
social por no mencionar al puacuteblico en general Bajo esta oacuteptica la determinacioacuten de si los
temas eacuteticos que rodean la nanotecnologiacutea son ldquogenuinamenterdquo nuevos o si bien ya
resultan maacutes o menos familiares no es algo en lo que debieran emplearse todas nuestras
energiacuteas En su lugar hariacuteamos mejor en concentrarnos en identificar las cuestiones eacuteticas
24 Como se ha indicado los nanotecnoacutelogos recurren a una serie de meacutetodos para obtener los nanomateriales con las caracteriacutesticas
deseadas Se mejora asiacute el rendimiento de muchos materiales y dispositivos ya existentes Ahora bien en sus inicios se pensoacute que las
mejoras metodoloacutegicas aportadas por la nanotecnologiacutea maacutes que graduales (o ldquoevolutivasrdquo) seriacutean verdaderamente ldquorevolucionariasrdquo
de la mano de una especie de nanomaacutequinas que hicieran el trabajo de ensamblado por nosotros o popularmente de unos
ldquonanorobotsrdquo auto-replicantes Un claacutesico de este enfoque revolucionario es la obra seminal Engines of Creation (Drexler 1986)
110
a medida que vayan surgiendo para asiacute estar en condiciones maacutes favorables de abordarlas
adecuadamente y en una fase temprana (de Coacutezar 2009b van de Poel 2008)
En un extenso informe de un grupo de trabajo financiado por la Unioacuten Europea (ldquoframing
nanordquo) sus autores realizaron un interesante recorrido por los principales aspectos
regulativos de las nanotecnologiacuteas a nivel mundial aunque con especial eacutenfasis en Europa
Varias de sus conclusiones sirven perfectamente como cierre de este capiacutetulo (Mantovani
Porcari MeiliampWidmer 2009)
La preocupacioacuten por los efectos potencialmente dantildeinos de productos relacionados con la
nanotecnologiacutea se centra esencialmente en los nanomateriales manufacturados pero no
existe ninguna regulacioacuten especiacutefica para realizar una evaluacioacuten de riesgo de tales
productos La actitud general es la de emplear regulaciones ya existentes bien sea REACH
(siglas en ingleacutes por ldquoRegistro evaluacioacuten autorizacioacuten y restriccioacuten de sustancias y
preparados quiacutemicosrdquo) en Europa aprobado en 2007 bien la TSCA (Toxic Substances
Control Act o Ley de control de sustancias toacutexicas) en los Estados Unidos siguiendo eso siacute
un enfoque que podriacutea caracterizarse como ldquoprecautoriordquo A pesar de ello las lagunas en
el conocimiento cientiacutefico han desafiado la fiabilidad de esas medidas Junto con la
diversidad de materiales y aplicaciones la ausencia de datos de caracterizacioacuten la falta de
la normalizacioacuten de la nomenclatura y de la meacutetrica la necesidad de maacutes conocimientos
sobre los impactos en la salud y en el medio ambiente todo ello pone en cuestioacuten el
desarrollo responsable de tales tecnologiacuteas Ademaacutes de la necesidad de enfrentarse a
estos problemas las implicaciones de las nanotecnologiacuteas respecto a las cuestiones eacuteticas
legales y sociales (ELSI) se consideran un asunto crucial que debe ser tenido en cuenta
para una apropiada gobernanza de las nanotecnologiacuteas El hecho de que productos
relacionados con lo nano esteacuten entrando en el mercado en nuacutemero creciente torna
urgente la solucioacuten de estos problemas
Durante el antildeo 2009 el Parlamento Europeo asistioacute a una serie de debates complicados
sobre la regulacioacuten de las nanotecnologiacuteas Algunos de sus miembros enarbolaron el
eslogan ldquono data no marketrdquo (ldquosin datos no hay mercadordquo) para aplicarlo a la situacioacuten de
las nanotecnologiacuteas en la Unioacuten Europea A instancias de un verde sueco se pediacutea que los
productos que contengan nanotecnologiacutea y que ya se encuentran en el mercado fueran
retirados hasta que se evaluara su seguridad Una red de organizaciones ecologistas el
European Environmental Bureau saludoacute esta iniciativa como una victoria en el debate
sobre la legislacioacuten de los desarrollos de la nanociencia Poco antes se habiacutean pedido
aclaraciones definicionales el etiquetado y la realizacioacuten de evaluaciones especiacuteficas de
riesgo para alimentos que contuvieran ingredientes nanos Esto haciacutea que el Parlamento
111
adoptara una postura en abierto desacuerdo con las sugerencias de la Comisioacuten que
como hemos visto considera que en principio la legislacioacuten existente puede cubrir los
nuevos casos suscitados por los nanomateriales Todo esto pone de manifiesto que la
regulacioacuten de la nanotecnologiacutea no es en modo alguno tarea sencilla y que se requiere
colocarla en un contexto maacutes amplio el de la responsabilidad de los expertos y la
gobernanza de la ciencia y la tecnologiacutea en las sociedades actuales (un tema que
retomaremos en las conclusiones con las que se cierra este trabajo)
Las nanotecnologiacuteas pueden desempentildear un papel relevante en la mejora del entorno
pero por suerte o por desgracia necesitaremos mucho maacutes que medidas tecnoloacutegicas para
arreglar una situacioacuten ambiental que se ha convertido en auteacutentica crisis ecoloacutegica global
Por mucho eacutexito que tengan tomadas de una en una en la mejora de la eficiencia las
aplicaciones nanotecnoloacutegicas en su conjunto no necesariamente reduciraacuten la gravedad o
extensioacuten el problema ambiental Hay que situarlas en el contexto de una discusioacuten
incoacutemoda tal vez pero necesaria el debate en profundidad sobre los cambios que
tendremos que hacer en nuestro estilo de vida ya sean restricciones voluntarias del
consumo busca de gratificacioacuten en actividades no derrochadoras etc El debate tampoco
puede pasar por alto las relaciones de poder en materia ambiental esto es coacutemo unos
disfrutan de los beneficios econoacutemicos y materiales mientras otros se llevan la basura Se
trata en fin de una cuestioacuten de justicia ambiental En otras palabras se precisa una
verdadera eacutetica de la evaluacioacuten de las nanotecnologiacuteas ambientales como de cualquier
otra tecnologiacutea aplicada al medio ambiente
Por otra parte la nanotecnologiacutea desafiacutea nuestras convicciones sobre lo natural y lo
artificial y nos conduce a la necesidad de reflexionar sobre el estatus moral de seres
hiacutebridos en tanto contengan elementos naturales y artificiales mdashpor no mencionar las
nuevas formas de vida creadas por una tecnologiacutea convergente la biologiacutea sinteacuteticamdash y
sobre la irreversibilidad de unos cambios que alteren el curso de la evolucioacuten
Para concluir imaginemos un futuro donde las tecnologiacuteas esteacuten maacutes allaacute de toda
esperanza de ser controladas imaginemos una crisis ecoloacutegica devastadoramente amplia
y profunda que ponga en peligro lo que llamamos ldquocivilizacioacutenrdquo Los ejemplos son
innumerables todos hemos visto producciones cinematograacuteficas leiacutedo relatos o jugado a
juegos de ordenador donde los logros humanos son apenas un recuerdo remoto del
pasado Incluso asiacute es probable que la humanidad sobreviviera durante un considerable
periacuteodo de tiempo Despueacutes de todo nuestra especie es ldquodura de pelarrdquo como ha
demostrado por medio de su historia evolutiva Pero deberiacuteamos preguntarnos acto
112
seguido iquesta queacute precio esa supervivencia iquestA costa de queacute o de quieacutenes iquestEn queacute
condiciones iquestCon queacute peacuterdidas
La aplicacioacuten de las nanotecnologiacuteas a los problemas de la salud es un aacuterea clave de
desarrollo nanotecnoloacutegico en la actualidad al que se destinan cuantiosos fondos y otros
recursos de investigacioacuten y desarrollo tecnoloacutegico La prevalencia y gravedad de
enfermedades ligadas al desarrollo econoacutemico y el aumento de la esperanza de vida
como el caacutencer las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas unidas a otras
fruto de la obesidad y de estilos de vida poco saludables encuentra su opuesto en la
persistencia en los paiacuteses pobres de dolencias hace tiempo erradicadas en los paiacuteses ricos
pero que continuacutean devastando la salud de los que menos tienen
Las expectativas depositadas en la nanomedicina y todaviacutea maacutes en su uso combinado con
las biotecnologiacuteas y la biologiacutea sinteacutetica son grandes ya que se persigue un alto control
de los mecanismos y sistemas de los seres vivos con la capacidad de modificarlos y
regularlos seguacuten los fines deseados En el caso de la salud humana las promesas que
guiacutean las investigaciones son las de obtener diagnoacutesticos maacutes sencillos de realizar raacutepidos
y precisos asiacute como faacutermacos y modalidades terapeacuteuticas maacutes eficaces no invasivas y con
menores efectos secundarios Los nanobiosensores se podraacuten emplear para diagnosticar y
controlar los paraacutemetros de los pacientes de manera que se les ofrezcan diagnoacutesticos
precoces y tratamientos personalizados A ello hay que antildeadir los usos de la
nanotecnologiacutea para proacutetesis mejoradas y regeneracioacuten de tejidos y oacuterganos dantildeados
Todos estos avances contribuiriacutean sin duda a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos
de los paiacuteses desarrollados y si se obtienen innovaciones de bajo coste tambieacuten la de los
paiacuteses con peor situacioacuten econoacutemica
Lo que se conoce como nanomedicina y maacutes en general el campo de las nuevas
nanotecnologiacuteas biomeacutedicas presenta una constelacioacuten de interrogantes bioeacuteticos
bastante heterogeacuteneos La evaluacioacuten de los mismos pasa por su clasificacioacuten previa de
acuerdo a distintos criterios Cuando menos deben tenerse en cuenta los siguientes
- El plazo en el que estaraacute disponible la innovacioacuten (corto medio o largo)
- La viabilidad de la innovacioacuten que se estaacute analizando (ya existente viable posible a largo
plazo mera visioacuten futurista)
- La relacioacuten coste-efectividad (ya que repercute directamente en la asignacioacuten de
recursos y las posibilidades de acceder de manera justa a las innovaciones)
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- El grado de novedad del problema bioeacutetico planteado (ya conocido conocido pero
agravado por la irrupcioacuten de nuevas capacidades tecnoloacutegicas completamente novedoso)
- Las interrelaciones entre las diversas tecnologiacuteas convergentes (nano + bio+ info+
cogno)
En general todos los expertos parecen estar de acuerdo en que se requiere una
coordinacioacuten mayor y una armonizacioacuten urgente de los procedimientos reguladores en
nanomedicina a fin de facilitar la recoleccioacuten de datos y de mejorar la claridad de las
normas Esto es crucial para mejorar el conocimiento sobre la seguridad de la
nanomedicina reducir una carga reguladora desproporcionada sobre las innovaciones en
el sector y mejorar la accesibilidad a los productos nanomeacutedicos Por lo que se refiere a las
patentes y los derechos de propiedad los problemas suscitados por las nanotecnologiacuteas
nanomeacutedicas son similares a las de otras tecnologiacuteas emergentes lo que significa que
pueden intensificar tendencias actuales con un valor eacutetico y social dudoso (privatizacioacuten
del conocimiento y falta de equidad en el acceso a los beneficios) Es preciso hacer un
anaacutelisis comparativo cuidadoso de los sistemas de patentes a nivel mundial
La controversia viene impulsada por el desarrollo de un impresionante conjunto de
aplicaciones tecnoloacutegicas en la forma de nuevos materiales nuevas sustancias nuevos
dispositivos Tales posibilidades alientan ciertas visiones utoacutepicas (y distoacutepicas) del futuro
humano Algunas de esas visiones y en todo caso escenarios a corto plazo o maacutes pegados
a tierra nos alertan de la plausibilidad de un conjunto de problemas eacuteticos y sociales que
a diacutea de hoy se esbozan de manera incipiente De modo que a fin de que la eacutetica por
decirlo asiacute no llegue con retraso vale la pena optar con prudencia y comenzar una
reflexioacuten y debate que nos permita en su caso preparar convenientemente la normativa
y legislacioacuten que se requiera con tiempo suficiente (Allhoff et al 2009) Como en tantos
otros campos sugerimos la gran utilidad si no necesidad de llevar a cabo una evaluacioacuten
eacutetica de las tecnologiacuteas en colaboracioacuten con quienes las desarrollan una evaluacioacuten ldquoen
tiempo realrdquo y continuada Tal evaluacioacuten deberaacute dedicar una atencioacuten especial a
preguntarse si las mejoras tecnoloacutegicas del cuerpo y de la mente contribuyen realmente a
la consecucioacuten del ideal de vida buena
114
LA EacuteTICA Y EL DESARROLLO DE LA NANOTECNOLOGIacuteA25
El desarrollo de la nano-tecnologiacutea ciertamente ha despertado entusiasmos entre los
partidarios de un avance tecnoloacutegico sin ninguacuten tipo de restricciones supuestamente
ldquoajenasrdquo al ldquoavancerdquo de las ciencias Tal es el principio que toma por legiacutetimos los avances
tecnoloacutegicos a priori Se aboga por el principio de precaucioacuten ante cualquier imposicioacuten de
estas nuevas tecnologiacuteas las cuales estaacuten muchas veces envueltas en compromisos
comerciales ajenos a la eacutetica cientiacutefica
La nanotecnologiacutea se halla en una encrucijada El surgimiento de un consenso relativo a su
direccioacuten inocuidad intereacutes y fi nanciacioacuten dependeraacute de coacutemo se defi nan y de quieacutenes
vayan a ser por consiguiente las partes interesadas Habida cuenta de que nuestro
mundo es cada vez maacutes tributario de la ciencia y la tecnologiacutea y de que se da una
creciente sensibilizacioacuten del puacuteblico a los peligros y posibilidades que ambas entrantildean se
puede afi rmar con seguridad que la participacioacuten de partes interesadas de toda iacutendole va
a ldquoalcanzarrdquo el centro medular del propio quehacer cientiacutefi co Ademaacutes la gran atencioacuten y
el intereacutes entusiasta de que dan muestras grupos muy diversos ndashdesde los poderes
puacuteblicos hasta las organizaciones sin fi nes de lucro y desde las empresas hasta las
agrupaciones de militantesndash van a exigir tambieacuten una coordinacioacuten concertada Es obvio
que ya son sufi cientemente numerosas las personas que desean actuar en este aacutembito y
que estaacute disminuyendo la necesidad de crear nuevas instituciones organismos o grupos
distintos mientras que se hace cada vez maacutes apremiante la tarea de reforzar los que ya
existen26
25 Hugh Lacey Swarthmore CollegeUniversidade de Satildeo Paulo Traduccioacuten del ingleacutes Luis Alvarenga Departamento de
Filosofiacutea UCA San Salvador
26 Tomado de la paacutegina web httpunesdocunescoorgimages0014001459145951spdf