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Este algoritmo permitiría saber qué pasa en cada punto de una gran estructura

Aunque depende del desarrollo de los materiales programables dotados de sensores que envolverían el objeto para medir variables como la temperatura y las grietas

The Physics arXiv Blog 17/02/2016


El mundo está lleno de estructuras complejas, como los puentes, las carreteras, las turbinas eólicas y las centrales eléctricas. Todos ellos tienen que ser cuidadosamente monitorizados para asegurar su integridad.

Actualmente gran parte de este trabajo ha de ser realizado por ingenieros físicamente presentes. Y no representa una tarea fácil para objetos que abarquen cientos o incluso miles de kilómetros, como las carreteras, o para estructuras remotas como las turbinas eólicas marinas.

Así que una manera de hacerlo en remoto resultaría altamente valiosa. Claramente requiere algún tipo de sensor independiente que pueda medir la propiedad deseada como la temperatura, la acidez y las grietas.

Y desde luego existen numerosos dispositivos para ello. Por ejemplo, unas fibras ópticas colocadas sobre, o incorporadas en, los objetos pueden medir las fuerzas que actúan sobre ellos y los sensores conectados a ellas monitorizan la temperatura, la acidez, etcétera.

Pero este tipo de sensores no proporcionan una cobertura global. En otras palabras, no pueden indicar la temperatura en cada punto del objeto. Para eso, se necesita algo más ambicioso.

El sueño sería disponer de un recubrimiento inteligente que haga este trabajo. Sería un "material programable" que recubra el objeto por completo con una fina capa. Contendría diminutos sensores de partículas que recopilarían informaciones sobre la superficie, como su temperatura, y las comunicarían a sus vecinos más próximos.

Hace ya tiempo que los matemáticos han contemplado las propiedades de los materiales programables, y les ha surgido una pregunta que les ha dejado perplejos. ¿Es posible emplear un recubrimiento inteligente para determinar la temperatura en cualquier punto de un objeto, aunque los sensores no tengan ningún conocimiento de su geometría general?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Zahra Derakhshandeh de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe (EEUU) y sus compañeros. El equipo ha desarrollado una serie de algoritmos que proporcionan el marco matemático que permite que estas partículas resuelvan este problema.

Para que funcione, los sensores de partículas y el recubrimiento deben tener ciertas propiedades. El equipo de Derakhshandeh dice que los sensores han de poder desplazarse por la superficie y formar y romper vínculos de comunicación con sus vecinos más próximos. El objeto debe tener una geometría que permita un recubrimiento uniforme.

Bajo esas condiciones, el equipo de Derakhshandeh dice que su marco funciona como un algoritmo de recubrimiento universal para la materia programable. Estas partículas sólo necesitan tener una memoria limitada y comunicarse en distancias cortas y son totalmente autónomas. En otras palabras, son todas equivalentes.

Es un trabajo curioso que algún día podría dar paso a algunas aplicaciones útiles dentro de la monitorización en remoto.

Queda trabajo por hacer, no obstante. Dada la tarea de medir alguna propiedad del material en un punto concreto, un problema importante es la rapidez con la que el algoritmo puede hacerlo. Para averiguarlo, el equipo sugiere probar el algoritmo en una simulación o con materia programable real. Será interesante observar sus progresos.

Otro problema importante será la eficiencia energética de este tipo de materia programable. ¿Qué tipo de carga de comunicación impone el problema del recubrimiento? ¿Será posible que la energía requerida para ello se obtenga del medio ambiente?

La materia programable y el recubrimiento universal aún se encuentran en su infancia. Pero los ahorros que los algoritmos del equipo de Derakhshandeh podrían aportar son considerables, dado el coste de monitorizar y mantener las turbinas eólicas marinas, por ejemplo. Sólo eso debería garantizar el interés futuro por este tema.

Ref: http://arxiv.org/abs/1601.01008: Universal Coating for Programmable Matter


Nadie sabe por qué este superconductor ha batido el récord de temperatura

El sulfuro de hidrógeno ha demostrado esta propiedad a -70°C, la temperatura más baja registrada en la tierra y la más alta a la que ha llegado a trabajar un superconductor

The Physics arXiv Blog 17/02/2016

El mundo de la superconductividad está en auge. El año pasado, Mikhail Eremets y varios compañeros suyos del Instituto Max Planck de Química en Mainz (Alemania) realizaron el extraordinario anuncio de haber observado el sulfuro de hidrógeno actuando como superconductor a -70 °C. Esa cifra es unos 20 °C superior a la jamás registrada en cualquier otro material, un aumento enorme sobre el récord actual.

Los seguidores de este blog habrán leído acerca de este trabajo cuando se publicó originalmente. En ese momento, los físicos se mostraron cautelosos. La historia de la superconductividad está llena de anuncios dudosos de actividad a gran temperatura que luego resultan imposibles de reproducir.

Pero desde entonces, Eremets y su equipo han trabajado duro para recopilar unas pruebas concluyentes. Recientemente, su trabajo se publicó por fin en Nature, dándole el sello de respetabilidad que requiere el campo tradicional de la física. De repente, la superconductividad vuelve a ocupar los titulares.

Antonio Bianconi y Thomas Jarlborg del Centro Internacional Superstripes de Roma para la Ciencia de Materiales en Italia han hecho un emocionante repaso de este avance. Han publicado un resumen del descubrimiento del equipo de Eremet y un trabajo teórico que intenta explicarlo.

Primero, unos antecedentes. La superconductividad es el fenómeno por el cual algunos materiales presentan una resistencia eléctrica cero cuando son enfriados hasta pasar una temperatura crítica.

Este fenómeno está bien comprendido en los superconductores convencionales, que son esencialmente celosías rígidas de iones positivos dentro de un mar de electrones. La resistencia eléctrica se produce porque los electrones chocan con la celosía y pierden energía mientras la atraviesan. Sin embargo, a temperaturas bajas los electrones pueden unirse para formar pares de Cooper. Al mismo tiempo, la celosía se vuelve lo suficientemente rígida para permitir el movimiento coherente de ondas llamadas fonones.

La superconductividad se produce cuando los pares de Cooper y los fonones atraviesan el material juntos, y las ondas despejan el camino para las parejas de electrones. Y se descompone cuando las vibraciones de la celosía (su temperatura) asciende hasta ser capaz de romper los pares de Cooper. Esa es la temperatura crítica.

Hasta hace poco, la temperatura crítica más alta de este tipo era de unos -230 °C.

Existen esencialmente tres características que los físicos buscan para probar si un material es superconductor. La primera es una caída repentina en la resistencia eléctrica cuando el material es enfriado hasta superar esta temperatura crítica. La segunda es la expulsión de campos magnéticos desde dentro del material, un fenómeno conocido como el efecto Meissner. El tercero es un cambio en la temperatura crítica cuando átomos del material son reemplazados con isótopos, porque la diferencia en la masa de isótopos provoca que la celosía vibre de otra forma, lo que cambia a su vez la temperatura crítica.

Pero existe otro tipo de superconductividad que es mucho menos entendido. Incluye ciertas sustancias cerámicas descubiertas en la década de 1980 que son superconductoras a temperaturas de hasta unos -110 °C. Nadie entiende cómo funciona, pero gran parte de las investigaciones de la comunidad de la superconductividad se han centrado en estos materiales exóticos.

El trabajo del equipo de Eremet probablemente cambie eso. Quizás la mayor sorpresa de su descubrimiento es que no incluye un superconductor de "alta temperatura". En lugar de eso, el sulfuro de hidrógeno es un superconductor común del tipo que nunca se había observado funcionando a temperaturas superiores a los -230 °C.

El equipo de Eremet logró este truco al someter el material a un nivel de presión que sólo se produce en el núcleo de la Tierra. Al mismo tiempo, ha encontrado pruebas de todas las características importantes de la superconductividad.

Aunque todo el trabajo es experimental, los teóricos se han devanado los sesos para poder explicarlo. Muchos físicos habían creído que existía alguna razón teórica por la que los superconductores convencionales no funcionan por encima de los -230 °C. Pero realmente no existe nada en la teoría que impida la superconductividad a temperaturas más altas.

De hecho, en la década de 1960 el físico británico Neil Ashcroft predijo que el hidrógeno debería ser capaz de actuar como un superconductor a temperaturas y presiones altas, quizás incluso a temperatura ambiente. Su idea era que el hidrógeno es tan ligero que debería formar una celosía capaz de vibrar a frecuencias muy elevadas y por tanto sería un superconductor a temperaturas y presiones altas.

El descubrimiento del equipo de Eremet parece la confirmación de esta idea. O al menos algo parecido. Existen muchos flecos teóricos que recortar antes de que los físicos puedan afirmar entender bien lo que ocurre. Este trabajo teórico está en curso.

Ahora empieza la carrera por encontrar otros superconductores que funcionen a temperaturas incluso más altas. Un candidato prometedor es el H3S (Eremet originalmente trabajaba con el H2S).

Y, por supuesto, los físicos empiezan a pensar en aplicaciones prácticas. Existen muchos retos para la explotación de este material, entre otras cosas porque existe en la forma superconductora sólo en diminutas muestras dentro de yunques de alta presión.

Pero eso no ha impedido que se especule. "Este descubrimiento es relevante no sólo en la ciencia de materiales y materias condensadas, también en otros campos desde la computación cuántica hasta la física cuántica de la materia viva", dice Bianconi. También sugiere que este superconductor funciona a una temperatura 19 ºC más alta que la temperatura más baja jamás registrada en la Tierra.

Esto lo convierte en un campo excitante y uno del que probablemente escuchemos mucho más en los próximos meses y años.

Ref: arxiv.org/abs/1510.05264: Superconductivity Above ythe Lowest Earth Temperature In Pressurized Sulfur Hydride

Una máquina predice las emociones que vive un humano estudiando su cerebro

Nadie sabía cómo identificarlas, pero este algoritmo ha extraído patrones que aciertan el 80% de las veces gracias a sus electroencefalogramas

The Physics arXiv Blog 02/02/2016


Cuando se trata de la comunicación, los humanos somos altamente sensibles a las emociones de los demás. De hecho, la mayoría de las personas espera que su estado emocional sea tenido en cuenta. Y cuando sucede, la comunicación tiende a ser más eficaz.

Así que si los ordenadores van a llegar a interactuar eficazmente con los humanos, necesitarán disponer de alguna manera de reproducir este truco para evaluar el estado emocional de sus interlocutores. Entender si un individuo tiene un estado mental positivo o negativo podría representar una enorme diferencia en la calidad de la respuesta que podría proporcionar un ordenador.

Pero, ¿cómo lograrlo? Una manera de evaluar el estado mental de una persona es analizar las señales eléctricas producidas por el cerebro con electroencefalograma (EEG). Esto puede desvelar varios aspectos del estado del cerebro, como el nivel de concentración entre otras cosas.

Sin embargo, los estados emocionales de un cerebro son complejos y muchos trabajos previos han señalado que las ondas cerebrales asociadas con emociones concretas parecen cambiar con el tiempo. Por lo tanto, nadie ha encontrado la manera de identificarlas claramente y de manera fiable mediante ondas cerebrales.

Hoy, eso cambia gracias al trabajo de Wei-Long Zheng y sus compañeros de la Universidad Jiao Tong de Shanghái (China). Han encontrado una manera de identificar los estados emocionales del cerebro y replicarlos con fiabilidad. Probaron la técnica al detectar estados emocionales en los mismos sujetos semana tras semana al evaluar sólo sus ondas cerebrales.

Wei-Long y su equipo empezaron con la creación de una base de datos de estudio. Para ello, pidieron a 15 alumnos que vieran 15 vídeos asociados con emociones positivas, negativas o neutras.

Durante cada vídeo, el equipo grabó la cara además de las señales eléctricas procedentes de 62 electrodos colocados sobre la cabeza del sujeto. Entones se les preguntaba si el vídeo había evocado una respuesta positiva, negativa o neutra y que los sujetos puntuasen los niveles de estimulación emocional en una escala del 1 al 5. De forma crucial, el equipo repitió el experimento con los mismos sujetos durante un período de semanas.

Entonces el equipo de Wei-Long empleó un algoritmo de aprendizaje de máquinas para analizar el conjunto de datos, en busca de características comunes en las ondas cerebrales de las personas con los mismos estados emocionales.

Efectivamente, el algoritmo descubrió un conjunto de patrones que diferenciaba claramente las emociones positivas, negativas y neutrales que se presentaban en diferentes sujetos y para los mismos sujetos en el tiempo con una fiabilidad de aproximadamente el 80%. "El rendimiento de nuestro sistema de reconocimiento de emociones demuestra que los patrones neuronales son relativamente estables dentro de cada sesión, y entre sesiones", afirman.

Queda más por hacer, claro. Los sujetos de este estudio eran todos alumnos relativamente jóvenes de una universidad china. Wei-Long y su equipo quieren examinar cómo cambian los estados emocionales de los cerebros con la edad, el género y la raza. Eso queda para el futuro.

De momento, es un trabajo interesante que podría ayudar a mejorar el estudio de las emociones y algún día podría posibilitar que las máquinas inteligentes entendan mejor los estados emocionales de los humanos con los que interactúan.

Ref: arxiv.org/abs/1601.02197 : Identifying Stable Patterns over Time for Emotion Recognition from EEG

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