Las Megatendencias Tecnológicas Actuales Y Su Impacto

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Algunos avances del futuro Megatendencias tecnológicas Las megatendencias Megatendencia tecnológicas actuales y su impacto en la identificación de oportunidades estratégicas de negocios Biotecnología agrícola Inteligencia artificial Tema Información Biocombustibles Existen cambios en los patrones de cultivo. La tierra se utiliza para cosechar materia prima para biocombustibles, en detrimento de otros productos, como la naranja, que serán escasos. Alimentos para consumo humano Los centros de investigación desarrollan métodos para modificar el sabor, color y la textura de frutas y legumbres. Alimentos para consumo humano Las grandes procesadoras de alimentos invierten en biotecnología para conocer las propiedades de los alimentos que benefician la salud y que pueden aprovechar como elementos de mercadotecnia. Sin embargo la rentabilidad de algunos cultivos será limitante para invertir en conocer su genoma. Fabricación y diseño La conducción de automóviles estará a cargo del piloto automático guiado por un navegador GPS y alimentado con el estado de las vialidades. El sistema incluirá alcoholímetro y monitor de signos vitales. Electrónica En el 2050 los nanorrobots podrán acomodarse de diferente forma permitiendo que dispositivos electrónicos cambien de forma y se reduzcan de tamaño. Grupo de Desarrollo Regional del Tecnológico de Monterrey MEMS Continúa en la siguiente solapa. Las megatendencias tecnológicas actuales y su impacto en la identificación de oportunidades estratégicas de negocios Las megatendencias tecnológicas actuales y su impacto en la identificación de oportunidades estratégicas de negocios Grupo de Desarrollo Regional del Tecnológico de Monterrey Título original Las megatendencias tecnológicas actuales y su impacto en la identificación de oportunidades estratégicas de negocios Compilado por: Grupo Coordinador de Desarrollo Regional del Tecnológico de Monterrey Diseño de la publicación Adriana Hernández Márquez Juan Carlos Muñoz Anaya Primera edición, 2009 Derechos Reservados© Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Av. Eugenio Garza Sada Sur No. 2501, C.P. 64849, Monterrey, N.L. Se prohíbe la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio sin previo y expreso consentimiento por escrito del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey a cualquier persona y actividad que sean ajenas al mismo. ISBN 978-607-7517-94-8 El Tecnológico de Monterrey propicia las investigaciones de sus profesores, sin embargo, de acuerdo al principio de libertad de cátedra, el contenido, los datos y las opiniones expresadas en este libro son responsabilidad de los autores y no expresan la opinión institucional de FEMSA ni del ITESM. Mensaje del Rector del Tecnológico de Monterrey El Tecnológico de Monterrey, comprometido con su misión a promover el desarrollo del país mediante la formación de recursos humanos altamente calificados y la promoción del espíritu emprendedor, ha realizado una serie de esfuerzos de investigación para identificar oportunidades estratégicas para el desarrollo. Estos proyectos, que buscan el fortalecimiento de la base productiva de los estados y las regiones del país, incluyen información con respecto al desarrollo de nuevos productos en el contexto de la nueva economía del conocimiento, la adopción de nuevas tecnologías y los mercados que se abrirán a los nuevos productos. La presente publicación, que forma parte de este esfuerzo, ofrece información acerca de las nuevas megatendencias tecnológicas que están afectando al mundo y su impacto en la identificación de las oportunidades de negocios, a corto y mediano plazo. Ofrece, pues, elementos importantes a considerar en cuanto a la generación de negocios de alto valor agregado. Rafael Rangel Sostmann Rector del Tecnológico de Monterrey Mensaje del Director General de Fomento Económico Mexicano, S.A.B. de C.V. (FEMSA) México tiene un gran potencial de desarrollo en sus distintas regiones, el cual es necesario impulsar para generar empleos, certidumbre y mejores condiciones de vida para las familias. La equidad entre los mexicanos es una aspiración que debemos enfrentar con espíritu emprendedor, con productividad y competitividad. El desarrollo regional es clave para ello y por tanto lo asumimos como responsabilidad y compromiso compartido. Conscientes de este compromiso, en FEMSA impulsamos un proyecto en conjunto con el Tecnológico de Monterrey para analizar las diferentes formas de desarrollo de México y proporcionar información sobre el desarrollo regional, uno de los enfoques más exitosos en la generación de valor. El Análisis del Desarrollo Regional implica estudiar desde las características geográficas, los factores sociales, las tendencias mundiales, para innovar, crear o utilizar la mejor tecnología y enfocarnos en lo que hará que nuestra región prospere. Si conocemos estas particularidades, podremos planear estratégicamente en qué actividades económicas tenemos que enfocarnos, definiendo claramente los roles y responsabilidades de gobiernos, empresas y sociedad para conjuntar esfuerzos, lograr la mejor productividad y ser competitivos, no sólo para cada región, sino para todo el país. En FEMSA estamos conscientes que nuestra labor como empresa va más allá de sólo crear valor económico, sino que nos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS MENSAJE DEL DIRECTOR GENERAL DE FOMENTO ECONÓMICO MEXICANO, S.A.B. DE C.V. (FEMSA) hemos comprometido para al mismo tiempo generar simultáneamente iniciativas que contribuyan a la indispensable cohesión social que requieren nuestras comunidades para progresar y vivir en armonía. Esperamos que la información reunida por los especialistas del Tecnológico de Monterrey, sea de utilidad para inspirar y guiar a nuevas empresas e instituciones a contribuir al desarrollo de México. José Antonio Fernández Carbajal Director General de Fomento Económico Mexicano, S.A.B. de C.V. (FEMSA) Contenido Presentación.................................................................................................................... 13 Capítulo 1 El análisis de las megatendencias............................................................................. 17 1.1 ¿Qué son las megatendencias?: definición e importancia de su estudio..... 17 1.2 Contexto de búsqueda de oportunidades basado en megatendencias...... 18 1.3 Las doce megatendencias tecnológicas.......................................................... 21 Capítulo 2 Sistemas ópticos............................................................................................................ 25 2.1 Descripción.......................................................................................................... 25 2.2 Temas de investigación....................................................................................... 27 2.3 Tecnologías existentes........................................................................................ 28 2.4 Tecnologías emergentes..................................................................................... 30 2.5 Productos y Servicios.......................................................................................... 31 2.6 Taxonomía............................................................................................................. 35 Capítulo 3 Biotecnología agrícola..................................................................................................... 43 3.1 Descripción.......................................................................................................... 43 3.2 Temas de investigación....................................................................................... 45 3.3 Tecnologías existentes........................................................................................ 46 3.4 Tecnologías emergentes..................................................................................... 48 3.5 Productos y servicios.......................................................................................... 48 3.6 Taxonomía............................................................................................................. 51 Capítulo 4 Biotecnología médica...................................................................................................... 55 4.1 Descripción.......................................................................................................... 55 4.2 Temas de investigación....................................................................................... 59 4.3 Tecnologías existentes........................................................................................ 59 4.4 Tecnologías emergentes..................................................................................... 61 4.5 Productos y servicios.......................................................................................... 62 4.6 Taxonomía............................................................................................................. 68 LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CONTENIDO Capítulo 5 Células, tejidos y órganos artificiales......................................................................... 75 5.1 Descripción.......................................................................................................... 75 5.2 Temas de investigación....................................................................................... 80 5.3 Tecnologías existentes........................................................................................ 86 5.4 Tecnologías emergentes..................................................................................... 87 5.5 Productos y servicios.......................................................................................... 88 5.6 Taxonomía............................................................................................................. 89 Capítulo 6 Computadoras de alto rendimiento............................................................................... 97 6.1 Descripción.......................................................................................................... 97 6.2 Temas de investigación....................................................................................... 98 6.3 Tecnologías existentes........................................................................................ 99 6.4 Tecnologías emergentes..................................................................................... 99 6.5 Productos y servicios.......................................................................................... 99 6.6 Taxonomía........................................................................................................... 101 Capítulo 7 Inteligencia artificial..................................................................................................... 105 7.1 Descripción........................................................................................................ 105 7.2 Temas de investigación..................................................................................... 106 7.3 Tecnologías existentes...................................................................................... 107 7.4 Tecnologías emergentes................................................................................... 108 7.5 Productos y servicios........................................................................................ 108 7.6 Taxonomía........................................................................................................... 111 Capítulo 8 Materiales inteligentes e ingeniería de superficies............................................. 119 8.1 Descripción........................................................................................................ 119 8.2 Temas de investigación..................................................................................... 123 8.3 Tecnologías existentes...................................................................................... 124 8.4 Tecnologías emergentes................................................................................... 125 8.5 Productos y servicios........................................................................................ 128 8.6 Taxonomía........................................................................................................... 131 Capítulo 9 MEMS (Sistemas micro-electro-mecánicos)......................................................... 137 9.1 Descripción........................................................................................................ 137 9.2 Temas de investigación..................................................................................... 138 LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CONTENIDO 9.3 Tecnologías existentes...................................................................................... 139 9.4 Tecnologías emergentes................................................................................... 139 9.5 Productos y servicios........................................................................................ 140 9.6 Taxonomía........................................................................................................... 141 Capítulo 10 Micro y nanotecnología................................................................................................. 145 10.1 Descripción...................................................................................................... 145 10.2 Temas de investigación................................................................................... 147 10.3 Tecnologías existentes.................................................................................... 147 10.4 Tecnologías emergentes................................................................................. 148 10.5 Productos y servicios...................................................................................... 148 10.6 Taxonomía........................................................................................................ 150 Capítulo 11 Nuevas tecnologías energéticas................................................................................ 155 11.1 Descripción...................................................................................................... 155 11.2 Temas de investigación................................................................................... 159 11.3 Tecnologías existentes.................................................................................... 159 11.4 Tecnologías emergentes................................................................................. 161 11.5 Productos y servicios...................................................................................... 162 11.6 Taxonomía ....................................................................................................... 164 Capítulo 12 Realidad mixta................................................................................................................. 171 12.1 Descripción...................................................................................................... 171 12.2 Temas de investigación................................................................................... 173 12.3 Tecnologías existentes.................................................................................... 174 12.4 Tecnologías emergentes................................................................................. 174 12.5 Productos y servicios generados.................................................................. 174 12.6 Taxonomía ....................................................................................................... 176 Capítulo 13 Tecnologías inalámbricas............................................................................................... 179 13.1 Descripción...................................................................................................... 179 13.2 Temas de investigación ................................................................................. 184 13.3 Tecnologías existentes.................................................................................... 184 13.4 Tecnologías emergentes................................................................................. 185 13.5 Productos y servicios generados.................................................................. 185 13.6 Taxonomía........................................................................................................ 187 LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CONTENIDO Capítulo 14 Conclusiones................................................................................................................. 193 Bibliografía..................................................................................................................... 197 Presentación Desde la primera mitad del siglo XX se ha hecho evidente la aceleración con que se han sucedido los cambios a nivel social, cultural, económico y tecnológico; además, se ha acentuado el alcance del impacto que estos cambios han tenido en las naciones, organizaciones y personas. Esta yuxtaposición de eventos ha provocado una evolución sin precedentes en la manera de actuar de los grupos humanos, que también se ha reflejado en el acontecer económico de todos los países. La complejidad del entorno, la velocidad y la magnitud de los cambios obligan a realizar un análisis constante de las nuevas condiciones globales y regionales; identificando los elementos más relevantes, que permitan generar las mejores estrategias de acción. Estas decisiones pueden conducir al aprovechamiento de oportunidades de desarrollo en las personas y comunidades, para lograr nuevas formas de creación y uso eficiente y efectivo del conocimiento. John Naisbitt en su libro Megatrends 2000 (1990) Alvin Toffler en libros como El shock del futuro (1970), y últimamente en La revolución de la riqueza (2007), así como Herman Maynard y Susan Mehrtens en La cuarta ola (1996) fueron los pioneros en analizar e identificar grandes tendencias que afectan de manera directa al mundo y que se manifiestan en un plano multidimensional. Posteriormente, estos trabajos seminales derivaron en observatorios de tendencias futuras, que se han dedicado a delinear todos los fenómenos que a su juicio influenciarán la sociedad y la economía en un futuro cercano. De acuerdo a estos autores y a varios think tanks (rand Corporation, Stanford Delta Scan y Deutsche Bank Research son tres buenos ejemplos), es necesario identificar dichas tendencias mundiales e integrarlas a cualquier estudio de prospectiva para que éste tenga utilidad en el mediano y largo plazos. Las megatendencias, como sostienen Naisbitt y Aburdene (1990), son las grandes fuerzas en el desarrollo humano y tecnológico que afectarán LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 14 PRESENTACIÓN el futuro en todas las áreas de la actividad humana, en un horizonte de diez a quince años. Los gobiernos, las instituciones y las empresas las deben tomar en cuenta para diseñar sus objetivos de largo plazo y enfocar sus esfuerzos y recursos. Reconociendo su utilidad, las megatendencias ofrecen información sobre los futuros probables a través de sus manifestaciones presentes y, por lo tanto, se convierten en un punto de partida para ver hacia dónde se mueve el mundo. El identificar señales que indiquen futuros posibles y su impacto en productos, comportamientos y organizaciones se vuelve un arma indispensable en cualquier proceso de planeación. La principal premisa de las megatendencias actuales es que transitamos de una sociedad industrial a una sociedad basada en el conocimiento, y que es por lo tanto el desarrollo de este conocimiento el mejor indicador de la sociedad futura y sus oportunidades. El grupo de desarrollo regional del Tecnológico de Monterrey se abocó a integrar en este libro las megatendencias que a juicio de los autores probablemente marcarán el futuro previsible del mundo, tanto en el aspecto tecnológico como en el social, tratando de identificar los comportamientos que influenciarán a personas, grupos, instituciones, comunidades, regiones y países, para con ello identificar oportunidades de productos y servicios emergentes que puedan comercializarse en los mercados mundiales. Específicamente, se trató de identificar el impacto de las megatendencias mundiales en negocios de alto valor agregado que fueran relevantes al desarrollo regional de los estados de México. Las megatendencias que se describen en este libro son el resultado de un enorme trabajo de investigación y análisis por parte de un gran equipo de investigadores, en el marco del grupo de desarrollo regional y dirigido por el Dr. Héctor Moreira Rodríguez, Vicerrector de Desarrollo Académico e Investigación del Tecnológico de Monterrey. Este equipo estuvo conformado por 24 profesores-investigadores del ITESM en doce campus a lo largo del país, quienes con el apoyo de asistentes y alumnos de posgrado durante un año estuvieron trabajando, llevando a cabo tareas no sólo de búsqueda y análisis de información, sino de validación de conclusiones con expertos a nivel nacional. Para realizar este trabajo de investigación se desarrolló una metodología específica que permite identificar los componentes más importantes de la megatendencia, y se concentra en una técnica para la identificación de productos y servicios comercialmente atractivos en el futuro, a través del análisis de los elementos de mayor peso en el fortalecimiento de la megatendencia, así como en la evaluación del impacto de ésta en el mercado y en la sociedad. Para la aplicación de esta metodología, se utilizaron un manual de aplicación y un software que llevaron paso a paso a cada investigador en su trabajo. Además de los tutoriales, se llevaron a cabo sesiones de capacitación para el desarrollo de esta investigación en las que participaron 63 investigadores de Ciudad de México, Cuernavaca, Guadalajara, Hermosillo, Irapuato, León, Monterrey, Morelia, Pachuca, Puebla, Querétaro y Toluca. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS PRESENTACIÓN 15 Los resultados de este esfuerzo se presentan en las siguientes páginas, y es deseo de los autores que puedan servir como elementos catalizadores para tratar de construir un futuro para México con una base científica cada vez más sólida, que fortalezca la capacidad nacional para producir bienes de mayor valor agregado, y que de esta forma se traduzca en una mayor calidad de vida para toda la población, y en la conformación de una sociedad que cada vez más dé a los mexicanos oportunidades de utilizar al máximo sus capacidades. 1 El análisis de las megatendencias 1.1 ¿Qué son las megatendencias?: definición e importancia de su estudio En términos generales entendemos una tendencia como la dirección o la propensión a dirigirse hacia un objetivo determinado que tiene cualquier elemento. (rae, 2008). En este sentido, una megatendencia se manifiesta en la dirección que toman simultáneamente varios aspectos de la sociedad (en términos tecnológicos, de nuevos productos, sistemas de producción y preferencias de consumo) y que tendrán un impacto cuyos efectos serán perceptibles por un segmento significativo de la sociedad por más de una década. Reconocidos autores han estudiado e identificado grandes cambios en la sociedad, como Patricia Aburdene que ha definido megatendencia de la siguiente forma: “es una gran dirección dominante que modela nuestra vida durante una década o más”. (2006). En el mismo sentido, se han publicado libros como “Microtrends: the small forces behind tomorrow’s big changes” de Mark Penn, que buscan describir los cambios que guiarán el presente hacia nuevas formas de comportamiento en la sociedad y en la producción; para él las “microtendencias” son las fuerzas que están emergiendo, de manera contra-intuitiva y que moldean nuestro futuro. (Penn, 2007) En general, para detectar estos grandes cambios se deben observar los patrones que están emergiendo en el comportamiento social, las tecnologías, la economía, los medios, el cuidado de la salud y los negocios. (Watson, 2008) La importancia de la identificación y análisis de las megatendencias radica no sólo en la previsión de los acontecimientos que pueden transformar la vida social y los mercados, sino en el potencial de prevenirlos, de modificarlos y de actuar en consecuencia. Es decir, a partir de la idea del futuro que contempla una megatendencia, podemos no sólo LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 18 CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS beneficiarnos de sus contribuciones, sino también protegernos de las amenazas que representa, y planear sobre cómo obtener el mayor beneficio posible en el entorno actual. La premisa de las megatendencias es que identificando los elementos que sostienen e impulsan su avance, se puede construir el futuro. Bajo esta premisa, el analizar el impacto que pueden tener los cambios identificados en las megatendencias sobre nuestra vida diaria y en los productos y servicios ofrecidos en nuestra economía, aunado al ritmo con que los avances científicos y tecnológicos que la componen, son adoptados por la industria y por los mercados, es cada vez más pertinente. 1.2 Contexto de búsqueda de oportunidades basado en megatendencias El análisis de megatendencias ofrece información que permite detectar oportunidades de negocio de acuerdo a los siguientes elementos: • Enfoque hacia el desarrollo regional. • Prioridad en el desarrollo de los clusters regionales. • Creación de redes de conocimiento alrededor de los aspectos tecnológicos clave de los clusters y de sus productos. • Búsqueda de productos nuevos de alto valor agregado y con un enfoque de largo plazo Si consideramos que cualquier proyecto de desarrollo regional contempla la búsqueda de nuevos productos de alto valor agregado con enfoque de largo plazo, la mejor forma de obtener información sobre productos innovadores y tendencias de mercado es a través de un análisis de megatendencias. Esta información sobre tecnologías, nuevos productos y las tendencias de mercado se pueden integrar en un análisis que incluya datos sobre creación de patentes relativas a nuevas tecnologías y productos, la incorporación de nuevas empresas de base tecnológica y las inversiones del capital de riesgo en esas empresas. Este libro abre justamente la posibilidad de presentar información específica sobre las megatendencias que consideramos pertinentes para los próximos 15 años, y que impactarán en la oferta y demanda de productos a nivel global. Además, el análisis de megatendencias contempla el uso de información dinámica, presentado a través del Observatorio Estratégico-Tecnológico (http://oet.itesm.mx, un portal de internet diseñado y operado por el Tecnológico de Monterrey), de manera que el lector pueda generar reportes, con información relevante: patentes, capital de riesgo, tecnologías, etc. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS 19 En el libro se ha diferenciado entre megatendencias sociales y tecnológicas, ya que son dos tipos diferentes de detonadores de oportunidades concretas de negocios: por un lado la demanda de una solución por parte del mercado a una necesidad específica (por ejemplo teléfonos celulares de menor tamaño); y por el otro, la creación de necesidades generadas por una innovación tecnológica (por ejemplo el horno de microondas). Las megatendencias sociales se asocian al concepto de market pull y significa que la oportunidad de negocio se origina como respuesta a comportamientos que se pueden prever en la sociedad en el futuro, y que se pueden traducir en necesidades del mercado. Las megatendencias tecnológicas se relacionan con el technology push, que busca comercializar una innovación científica o tecnológica sin tener todavía definido un mercado. A pesar de la distinción, ambas maneras de ver las megatendencias contienen elementos comunes que se manifiestan en las tecnologías asociadas. Los autores proponen que la interacción de los componentes de las megatendencias sociales con las tecnológicas es la siguiente: En las megatendencias sociales, un cambio de tipo sociológico, ético, ideológico, moral, de percepción o valoración, genera nuevos comportamientos sociales, que Figura 1.1 Modelo de la relación entre las megatendencias sociales y tecnológicas 2 1 Genera Comportamientos sociales 3 Demandan Megatendencia social Temas de investigación 4a 4b Tecnologías existentes Tecnologías emergentes Impulsan y consolidan Originan Oportunidades de negocios Generan Productos y servicios 6 5 Genera Propician Comportamientos Tecnológicos 7 Impulsan y Consolidan 8 Megatendencia tecnológica LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 20 CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS demandan el desarrollo tecnológico necesario para producir bienes y servicios, que a su vez fortalecen y aceleran la megatendencia. Esta lógica se denomina market pull. A su vez, las megatendencias tecnológicas se generan con cambios cambios en gran escala en el conocimiento, las aplicaciones o la manera de visualizar una disciplina del conocimiento humano. Estas megatendencias siguen una lógica de technology push. Esto significa que el conocimiento se traduce en productos y servicios cuyo mercado no se conoce con claridad y que producirá una evolución muy rápida de los productos y servicios originales. Estos productos y servicios paulatinamente cambian el comportamiento humano, fortaleciendo y reforzando la megatendencia tecnológica. En este proyecto se propone que las megatendencias tecnológicas se manifiestan a través del siguiente ciclo: Figura 1.2 Ciclo de las megatendencias tecnológicas 3a 1 Tecnologías existentes 2 Genera Temas de investigación Megatendencia tecnológica Originan Productos y servicios 4 Tecnologías emergentes Generan 3b Impulsan y consolidan Comportamientos tecnológicos 6 Propician Oportunidades de negocios 5 Las definiciones de cada componente a continuación: • Temas de investigación: Áreas en donde se está incrementando el conocimiento básico y las tecnologías derivadas de la megatendencia. • Tecnologías existentes: Tecnologías conocidas cuyo uso se incrementa y profundiza, y que evolucionan hacia nuevos productos y servicios. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS 21 • Tecnologías emergentes: Nuevas tecnologías que están siendo desarrolladas y que pueden generar productos y servicios. • Productos y servicios: Aplicaciones que responden a las innovaciones tecnológicas. • Oportunidades / Áreas de negocio concretas: Productos y servicios con un alto grado de factibilidad y alineación con la estructura económica y los nuevos mercados. • Comportamientos tecnológicos: Resultados de la megatendencia que son percibidos por la sociedad y afectan sus valores, actividades y preferencias. Éstos, a su vez, retroalimentan e incrementan el efecto de la megatendencia tecnológica. Como se aprecia en la figura, la lógica del ciclo comienza con la aparición de conocimiento y desarrollos tecnológicos que son de tal magnitud que se consideran como una megatendencia tecnológica distinguible (1), la cual genera esfuerzos de investigación y desarrollo (2), que producen herramientas y conocimiento aplicable (3), los que a su vez originan productos y servicios (4) que se ofrecen al público. Del total de la oferta tecnológica, sólo una parte tiene éxito a través de oportunidades de negocio concretas (5), las cuales al expandirse en el mercado propician comportamientos tecnológicos que antes no existían (6) y responden a la masificación de las tecnologías exitosas. Estos comportamientos impulsan el crecimiento y la evolución de la megatendencia tecnológica, cerrando el ciclo. 1.3 Las doce megatendencias tecnológicas Tabla 1.1 Megatendencias tecnológicas 1. Sistemas ópticos. 2. Biotecnología agrícola. 3. Biotecnología médica. 4. Células, tejidos y órganos artificiales. 5. Computadoras de alto rendimiento. 6. Inteligencia artificial. 7. Materiales inteligentes & Ingeniería de superficies. 8. mems (sistemas micro-electro-mecánicos). 9. Micro y nanotecnología. 10. Nuevas tecnologías energéticas. 11. Realidad mixta. 12. Tecnologías inalámbricas. Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 22 CAPÍTULO 1: EL ANÁLISIS DE LAS MEGATENDENCIAS En este libro se presentan las megatendencias tecnológicas identificadas por los autores con base en la información analizada: En la presentación de cada megatendencia se encuentra información como la descripción de la megatendencia señalando sus elementos característicos, sus detonadores, y los cambios que provocan en el entorno. Finalmente, es importante señalar que las megatendencias implican una compleja relación de muchos elementos, por lo que también se incluye una taxonomía, que permite darle orden a esta relación de elementos y procesos que se interrelacionan para generar los productos y servicios específicos para cada megatendencia. 2 Sistemas ópticos Gerardo Castañón Miguel Ángel Tinoco Elizabeth Belmont 2.1 Descripción 2.1.1. Definición Son los sistemas o mecanismos que permiten manipular la luz y así modificar sus propiedades para lograr por medios mínimamente invasivos resultados de alta calidad en aplicaciones médicas, de instrumentación y de metrología. Dichas aplicaciones están enfocadas principalmente a los avances en las fibras ópticas, en los láseres, en el estudio de los plasmones, en la nanotecnología y en el de dispositivos de conmutación óptica. 2.1.2 Detonadores Los elementos tecnológicos de mayor impacto se centran en el campo tecnológico de las fibras ópticas, los láseres, la nanotecnología y la holografía. La mejora en las fibras ópticas, respecto a sus características tanto en atenuación como en dispersión; esto aumentó la ventana óptica de transmisión. Además, se implementó una técnica para enviar más de una señal por la fibra óptica al mismo tiempo (370 señales) en diferentes longitudes de onda (wdm). Por otro lado, el pequeño tamaño de las fibras ópticas (125 micras) ha permitido ser utilizado como un receptor de imágenes, introduciendo éste por cavidades muy pequeñas en el cuerpo y permitiendo realizar operaciones médicas con éxito; así como utilizar a las fibras ópticas como sensores, entrando en medios corrosivos en donde la electricidad puede ser muy peligrosa. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 26 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Por otro lado, el avance en los láseres, dándoles mayor coherencia (logrando pulsos con un ancho de 0.5 nm1.), les ha permitido ser utilizados para realizar cortes exactos, en aplicaciones médicas como operaciones oftalmológicas, instrumentos para cauterizar heridas en caso de personas hemofílicas, terapias como la acupuntura láser o la cromoterapia. Además, los avances en láseres de alta potencia que usan carbono permiten una gran precisión en los cortes en diferentes materiales, ya que el corte no es por desvaste sino por evaporación. Otro de los aspectos del desarrollo tecnológico en los láseres, es la gama de infrarrojos y ultravioleta, que impacta en la calidad de la señal, permitiendo realizar alineaciones en el orden de los milímetros, micras y medidas superiores a éstas, y la simulación del universo. Además, los avances en la miniaturización, nano-tecnología, nano-partículas y nano-óptica ha impulsado el desarrollo en la utilización de las ondas acústicas en materiales sólidos (plasmones), generando nuevas aplicaciones en la medicina. El uso de las nanopartículas ha permitido reemplazar nervio dañado por un canal o camino de estas nanopartículas que pueden ser excitadas con plasmones y han permitido transmitir señales haciendo reaccionar al nervio bueno y logrando realizar movimientos que hasta el momento eran imposibles. Además, la construcción de dispositivos a escala nanométrica ha permitido realizar procesos de conmutación óptica y no eléctrica, estos dispositivos se llaman MOEMS2 Al mismo tiempo los avances en la holografía permiten avances en seguridad, al generar características únicas en el elemento óptico. 2.1.3 Comportamientos Tecnológicos Dentro de los elementos que caracterizan el desarrollo de la megatendencia de sistemas ópticos se encuentra: el diseño de redes ópticas de mayor ancho de banda y grandes distancia de transmisión; las aplicaciones de estos sistemas en medicina y en equipos médicos; el desarrollo de sistemas de visión para vigilancia, exploración y seguridad; la mejora de los MOEMS2 para el diseño de equipos de telecomunicaciones más flexibles y veloces que ayuden a la conmutación óptica; y el desarrollo de redes de fibra óptica para seguridad aérea, terrestre y submarina. Por otro lado, algunas de las tendencias que caracterizarán los temas relacionados con la óptica en el 2010-2015 de acuerdo al Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (opti): Tabla 2.1 Tendencias Tendencias Temas relacionados Productos y aplicaciones biomédicas avanzadas Monitorización de cuerpo humano Microinstrumentación para cirugía mínimamente invasiva 1) Nanómetro 2) Micro-optical-electro-mechanical systems LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS 27 Tendencias Temas relacionados Producción masiva a bajo costo Módulos multi-chip Producción seriada Monitorización y control del medio ambiente Microsistemas en aparatos de control del medio ambiente Aplicaciones inteligentes Productos inteligentes Sensing layers Almacenamiento y transferencia de datos MOEMS en fibra óptica Sistemas de almacenamiento de mayor capacidad Dispositivos móviles Disminución del peso y volumen de los dispositivos móviles Fuente: Elaboración propia. Entre los elementos que evidencian el impacto de la megatendencia en la sociedad, dado por la oferta tecnológica, se observa que los consumidores exigen redes ópticas de mayor ancho de banda y mayor distancia de transmisión. Existe además un crecimiento en la demanda de aplicaciones ópticas en medicina y en equipos médicos. De la misma forma, las empresas y centros públicos demandan mejores sistemas de visión para vigilancia, exploración, seguridad. También se están mejorando algunos dispositivos como los MOEMS (sistemas micro- electro- opto- mecánicos) para fabricar equipos de telecomunicaciones más flexibles y veloces que ayuden a la conmutación óptica, los centros de transporte público y de materiales exigen el desarrollo de redes de fibra óptica para seguridad aérea, terrestre y submarina más especializadas, existe el interés del público en el desarrollo de computadoras ópticas y la biométrica óptica es aplicada en la seguridad de equipo, documentos oficiales y en transacciones financieras. 2.2 Temas de investigación En la revisión bibliográfica de las principales líneas de investigación dirigidas por los Centros de Investigación de las universidades de mayor prestigio en Estados Unidos, América Latina, Europa y Asia encontramos los siguientes temas: Tabla 2.2 Temas de Investigación Diseño genético de fibras microestructuradas Solitones: trasmisión de señales ópticas mediante pulsos de luz Arquitectura de redes de comunicación mediante sistemas ópticos Fibra óptica microestructurada con polímeros (mpof) Sistemas fotónicos no-lineales Fibra fotónica cristalina de silica y nanofotónica Sensores ópticos aplicados al medio ambiente y medicina Estudios de plasmones en nanopartículas metálicas Retinas electrónicas LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 28 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Telescopio Interferométrico Materiales ópticos para espacio Circuitos ópticos integrados y micro-nano estructuras Nanotecnología en sensores Memorias y regeneradores ópticas Formatos de modulación del alta eficiencia espectral Sistema ultrarrápido de monitoreo de redes multicanal para redes transparentes Seguridad y confiabilidad en redes transparentes Redes ópticas de acceso y para señales de radio sobre fibra Arquitectura de cross-conectores y enrutadores ópticos y switches Métodos no invasivos para tratar desórdenes espinales Fuente: Elaboración propia. En México existen centros de investigación que se han enfocado durante varios años en el desarrollo de este campo, como son: El Instituto de Astronomía de la UNAM; el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (inaoe); el Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada (cicese); el Centro de Investigación Óptica A.C. (cio); Centro de Electrónica y Telecomunicaciones (itesm campus Monterrey) y El Centro de Óptica (itesm campus Monterrey), entre otros. En empresas líderes en el ramo los proyectos en el área de los sistemas ópticos son: Tabla 2.3 Proyectos en el área de sistemas ópticos Componentes de alta velocidad de semiconductores electrónicos (investigaciones para explorar el límite superior de los nuevos dispositivos electrónicos) Radios Cognitivos Inteligentes (ICR siglás en inglés) que utilizan sistemas híbridos de eficiencia energética Redes de IP de siguiente generación (IRIS) Nuevas arquitecturas para aumentar la capacidad de las redes de comunicación Quantum Integración de estructuras ópticas micro-mecánicas de control electrónico lógico Redes ultra largas Haul Mesh Monitoreo de rendimiento óptico Fibras de amplificadores paramétricos Ruteo de datos ópticos basado en técnicas de lógica fotónica Procesadores integrados de señales optoelectrónicas, a través de un modulador fotónico de vectores Chips integrados con silicón Fuente: Elaboración propia. 2.3 Tecnologías existentes Las tecnologías existentes que impulsan el desarrollo de la megatendencia, para la optimización en la transmisión de datos, así como para el aumento y mejora de los productos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS 29 existentes en las áreas de aplicación, se agrupan en dos categorías: la primera son los haces de luz y medios de transmisión (láseres, sensores y emisores) y la segunda son los decodificadores de las señales ópticas. Tabla 2.4 Haces de luz y medios de transmisión Haces de luz y medios de transmisión Redes de difracción sobre fibra óptica Barrido láser Diodos de emisión de luz orgánica (oled) División de longitud de onda Fases de arreglos multiantenas Fibra de vidrio, filamentos plásticos y dispersión desplazada Filtros óptico-reflectivos Láseres de CO2, gas, materiales activos, infrarrojos, fibra óptica, tres puntos, inyección, alta y baja potencia Lentes esferocilíndricas Luz polarizada elíptica Materiales ópticos de interacción orgánica y para lentes Modulación de frecuencia óptica Recubrimientos antirreflejantes Refracción infrarroja Semiconductores Sensores de fibra óptica, láser, ópticos y multi-gigabyte Técnicas de caracterización experimental de amplificadores Técnicas ópticas no lineales Tecnologías de atenuación y dispersión Tecnologías de sistemas guiados Fuente: Elaboración propia. Tabla 2.5 Decodificadores Decodificadores Técnicas de inversión espectral Análisis multiespectral, corrección geométrica, fotogrametría Antenas ópticas que superan el límite de difracción actual Cámaras térmicas de infrarrojos ccd (dispositivos de carga acoplada) Conjugadores ópticos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 30 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Decodificadores Diseño de estabilización acelerada Enlaces óptico-atmosféricos Espejos líquidos o sólidos Fotodetectores de alta velocidad Frecuencia de suma Iluminación estructurada (3d-sim) Imágenes hiperespectrales y moleculares Interferometría holográfica y holografías Medición por haz de luz Redes ópticas pasivas (pon) Tecnologías para metrología óptica Fuente: Elaboración propia. 2.4 Tecnologías emergentes Las tecnologías emergentes, se definen como innovaciones científicas que pueden crear una nueva industria o transformar una existente. Incluyen tecnologías discontinuas derivadas de innovaciones radicales, así como tecnologías más evolucionadas formadas a raíz de la convergencia de ramas de investigación antes separadas. Cada una de estas tecnologías ofrece una rica gama de retos y oportunidades de mercado y retos a un futuro que proporcionan el incentivo para realizar inversiones de riesgo. Algunas tecnologías emergentes que impulsan la megatendencia son: Tabla 2.6 Tecnologías emergentes que impulsa las megatendencias Biosensores ópticos Diodos de bombeo de estado sólido (dpss) y diodos transparente de emisión de luz orgánica (toled) Reflectometría óptica de baja coherencia Láseres de silicio híbrido Proyección de franjas cohesión (lebs) y espectroscopía elástica de luz dispersa de cuatro dimensiones (4d-elf) Puntos cuánticos (quantum dots) Opto-electro-mecánica Óptica de no contacto Interferometría backscatter (bsi) Fibra ax (fttx) LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS 31 Espectroscopía retrodispersa mejorada de baja Plasmones Fuente: Elaboración propia. 2.5 Productos y Servicios 2.5.1 Lista de productos y servicios Algunos de los productos y servicios más relevantes para esta megatendencia se generaron en el campo de la electrónica y computación, telecomunicaciones, procesos comerciales e industriales, medicina, optometría, fotografía y procesamiento de imágenes y en pantallas y dispositivos de iluminación. A continuación se presentan dichos productos y servicios clasificados por su área de aplicación. Tabla 2.7 Electrónica y Computación Electrónica y Computación Computadoras ópticas dvd con capacidad de almacenamiento masivo (mayor a 1tb) Micro-componentes ópticos Transistores Dispositivos optoelectrónicos Componentes fotónicos integrados Controles ópticos inalámbricos en entretenimiento Fuente: Elaboración propia. Tabla 2.8 Telecomunicaciones Telecomunicaciones Amplificadores ópticos dopados con erbio Televisión digital Amplificadores y láseres de fibra óptica o guía óptica integrada Instrumentos de conmutación óptica a través de moems (sistemas micro opto electro mecánicos). Embudos fotónicos Técnicas de caracterización experimental de fibras Sistemas multiplex ópticos Cables para trenzado de fibra óptica, cables coaxiales de fibra óptica y fibras ópticas de cristal LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 32 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Telecomunicaciones Compensadores de dispersión Servicios de instalación y mantenimiento de redes ópticas de gran ancho de banda como fibra a la casa, fibra al edificio y redes metropolitanas Soluciones de acceso óptico a redes Equipos de comunicación y redes para sistemas multi-gigabyte Fibra óptica para envío y recepción de señales, y transmisión de datos por Internet Fuente: Elaboración propia. Tabla 2.9 Procesos Comerciales e Industriales Procesos Comerciales e Industriales Modelos teóricos para optimizar el diseño de láseres Servicios de entrenamiento para uso, mantenimiento y manejo de láseres Sistemas de seguridad en contra de la falsificación de billetes Sistemas de ayuda al conductor en condiciones de baja visibilidad Satélites, aviones y misiles teledirigidos Láseres de: carbono para aplicaciones industriales (corte, soldadura, plaqueado, endurecimiento), de diodos, de alta potencia para aplicaciones industriales (calentar, fundir, detectar defectos, tensiones residuales y evaluar propiedades mecánicas). Detectores de grietas en deposiciones realizadas sobre metales con láser de potencia; y de corrosión. Estudios comparativos del comportamiento térmico-dinámico de equipos auxiliares de iluminación Filtros dicroicos Lentes esféricos, y prismáticos. Fibroscopios Servicios de elaboración de medidas geodésicas Sensores interferométricos para la determinación de vibraciones y desplazamientos en rangos micro y submicrométricos; de láseres para control de niveles; y ópticos de proximidad y movimiento Servicios de caracterización del comportamiento mecánico y térmico de sólidos y fluidos Fuente: Elaboración propia. Tabla 2.10 Medicina Medicina Instrumentos de: neutralización y extirpación de células cancerígenas; para cauterización; y cortar tejido. Detectores ópticos de tumores; y de cáncer de páncreas en etapas tempranas. Diagnóstico de infección de hepatitis g Microscopios 3d, cars (Coherent Anti-strokes Raman Scattering). LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS 33 Medicina Dispositivos portátiles de endoscopía Tomógrafos de óptica coherente y tomógrafías computarizadas de retina Cápsulas endoscópicas Lámparas de hendidura para aplicaciones oftalmológicas Cirugías para corrección de miopía, hipermetropía y astigmatismo Tratamientos correctivos de las cataratas Monitores de la interacción de medicamentos experimentales en el cuerpo humano Lentes bifocales, de contacto, y intraoculares, Biosensores para la detección de: agentes contaminantes en ataques químicos o bacteriológicos; enfermedades infecciosas como hepatitis o sida y de sustancias nocivas como la salmonella Depilación estética y dermoabrasión Fuente: Elaboración propia. Tabla 2.11 Optometría Optometría Lensómetros Optómetros Inclinómetros ópticos Servicios de cálculo de medición de la distancia entre la tierra y los astros, y de medición de la velocidad de la luz Telescopios reflectores, refractores y catadióptricos Queratómetros Refractómetros Medidores ópticos de superficies Detectores de: contaminación atmosférica, movimientos de la corteza terrestre Fuente: Elaboración propia. Tabla 2.12 Fotografía y Procesamiento de Imágenes Fotografía y Procesamiento de Imágenes Sistemas de meteorológicos ópticos Servicios de análisis epidemiológico satelital en la agricultura Cámaras digitales ccd Modeladores digitales de elevación Clasificadores de imágenes satelitales (gis & wis) Mosaicos digitales Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 34 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Tabla 2.13 Pantallas y Dispositivos de Iluminación Pantallas y Dispositivos de Iluminación Pantallas: transparentes, de televisión y de dispositivos portátiles (laptops, celulares, pda’s y lentes ). Dispositivos: de iluminación de muy alta definición (qd-led)T Micropantallas digitales de alta resolución (lentes traductores de señales acústicas para personas con sordera) Fuente: Elaboración propia. 2.5.2 Proyectos de Inversión Los proyectos que a continuación se presentan, son proyectos relacionados con los sistemas ópticos y se encuentran en la lista de proyectos que ya tienen una fuente de financiamiento definida de acuerdo a la información generada por PricewaterhouseCoopers y la Asociación Nacional de Capital de Riesgo (National Venture Capital Association) en Estados Unidos para el año 2007: Inversión en el diseño de: • Pantallas con tecnología óptica para usarse en dispositivos portátiles como palm, blackberry y handheld; • Redes ópticas de mayor ancho de banda y mayor velocidad de transmisión; • Software para proveedores de telecomunicaciones; • Sistemas de apoyo en conmutación óptica; • Componentes basados en fibra de vidrio, para aplicaciones médicas por ejemplo a través de nanopartículas y plasmones en el diagnósticos y tratamiento de enfermedades en la espina dorsal; • Componentes fotónicos; • Sistemas de visión para vigilancia, exploración y seguridad; • Láseres para instrumentos quirúrgicos, laparosópicos y de cirugías oculares; • Sistemas de imagenología médica hiperespectral; • Holografías; • Configuraciones ópticas que pueden ser aplicadas a “grating” y “slit”; • De diódos de emisión de luz (led) en la industria automotriz; • Enlaces óptico-atmosféricos entre una estación aérea y otra terrestre, para servicios de vigilancia contra incendios, globos dirigibles que supervisen una zona determinada y manden información a través de un enlace óptico a una estación terrestre. El siguiente paso será a largar distancias de 2 a 20 kilómetros; dispositivos orgánicos, que le permite asimilar los nuevos retos: pantallas flexibles, biosensores, aprovechamiento de nuevos materiales de síntesis orgánica y nano-aplicaciones orgánicas. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS 35 2.6 Taxonomía Una manera muy útil de poder identificar los elementos que componen una megatendencia es a través de la siguiente taxonomía. Esta taxonomía interrelaciona las áreas en que se aplica la megatendencia con las tecnologías y los productos y servicios resultantes de la aplicación de estas tecnologías. De esta manera la taxonomía nos ayuda a mapear el desarrollo de la megatendencia y su relación con productos y servicios existentes que están en proceso de consolidación. Tabla 2.14 Taxonomía Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Tecnologías Fotónica Computación y almacenamiento óptico Refracción infrarroja Antena óptica que supera el límite de difracción actual Láser infrarrojo Sensor óptico Electrónica y computación Equipo electrónico óptico Productos y servicios Computadoras ópticas dvd con capacidad de almacenamiento masivo (mayor a1tb) Micro-componentes ópticos Antena óptica Controles ópticos inalámbricos en entretenimiento Fotodetector de alta velocidad Transistores Espejo líquido Dispositivos optoelectrónicos Reflectometría óptica de baja coherencia. láser de silicio híbrido Componentes fotónicos integrados Láser de fibra óptica Amplificadores y láseres de fibra óptica o guía óptica integrada Refracción infrarroja Embudos fotónicos División de longitud de onda Telecomunicaciones Amplificación y modificación de señal Fases de arreglos multiantenas Técnicas de caracterización experimental de amplificadores Fibras de dispersión desplazada Redes de difracción sobre fibra óptica Sistemas multiplex ópticos Amplificadores ópticos dopados con erbio Compensadores de dispersión LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 36 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Modulación de frecuencia óptica Amplificación y modificación de señal Técnica de inversión espectral Compensadores de dispersión Construcción del conjugador óptico Red óptica pasiva (pon) Fibra ax (fttx) Tecnología de atenuación Tecnología de dispersión Fibra óptica para envío y recepción de señales Triple play Televisión digital Triple play Fibra óptica para transmisión de datos por internet Opto-electro-mecanica Instrumentos de conmutación óptica a través de moems (sistemas micro opto electro mecánicos) Fibra de vidrio Técnicas de caracterización experimental de fibras Telecomunicaciones Envío y recepción de datos Soluciones de acceso óptico a redes Fibra de vidrio Filamentos plásticos Cables para trenzado de fibra óptica, cables coaxiales de fibra óptica y fibras ópticas de cristal Sistemas multi-gigabyte Servicio de instalación y mantenimiento de redes ópticas de gran ancho de banda como fibra a la casa, fibra al edificio y redes metropolitanas Sistemas multi-gigabyte Equipos de comunicación y redes para sistemas multigigabyte Modelos teóricos para optimizar el diseño de láseres Educación Capacitación Láser comercial Holografía Procesos comerciales e industriales Servicios de entrenamiento para uso, mantenimiento y manejo de láseres Sistemas de seguridad en contra de la falsificación de billetes LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Tecnología para metrología óptica Caracterización del comportamiento mecánico y térmico de sólidos y fluidos Medición por haz de luz Elaboración de medidas geodésicas Cámara térmica de infrarrojos Sistemas de ayuda al conductor en condiciones de baja visibilidad Tecnología de sistemas guiados Satélites, aviones y misiles teledirigidos Láser co2 Láseres de carbono para aplicaciones industriales (corte, soldadura, plaqueado, endurecimiento) Láser de alta potencia Láseres de alta potencia para aplicaciones industriales (calentar, fundir, detectar defectos, tensiones residuales y evaluar propiedades mecánicas) Láser comercial Láser de inyección Procesos comerciales e industriales Láser industrial Lentes y filtros industriales Sensores ópticos industriales 37 Semiconductores Láseres de diodos Interferometría holográfica Detección de grietas en deposiciones realizadas sobre metales con láser de potencia Interferometría holográfica Estudios comparativos del comportamiento térmico-dinámico de partes de núcleos debalastos para equipos auxiliares de iluminación cortados con prensa de corte rápido o láser de potencia Espectroscopía óptica Detectores de corrosión Filtros óptico-reflectivos filtros dicroicos Tratamientos hidrofóbicos lentes esféricos Lentes de policarbonatos lentes prismáticos Fibra óptica Fibroscopios Sensores de fibra óptica Sensores interferométricos para determinación de vibraciones y desplazamientos en rangos micro y sub-micrométrico LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 38 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Procesos comerciales Sensores ópticos e industriales industriales Cirugías con instrumentos ópticos Diagnóstico de enfermedades Medicina Tecnologías Productos y servicios Sensores de láser Sensores láseres para control de niveles Sensores ópticos Cámaras térmicas de infrarrojos Láseres de baja potencia Instrumentos de neutralización y extirpación de células cancerígenas Láseres de baja potencia Instrumentos para cortar tejido Láseres de baja potencia Instrumentos para cauterización Plasmones Detectores ópticos de tumores Espectroscopía de plasmones Instrumentos de diagnóstico de infección de hepatitis g Espectroscopía elástica de luz dispersa de cuatro dimensiones (4d-elf) Detección temprana de cáncer de páncreas Espectroscopía retrodispersa mejorada de baja cohesión (lebs) Detección temprana de cáncer de páncreas Frecuencias de suma Microscopios cars (coherent anti-strokes raman scattering) Técnicas ópticas no lineales Microscopios cars (coherent anti-strokes raman scattering) Comunicación óptica Dispositivos portátiles de endoscopía Barrido láser Tomógrafos de óptica coherente Comunicación óptica Cápsulas endoscópicas Imágenes moleculares Herramientas para visualizar la interacción de medicamentos experimentales en el cuerpo humano Iluminación estructurada (3d-sim) Microscopios 3d Tecnologías de estado sólido de bombeo de diodo (dpss) Lámparas de hendidura para aplicaciones oftalmológicas Imagenología médica Oftalmología Sensores ópticos de proximidad y movimiento LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Oftalmología Medicina Tratamiento dermatológico Biosensores Instrumento de medición oftalmológico Instrumento de medición para laboratorio Optometría Instrumento de medición para construcción e ingeniería civil Medición astronómica 39 Tecnologías Productos y servicios Barrido láser Tomógrafo para análisis computarizado de retina Láser de gas (excimer) Cirugías para corrección de miopía, hipermetropía y astigmatismo Interferometría backscatter (bsi) Tratamientos correctivo de las cataratas Materiales ópticos de interacción orgánica Lentes intraoculares Recubrimientos antirreflejantes Lentes bifocales Diseño de estabilización acelerada Lentes de contacto Láseres de material activo Depilación estética y dermoabrasión Biosensores ópticos Biosensores para la detección de agentes contaminantes en ataques químicos o bacteriológicos Biosensores ópticos Biosensores para la detección de enfermedades infecciosas como hepatitis o sida Biosensores ópticos Biosensores para la detección de sustancias nocivas como la salmonella Láseres de 3 puntos Lensómetros Reflexión de la luz Queratómetros Reflexión de la luz Optómetros Reflexión de la luz Refractómetros Óptica de no contacto Inclinómetros ópticos Proyección de franjas Medidores ópticos de superficies Tecnologías para el conocimiento de los cambios terrestres y atmosféricos Medición de la distancia entre la tierra y los astros Tecnologías para el conocimiento de los cambios terrestres y atmosféricos Medición de la velocidad de la luz Tecnologías para el conocimiento de los cambios terrestres y atmosféricos Detección de movimientos de la corteza terrestre LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 40 CAPÍTULO 2: SISTEMAS ÓPTICOS Áreas de aplicación Áreas de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Análisis para la toma de decisiones Tecnologías para el conocimiento de los cambios terrestres y atmosféricos Detección de contaminación atmosférica Espejos sólidos o con aleación de materiales líquidos Telescopios catadióptricos Espejos sólidos o con aleación de materiales líquidos Telescopio reflector Espejos sólidos o con aleación de materiales líquidos Telescopio refractor Enlaces óptico-atmosféricos Sistemas meteorológicos ópticos Imágenes hiperespectrales Servicios de ánalisis epidemiológico satelital en la agricultura Dispositivo de carga acoplada (ccd) Cámaras digitales ccd Análisis multiespectral, corrección geométrica, fotogrametría Herramientas de clasificación de imágenes satelitales (gis & wis) Análisis multiespectral, corrección geométrica, fotogrametría Herramientas elaboración de modelos digitales de elevación Análisis multiespectral, corrección geométrica, fotogrametría Mosaicos digitales Luz polarizada elíptica Pantallas para dispositivos portátiles (laptops, celulares, pda’s y lentes ) Fotónica Micropantallas digital de alta resolución (lentes traductores de señales acústicas para personas con sordera) Diodo transparente de emisión de luz orgánica (toled ) Pantallas transparentes Diodo de emisión de luz orgánica (oled) Pantallas de televisión Puntos cuánticos (quantum dots) Dispositivos de iluminación de muy alta definición (qd-led) Optometría Lentes de uso astronómico Análisis para la toma de decisiones Fotografía digital Fotografía y procesamiento de imágenes Geodesia Pantallas y dispositivos de iluminación Displays ópticos Iluminación de baja energía Fuente: Elaboración propia. 3 Biotecnología agrícola Horacio Cardiel Gerardo Montejano 3.1 Descripción 3.1.1 Definición La biotecnología es una ciencia multidisciplinaria que utiliza organismos vivos y/o sus componentes y/o metabolitos para desarrollar o modificar productos alimenticios, químicos y farmacológicos para mejorar su utilidad y aplicabilidad; mejorar plantas y animales para incrementar su resistencia a factores adversos o aumentar su rendimiento y productividad; desarrollar métodos de biorremediación ambiental; o desarrollar microorganismos para usos específicos. Su objetivo es el desarrollo de bienes y servicios de amplia utilidad. 3.1.2 Detonadores Aunque la biotecnología ha existido desde tiempos remotos y muchos de sus principios y técnicas se remontan a los inicios de la historia registrada, se puede considerar que en los últimos veinte años es cuando surge la biotecnología moderna (como se le conoce en la actualidad) a raíz del desarrollo de técnicas de manipulación del adn y sus genes (adn recombinante) y la expansión de la ingeniería genética. Los siguientes cambios constituyen a su vez el motor que promueve y demanda avances de la biotecnología y otras áreas relacionadas; es decir, este conjunto representa la demanda para nuevos desarrollos por parte del sector científico: a) Estilo de vida actual y avances en la ingeniería de alimentos b) Demanda creciente de alimentos debido al crecimiento poblacional LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 44 CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA c) Avances en el conocimiento de la entomología y la genética de las plantas d) Aumento en las expectativas en la calidad de vida e) Cambios en ciclos climatológicos, aunados a una disminución de la superficie agrícola f) Cambios en estilos de vida, dietas y abusos de la medicina tradicional (mutaciones biológicas de micro-organismos patógenos). Avances en el entendimiento de la acción de los fármacos. g) Abuso en el uso de agentes químicos sintéticos con efectos tóxicos, nocivos a la persona y dañinos al medio ambiente. h) Avance en los métodos de extracción y purificación de sustancias químicas naturales con acciones específicas. i) Externalidades en los procesos productivos (producción no deseada de sustancias contaminantes el medio ambiente). j) Demanda creciente de alimentos de alto valor nutritivo. k) Desarrollo de tecnologías de producción en ambientes controlados. 3.1.3 Comportamientos tecnológicos Algunas de las áreas de la biotecnología moderna incluyen el empleo de proteínas y enzimas codificadas por los genes de diversos organismos vivos (proteómica), así como el uso de microorganismos en un amplio rango de aplicaciones tales como: producción de alimentos, procesamiento de los mismos, remediación de ambientes contaminados y manejo de desechos, mejora de suelos, cruza y producción animal, productos farmacéuticos y procedimientos médicos. Algunas de las evidencias del impacto que esta megatendencia tiene en la sociedad son las siguientes: el consumidor actual demanda alimentos que además de satisfacer sus necesidades y gustos básicos, le suministren componentes bioactivos con algún beneficio tangible. Tal es el caso de los alimentos “anticolesterolémicos” que reducen los niveles de colesterol presentes en el organismo. Por otro lado, en la producción agrícola, se observa en algunos sectores, una mayor aceptación de cultivos transgénicos como algodón y soya con el fin de incrementar la productividad y por ende, el volumen de producción. A este respecto, de acuerdo a información de la organización Tech Cast, Argentina es considerado el segundo productor de cultivos transgénicos del mundo, con más de 19 millones de hectáreas destinadas al cultivo de soya, maíz y algodón. (TechCast, 2008) En México, actualmente existe una moratoria para el cultivo de maíz transgénico; sin embargo el país ocupa el treceavo lugar mundial en la producción de algodón y soya transgénica. En el área de la salud, se observa el aumento en el número de mujeres que al dar a luz contratan el servicio de depósito del cordón umbilical -como fuente de células madre LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA 45 embrionarias- para tratar posibles enfermedades degenerativas en su hijo(a) tales como cáncer, diabetes o Parkinson en el futuro. En el ámbito industrial, se están remplazando sustancias químico-sintéticas por materiales biológicos amigables con el ser humano y el medio ambiente. Tal es el caso de colorantes, productos de belleza y cosméticos en general. Aunado a esto, se observa un aumento en la responsabilidad por parte de las empresas por cuidar el medio ambiente al utilizar tecnologías de bio-tratamiento de sus efluentes (uso de biodigestores por ejemplo). Por último, se conoce del empleo de tecnologías de biorremediación (usando microorganismos o plantas) para la recuperación de suelos y mantos acuíferos por parte de diversos organismos públicos en el mundo. 3.2 Temas de investigación En todas estas líneas se encuentra el involucramiento del sector científico, el sector público y el sector privado. El primero juega el papel de generador de nuevas ideas, aunque en muchos casos no existe una vinculación directa con los otros dos sectores resultando que muchos proyectos potencialmente exitosos queden en publicaciones y presentaciones científicas sin llegar a convertirse en productos comerciales. El sector privado se encuentra a la búsqueda de oportunidades de inversión por lo cual su principal papel sería el del financiamiento de estos desarrollos. No obstante, en muchas ocasiones se vuelve el promotor de una nueva idea posiblemente gracias a la necesidad de solucionar problemas específicos. Por ejemplo, se conoce en México de la existencia de varios alimentos funcionales a base de amaranto. Sin embargo, estos no se pueden comercializar masivamente debido a la carencia de las técnicas y equipos que permitan la mecanización de su cultivo y procesamiento. El sector público por su parte, dispone de recursos para apoyar la investigación científica y tecnológica buscando un usuario final del desarrollo obtenido. Además tiene la difícil tarea de emitir leyes acordes a los requerimientos de la población y los avances científicos. Algunas de las disciplinas del conocimiento más importantes de la biotecnología a nivel general son: Dentro de los temas de investigación que generan un mayor impacto en la evolución de la megatendencia se encuentran: Tabla 3.1 Disciplinas del conocimiento Bionanotecnología Nutrigenómica Farmacogenética Medicina genómica LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 46 CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Tabla 3.1 Disciplinas del conocimiento Bioenergética Proteómica Bio-remediación con microorganismos Optimización de bioprocesos y bioingeniería Fuente: Elaboración propia. Una de las mayores empresas en el área de biotecnología agrícola es Monsanto, ellos tienen definidas las siguientes áreas de investigación Tabla 3.2 Temas de investigación Agrobiotecnología Biotecnología alimenticia Genómica y proteómica Biocombustibles Bionanotecnología Química molecular Bio-remediación Microbiología Bioinformática Bioingeniería Fuente: Elaboración propia. 3.3 Tecnologías existentes Tabla 3.3 Áreas de Investigación Granos para cultivo Calidad de los granos Tolerancia al estrés del medioambiente Control de plagas Tolerancia a herbicidas Resistencia a enfermedades Resistencia a enfermedades Mejora de lípidos (por ejemplo en la composición de los ácidos grasos) LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA 47 Manejo y mejora de proteínas Compuestos bio-activos Fuente: Elaboración propia. Algunas de las tecnologías existentes relevantes para la megatendencia se refieren a las tecnologías para la manipulación genética, para la identificación de nuevos usos de microorganismos, para la modificación de las propiedades de alimentos y para el análisis y aplicación de las moléculas. Tabla 3.4 Áreas de Investigación Manipulación Genética Amplificación de adn in vitro por pcr (Polymerase Chain Reaction) Análisis comparativo genotípico Análisis de cariotipos y germoplasma Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.5 Microorganismos Microorganismos Caracterización bioquímica microbial y de macrófitos Identificación de nucleopoliedrovirus Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.6 Análisis y aplicación molecular Análisis y aplicación molecular Marcadores moleculares Tratamiento de biomasa Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.7 Modificación de las propiedades de alimentos Modificación de las propiedades de alimentos Agentes bioactivos Bacterias para la fermentación láctea Caracterización de la flora levaduriforme Conservación en papel gaceta Supresión o sobre-exposición de carbohidratos y de enzimas metabólicas Desnaturalización de enzimas Fermentación de biomasa Fortificación y liofilización LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 48 CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Tabla 3.7 Modificación de las propiedades de alimentos Modificación de las propiedades de alimentos Producción de lactobacilos bulgaricus Fuente: Elaboración propia. 3.4 Tecnologías emergentes El mercado biotecnológico en el sector de la salud se caracteriza por empresas muy especializadas en su ramo (productos) y por la falta de competencia ya que los desarrollos son de muy largo plazo y costosos y entonces los inversionistas buscan nichos muy exclusivos y se adhieren a desarrollos científicos y patentes que garanticen un retorno alto a su esfuerzos. En otros sectores como el alimentario, cosmético e industrial es factible aprovechar las tecnologías emergentes para hacer adaptaciones bio-activas al producto que son de mediano e inclusive corto plazo y que deben pasar la prueba de aceptación por parte del consumidor en los mercados para considerarse exitosas y promotoras de otros desarrollos. Dentro de las tecnologías emergentes se encuentran: Tabla 3.8 Tecnologías Emergentes adn recombinante Conteo cromosómico Análisis genético de células y de marcadores moleculares Genética molecular Hibridación de impresiones e introgresiva Introgresión génica Mejora en plantas recolectoras de minerales (Phytomining) Expresión heteróloga de hidrólisis de glycosil Fuente: Elaboración propia. 3.5 Productos y servicios 3.5.1 Lista de productos y servicios Algunos de los productos y servicios representativos se encuentran en las áreas de organismos genéticamente modificados (omg), biorremediación, educación, nutrigenómica, medicina y en biocombustibles. Ejemplos de ellos son los siguientes: LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA 49 Tabla 3.9 Organismos genéticamente modificados Organismos genéticamente modificados Semillas mejoradas genéticamente (resistentes a herbicidas, plagas y demás elementos patógenos), con tolerancia a la toxicidad del aluminio y seleccionadas genéticamente entre variedades de un cultivo Bioinsecticidas basados en la selección de cepas microbianas Aguacates resistentes al hongo phytophthora Henequén mejorado genéticamente para mayor resistencia de sus fibras Gusanos modificados genéticamente para lumbricultura Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.10 Biorremediación Biorremediación Servicio de remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos de cuerpos de agua contaminados Plantas que absorben metales pesados y elementos tóxicos del suelo Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.11 Educación Educación Cursos y campañas informativas sobre los productos biotecnológicos Fuente: Elaboración propia. Tabla 3.12 Nutrigenómica y medicina Nutrigenómica y medicina Alimentos con: prebióticos y probióticos naturales para la eliminación de antibióticos en producción pecuaria y con enzimas para ganado para aumentar su calidad nutricional Servicios de: nutrición personalizada, autenticación de fitofármacos, determinación de la pureza de fitofármacos y de detección de conservadores de origen vegetal Frutas listas para comerse o cortadas con periodos más largos antes de la descomposición Alimentos con contenido nutricional mejorado y que transportan medicamentos Medicamentos herbales Alimentos con péptidos con funciones anti-microbiales, inmunomoduladores, antitrombóticas, de transporte de minerales, para disminuir la presión sanguínea, para combatir la desnutrición severa y para combatir la obesidad Cepas de microorganismos seleccionadas para la fermentación en la industria cervecera, vinícola, de bebidas fermentadas y panificación Plantas de cempasúchil sobreproductoras de carotenos para uso como antioxidante y colorante vegetal Forrajes mejorados genéticamente Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 50 CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Tabla 3.13 Biocombustibles Biocombustibles Bioetanol, biodiesel y biomasa Fuente: Elaboración propia. 3.5.2 Proyectos de inversión Los avances en el conocimiento biotecnológico han permitido acortar los tiempos del lanzamiento de un producto a partir de su fase de investigación por lo cual en la actualidad se puede pensar en términos de inversión en el mediano y largo plazo, sin embargo el riesgo en ambos casos sigue presente. Se considera que ha habido cierto abuso de la mercadotecnia y publicidad de estos productos con promesas difícilmente comprobables. Esto ha originado la falta de credibilidad por parte del consumidor a pesar de que si existen cosméticos y productos alimenticios que efectivamente incorporan agentes bioactivos benéficos al ser humano. Por otro lado, la estabilidad económica y regulaciones de los países son un factor trascendente para que la iniciativa privada invierta en estos desarrollos que aunque riesgosos, pueden resultar en productos altamente lucrativos. La biotecnología moderna incluye diferentes áreas dentro de las cuales se están desarrollando proyectos que se consideran atractivos tanto social como económicamente y lógicamente prioritarios. No obstante, existen ciertos productos que podrían clasificarse dentro de dos o más áreas de la biotecnología. Ejemplo de esto es un alimento anticancerígeno que podría estar dentro del área de alimentos nutraceúticos pero a la vez forma parte del área de la salud. Es difícil priorizar los proyectos ya que sin duda aquellos que evitan la pérdida de vida o contribuyen a la mejora de su calidad han atraído más atención a nivel mundial. Por otro lado, el mercado de cosméticos y alimentos con agentes bio-activos está mostrando una expansión significativa. Las áreas más atractivas donde se localizan los fondos de inversión son: a) Pesticidas amigables con el medio ambiente/ agrobiotecnología b) Enzimología aplicada a la industria alimentaria/ biotecnología alimentaria c) Secuenciación de mapas genómicos en seres vivos/ Genómica d) Estudio de la expresión de genes específicos con fines terapeúticos, preventivos y alimentarios/ Proteómica e) Fármacos con acción específica y dirigida para la prevención y o tratamiento de la diabetes y el cáncer/ Biotecnología farmacéutica f) Análisis y diagnósticos moleculares para la prevención y tratamiento de enfermedades/ Biotecnología médica g) Desarrollo de combustibles derivados de materiales biológicos/ biocombustibles h) Desarrollo de compuestos antibacterianos naturales para combatir microorganismos patógenos resistentes a los fármacos tradicionales / Microbiología LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA 51 i) Desarrollo de agentes moleculares con propiedades específicas para el desarrollo de productos de consumo general amigables con el medio ambiente/ Química molecula j) Empleo de microorganismos cuyos metabolitos regeneran suelos para cultivo/ Bioremediación k) Diseño de herramientas computacionales para la secuenciación de mapas genómicos/ Bioinformática l) Nanosistemas para suministrar farmacéuticos específicos en órganos dañados/ Bionanotecnología 3.6 Taxonomía Tabla 3.14 Taxonomía Áreas de aplicación Organismos genéticamente modificados Áreas específicas de aplicación Insecticidas y fertilizantes Tecnologías Caracterización bioquímica microbial Identificación de nucleopoliedrovirus Productos y servicios Bioinsecticidas basados en la selección de cepas microbianas Henequén mejorado genéticamente para mayor resistencia de sus fibras adn recombinante Organismos genéticamente modificados Semillas con tolerancia a la toxicidad del aluminio Semillas modificadas genéticamente Hibridización introgresiva Análisis comparativo genotípico Análisis de cariotipos Biorremediación Semillas mejoradas genéticamente (resistentes a herbicidas, plagas y demás elementos patógenos) Semillas con tolerancia a la toxicidad del aluminio Semillas seleccionadas genéticamente entre variedades de un cultivo Análisis de germoplasma Aguacates resistentes al hongo phytophthora Tratamiento de suelo para uso agrícola adn recombinante Gusanos modificados genéticamente para lumbricultura Recuperación de cuerpos de agua Caracterización biológica de macrófitas Servicios de remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos de cuerpos de agua contaminados LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 52 CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Recuperación de suelos Plantas recolectoras de minerales (phytomining) Plantas que absorben metales pesados y elementos tóxicos del suelo Educación Métodos de enseñanza Promoción del área Técnicas de mercadotecnia Cursos y campañas informativas sobre los productos biotecnológicos Liofilización Conservación en papel gaceta Producción de lactobacilos bulgaricus Alimentos para consumo animal Desnaturalización de enzimas Fermentación en medio sólido Alimentos con prebióticos y probióticos naturales para la eliminación de antibióticos en producción pecuaria Alimentos con enzimas para ganado para aumentar su calidad nutricional adn recombinante Genética molecular Forrajes mejorado genéticamente Agentes bioactivos Alimentos con contenido nutricional mejorado Péptidos con funciones antimicrobiales Péptidos con funciones inmunomoduladoras Nutrigenómica y medicina Bacterias para la fermentación láctea Péptidos con funciones antitrombóticas Péptidos con funciones de transporte de minerales Alimentos para consumo humano Péptidos para disminuir la presión sanguínea Fortificación Agentes bioactivos Supresión o sobreexposición de carbohidratos de la pared celular Supresión o sobre-exposición de enzimas metabólicas de las membranas de fosfolípidos Alimentos pediátricos para combatir la desnutrición severa Alimentos para combatir la obesidad Alimentos que transportan medicamentos Frutas listas para comerse o cortadas con periodos más largos antes de la descomposición LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 3: BIOTECNOLOGÍA AGRÍCOLA Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Introgresión génica Plantas de cempasúchil sobreproductoras de carotenos para uso como antoxidante y colorante vegetal Marcadores moleculares amplificación de adn in vitro por pcr (polymerase chain reaction) Análisis de componentes de alimentos Nutrigenómica y medicina Microorganismos industriales 53 Marcadores moleculares amplificación de adn in vitro por pcr (polymerase chain reaction) Servicios de detección de conservadores de origen vegetal Análisis genético de marcadores moleculares Autenticación de fitofármacos Caracterización de la flora levaduriforme Cepas de microorganismos seleccionadas para la fermentación en la industria cervecera, vinícola, de bebidas fermentadas y panificación Análisis molecular Asesoría en nutrición Agentes bioactivos Servicios de nutrición personalizada Análisis de componentes de alimentos Análisis genético de marcadores moleculares Determinación de la pureza de fitofármacos Hibridación de impresiones Medicamentos Conteo cromosómico Medicamentos herbales Análisis citogenético Procesos bioenergéticos Biocombustibles Insumos para la producción de biocombustibles Fuente: Elaboración propia. Fermentación de biomasa Bioetanol Tratamiento de biomasa Biodiesel Expresión heterologa de hidrólisis de glycosil Biomasa Marcadores moleculares 4 Biotecnología médica Martha Alejandra Morgado Munguía 4.1 Descripción 4.1.1 Definición Tecnología basada en un enfoque multidisciplinario que involucra varias ciencias y disciplinas como biología, bioquímica, genética, virología y química, en convergencia con la nanotecnología, tecnología de la información y el escalamiento de procesos, entre otras, con meta en la predicción, prevención y tratamiento personalizado de enfermedades, a nivel celular y molecular. 4.1.2 Detonadores Desde los primeros experimentos de corte y empalme de genes, que dieron lugar al nacimiento de la industria de la biotecnología, se han conseguido adelantos impresionantes, con tres metas específicas: diagnóstico predictivo; intervenciones terapéuticas preventivas, y cuidado de la salud personalizado. Por otro lado, existen cambios científicos tecnológicos y sociales que conducen a la megatendencia en biotecnología médica. Estos pueden agruparse en conductores demográficos, científico-tecnológicos y sociales, que están impulsando los avances tecnológicos en el cuidado de la salud, tal como se muestra en la tabla 5.1 La medicina, con la característica de su eterno dinamismo, también está animada de un movimiento de cambio, como mecanismo para poder satisfacer las aspiraciones de salud de las grandes mayorías. Es evidente la transformación a partir del siglo xx, época en la cual la principal causa de muerte en casi todos los países cambió de diarreas e infecciones agudas en la infancia hacia enfermedades del corazón y cáncer LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 56 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA en edades más avanzadas de la vida. Mientras que en lo que va del siglo xxi, en México, el cáncer es la principal causa de muerte infantil, surgiendo la obesidad y la diabetes como problemas de gran impacto en toda la sociedad, aunadas a la problemática de resistencia a antibióticos y enfermedades del corazón. Tabla 4.1 Cambios científicos, tecnológicos y sociales que conducen a la megatendencia Conductores demográficos 1. Mayor esperanza de vida 2. Aumento de la proporción de personas mayores en la población 3. Disminución de las tasas de fecundidad y el retraso en la edad de reproducción Conductores científico tecnológicos Conductores de salud Tendencias de consumo 1. La mejora de las herramientas para la recopilación de datos 2. La mejora de los métodos de análisis de datos 3. Convergencia de las disciplinas de las ciencias 1. Aumento en la tasa de incidencia de cáncer y trastornos hereditarios 2. Enfermedades relacionadas con el envejecimiento (por ejemplo, la enfermedad de Alzheimer 3. Enfermedades infecciosas (por ejemplo, sida y sars) 4. Enfermedades por “estilo de vida” (por ejemplo la diabetes tipo 2 y la obesidad) 1. Libre diagnóstico y autocuidado 2. El aumento del mercado de medicamentos para mejorar estilo de vida y de autodiagnóstico Fuente: Elaboración propia. Por otro lado, en Latinoamérica y el Caribe, la población de adultos mayores está creciendo a una tasa anual de 3%, comparada con una tasa de crecimiento de la población anual de 1.9%. Además, la expectativa de vida al nacer se incrementará desde 51.2 años en el período 1950-1955 hasta 72.8 años en el período 2020-2025, lo que significa un incremento de 21.6 años. Esto es importante, ya que desde el punto de vista biológico, el envejecimiento es un proceso en el que a medida que avanza, aumentan gradualmente el riesgo de enfermarse y de tener dificultades funcionales. En marzo de 2004 algo más de la mitad de todos los recién nacidos tiene una madre mayor de 30 años. Esto se compara con cuatro de cada diez mujeres en 1994. Esta tendencia es coherente con las demás naciones desarrolladas. Esto genera riesgo de incapacidad o dificultad para concebir. Este es uno de los impulsores clave de la evolución técnica en el área de reproducción asistida. Todos estos eventos, han marcado prioridades y caminos en el área de la investigación y desarrollo de nuevos tratamientos médicos. 4.1.3 Comportamientos tecnológicos La biotecnología médica ha mejorado de manera radical los medios de diagnóstico. La reacción en cadena de la polimerasa, método para amplificar fragmentos minúsculos de adn, inicialmente descrita a mediados de los ochenta, ha sido decisiva para la invención de análisis de sangre que, entre otras cosas, permiten determinar rápidamente la exposición al virus de inmunodeficiencia humana (vih). La creación de anticuerpos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA 57 monoclonales en 1975 condujo a otra revolución médica similar. El cuerpo produce normalmente una gran variedad de anticuerpos -proteínas del sistema inmunitario - que atacan a los microorganismos y otros invasores extraños. Al fusionar células productoras de anticuerpos con células de mieloma, los científicos consiguieron generar anticuerpos que, cual “balas mágicas”, podían dirigirse a metas determinadas, incluidos marcadores singulares llamados antígenos, en la superficie de las células inflamatorias. Ejemplos iniciales incluyen los anticuerpos monoclonales capaces de impedir al sistema inmunitario rechazar trasplantes de órganos, y el tan renombrado Herceptin, aprobado para el tratamiento de cáncer de mama avanzado en 1988. Se han autorizado otros anticuerpos monoclonales para el tratamiento de la esclerosis múltiple y la artritis reumatoide, y actualmente se están usando con carácter experimental en pacientes, como posibles tratamientos del asma, la enfermedad de Crohn y la distrofia muscular. Marcados con radioisótopos u otros agentes de contraste, los anticuerpos monoclonales pueden ayudar a descubrir la ubicación de células cancerosas, lo que permite asegurar una mayor precisión en la cirugía y la terapia de radiación y mostrar, en un plazo de 48 horas, si un tumor está respondiendo a la quimioterapia. Las proteínas también pueden descargar una dosis letal de fármacos tóxicos en las células cancerosas, sin dañar los tejidos normales contiguos. La primera vacuna recombinante, aprobada en 1986, se obtuvo mediante la introducción de un fragmento de gen del virus de hepatitis B en levadura. El fragmento fue convertido por el mecanismo genético de la levadura a un antígeno, una proteína que se encuentra en la superficie del virus que estimula la respuesta inmunitaria. De esta forma se evitó la necesidad de extraer el antígeno del suero de la persona infectada con hepatitis B. Hoy existen más de 100 medicamentos y vacunas recombinantes. Debido a su eficacia, inocuidad y costo relativamente bajo, las pruebas de diagnóstico molecular y las vacunas recombinantes pueden ser de especial importancia en la lucha contra enfermedades tradicionales de los países en desarrollo, como la leishmaniasis (infección tropical que causa fiebre y lesiones) y la malaria. La secuencia del genoma humano, ha dado a los científicos una abundante “lista de partes”, con las que pueden entender mejor por qué y cómo se producen las enfermedades. Ha impulsado el estudio del perfil de la expresión genética, técnica para observar la expresión de miles de genes simultáneamente en una placa de cristal llamada micromatriz. Esta técnica permite predecir, en algunos casos, la agresividad del cáncer de mama. La capacidad de asignar riesgos y respuestas a las variaciones genéticas está impulsando el movimiento hacia la “medicina individualizada”. El objetivo no es más que la prevención, el diagnóstico temprano y una terapia más eficaz, mediante la prescrip- LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 58 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA ción de intervenciones que concuerdan con determinadas características genéticas del paciente. Dado que ahora expresan genes humanos, los animales “transgénicos” pueden estudiarse como modelos para el desarrollo de la diabetes, la arteriosclerosis y la enfermedad de Alzheimer. También pueden producir grandes cantidades de proteínas humanas con potencial terapéutico. Por ejemplo, actualmente se están llevando a cabo experimentos en pacientes con un trombolítico recombinante, expresado en la leche de cabras transgénicas. Otro campo que está adelantando rápidamente es el de la proteómica, que usa tecnologías como la espectrometría de masas para detectar marcadores biológicos proteínicos en la sangre que pueden indicar señales tempranas de enfermedades, incluso antes de que aparezcan los síntomas. Uno de estos marcadores es la proteína C reactiva, indicadora de cambios inflamatorios en las paredes de los vasos sanguíneos, que presagian arteriosclerosis. Los estudios de las células madre embrionarias humanas, dirigidos a reemplazar células dañadas por diabetes, cáncer o la enfermedad de Alzheimer, han provocado una acalorada polémica en los Estados Unidos, por el temor de que este tipo de investigación exige la destrucción de vida humana en potencia. No obstante, las investigaciones avanzan rápidamente en laboratorios financiados con fondos privados en Estados Unidos y en todo el mundo, encontrando nuevas fuentes para la purificación de dichas células. La biotecnología también está resolviendo el apremiante y creciente problema de la resistencia a los antibióticos. La nanomedicina es otro campo médico que está avanzando rápidamente. Los científicos están elaborando una gran variedad de nanopartículas y nanodispositivos, de apenas una millonésima de pulgada de diámetro, para mejorar la detección del cáncer, fortalecer las respuestas inmunitarias, reparar tejidos dañados y evitar la arteriosclerosis. A principios de este año, la fda de Estados Unidos aprobó una nanopartícula ligada al medicamento contra el cáncer Taxol, para el tratamiento del cáncer de mama avanzado. En Estados Unidos se está usando con carácter experimental otra nanopartícula en pacientes cardíacos, para mantener abiertas las arterias coronarias después de una operación de angioplastia. Con ayuda de la bioinformática - poderosos programas de computadora capaces de analizar miles de millones de datos de la secuencia del genoma - los científicos están descifrando los códigos genéticos de las bacterias y descubriendo “puntos débiles” vulnerables al ataque por componentes identificados por técnicas de análisis de alto rendimiento. Diversos organismos internacionales han identificado el enorme potencial de impacto de la tecnología relacionada al proceso biológico de envejecimiento, entre ellas el Consejo de Inteligencia Nacional (National Intelligence Council, nci) de Estados Unidos. Para ellos los efectos de este desarrollo tecnológico se reflejarán en nuevas formas de LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA 59 tratamiento, reducción de costos de los productos y servcios, así como la expansión de los recursos para el cuidado de la salud (nic, 2008). En este setido será importante, a nivel social, el impacto que tienen estos avances tecnológicos en las estructuras demográficas –al aumentar la esperanza de vida- y en los patrones de actividades –y consumo- de personas sanas de edad avanzada. 4.2 Temas de investigación Los temas de investigación de mayor impacto para la megatendencia son: Tabla 4.2 Temas de investigación Análisis de la genómica poblacional Estudio de las enfermedades degenerativas (como diabetes o cáncer) Aplicaciones de la protobolómica (para el tratamiento de la obesidad por ejemplo) Enfermedades cardiovasculares, hereditarias e infecciosas Biotecnología médica y farmacéutica Vacunas Investigación, desarrollo y optimización de fármacos Fuente: Elaboración propia. 4.3 Tecnologías existentes Las tecnologías existentes en la biotecnología médica se refieren a las herramientas de cómputo, para la obtención y manejo de la información genética, y el análisis y uso de las moléculas y proteínas. Tabla 4.3 Herramientas de cómputo Herramientas de cómputo Manejo de bases de datos (árboles de decisión, sistemas expertos, redes neurales, análisis de agrupamiento (clustering), algoritmos genéticos y de inteligencia artificial teórica y reducción de dimensionalidad multifactorial) Métodos de modelación estadística (Montecarlo, ocultos de Markov y bayesianos) Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 60 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Tabla 4.4 Análisis y manejo de la información genética Análisis y manejo de la información genética Amplificación de adn para screening a través de la reacción en cadena de polimerasa (pcr) Arreglos y screening de polimorfismos de nucleótidos simples (snp) Análisis serial de expresión génica (sage) Establecimiento de perfiles genéticos Ingeniería genética Herramienta de búsqueda de alineación de adn local básica (blast) Secuenciación de adn (por ejemplo por hibridación o por shotgun) Vectores adenovirales, virales y no virales Relación entre genotipo y fenotipo Terapia génica Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.5 Análisis y uso de moléculas y proteínas Análisis y uso de moléculas y proteínas Espectrometría de masas por ejemplo a través de la identificación por huella peptídica Destrucción del neurotransmisor de células colinérgicas Caracterización de marcadores biológicos Antígenos (generadores de anticuerpos) Dianas terapéuticas Chips de proteínas Análisis de mutaciones de receptores de superficie y oncogenes Bioluminiscencia de ATP (adenosín trifosfato) Producción de distrofina y cardiotoxina Degradación de Edman Reparación molecular Modelos animales Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.6 Ingeniería de materiales Ingeniería de materiales Biopolímeros absorbibles Manejo de biorreactores Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA 61 4.4 Tecnologías emergentes Dentro de las tecnologías emergentes en la megatendencia se encuentran: Tabla 4.7 Como herramientas de cómputo Como herramientas de cómputo La computación distribuida (grid computing) Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.8 Ingeniería de materiales Ingeniería de materiales Células modificadas genéticamente El cultivo de células madre Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.9 Análisis y manejo de la información genética Análisis y manejo de la información genética adn recombinante Administración ex-vivo Análisis de oligonucleótidos Secuenciación de cadn marcado (est) Diagnóstico genético pre-implantación (pgd) Vacunas de adn Clonación genética Cromosomas humanos artificiales Pruebas de tramo de cadena de adn (badn) Fertilización in vitro (fiv) e inyección intra-citoplásmatica de espermatozoides (icsi) Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.10 Análisis y uso de moléculas y proteínas Análisis y uso de moléculas y proteínas Técnicas para la predicción de la estructura de proteínas (casp y capri) Selección de estructura complejas Proteínas quinasas reguladas por mitógeno (mek) Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 62 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA 4.5 Productos y servicios 4.5.1 Lista de productos y servicios Algunos de los productos y servicios impulsados por el desarrollo tecnológico de la megatendencia se encuentran en el área de bioinformática, tratamientos médicos personalizados, perfiles genéticos y prevención de enfermedades, y reproducción asistida. Algunos de ellos son: Tabla 4.11 Bioinformática Bioinformática Software para la predicción de la estructura de las proteínas, simulación de la interacción proteína-proteína para la proteómica y el modelado de la expresión de proteínas Software para análisis y modelación de mutaciones celulares para detección temprana de cáncer Software para anotación y comparación de genomas Software de análisis de secuencias genéticas, modelado de sistemas biológicos y análisis automatizado de la regulación génica de un organismo Software para manejo y análisis de imágenes de alto rendimiento Bases de datos compartidas de secuencias genéticas Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.12 Tratamientos médicos personalizados Tratamientos médicos personalizados Dispositivos médicos implantables en el cuerpo como mallas quirúrgicas, películas anti-adherentes, películas hemostáticas, dispositivos intra-cardiacos, stents absorbibles, ligamentos y dispositivos para la reparación de tendones, agentes de embolización y sistemas de administración de fármacos Proteínas que transportan fármacos letales para células cancerosas exclusivamente Terapia de reparación de tejidos dañados y contra el Alzheimer Tratamiento molecular de diabetes y de artritis reumatoide Biochips de transporte de información genética Anticuerpos monoclonales para evitar rechazo en trasplante de órganos, y para tratamiento del asma, la enfermedad de crohn y la distrofia muscular Tratamiento de hemofilia, fibrosis quística y enfermedad de Huntington Fármacos adaptados a la condición genética de un individuo Tratamientos contra la vejez y la degeneración muscular Supresores genéticos de tumores Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA 63 Tabla 4.13 Perfiles genéticos y prevención de enfermedades Perfiles genéticos y prevención de enfermedades Anticuerpos monoclonales con agentes de contraste para marcar células Servicios de caracterización e identificación de proteínas Identificadores de agentes patógenos Proteínas para la detección temprana de arterioesclerosis Vacuna contra la malaria y ataques biológicos Vacunas comestibles Fuente: Elaboración propia. Tabla 4.14 Reproducción asistida Reproducción asistida Selección genética de embriones para reproducción asistida Bebés diseñados genéticamente Tratamientos de fertilidad Fuente: Elaboración propia. 4.5.2 Proyectos de inversión Tabla 4.15 Principales proyectos de capital de inversión en biotecnología médica en Estados Unidos durante 2007, según los reportes de Money Tree Proyecto de inversión Forma de impacto Biopolímero absorbible para uso médico $9.7 millones de dólares • Las principales empresas de dispositivos médicos se encuentran actualmente trabajando con Tepha, creadora de un biopolímero absorbible, para aplicar la nueva tecnología en el desarrollo de otros dispositivos médicos, que aprovechen las propiedades de flexibilidad y resistencia, junto con la capacidad de formar algunas de las más fuerte fibras absorbibles del mundo. • Entre los productos en curso de elaboración con este biopolímero están las mallas quirúrgicas, películas anti-adherentes, hemostáticos, dispositivos intra-cardíacos, stents absorbibles, ligamentos y dispositivos para la reparación del tendón, agentes de la embolización, y sistemas de administración de fármacos. • Socios Tepha son: Aesculap ag, HemCon Tecnologías Médicas, LifeCell Corporation, nmt Medical, y Tornier, Inc. Fármacos para terapia contra enfermedades por falta de pliegue de proteínas y amiloidosis • La investigación se centró en el plegado y agregación de proteínas y está dando lugar a grandes avances a través de la bioquímica y la medicina. • La elucidación de un código de pliegue está demostrando ser de extrema importancia en la era postgenómica, donde un buen número de genes se han identificado sin una clara función todavía. • Esta investigación está empezando a arrojar luz sobre la base molecular y bioquímica de una serie de enfermedades neurodegenerativas de impacto dramático. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 64 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Proyecto de inversión Forma de impacto Investigación, desarrollo y optimización de fármacos • La biotecnología no sólo es genética, también es una herramienta muy útil en el desarrollo de medicamentos genéricos”. • En el proceso de producción de genéricos se tienen que desarrollar nuevos métodos de síntesis para ampliar el abanico de moléculas que se pueden patentar. • La “biotecnología blanca o química sostenible” permite a las compañías farmacéuticas llevar a cabo métodos de producción que se adaptan a la nueva normativa sobre desarrollo sostenible. “La industria farmacéutica es la que más residuos produce, por cada kilogramo de fármacos se producen mil kilogramos de residuos, tanto disolventes como productos concomitantes”. • En 2003 había 4,200 empresas biotecnológicas en 25 países (1,879 de ellas en Europa), con casi dos millones de empleados. • La biotecnología puede desempeñar un papel importante en la producción de nuevos fármacos, aunque “hay que tener en cuenta que no es la panacea universal”. • La biotecnología sanitaria o roja ha tenido como principales éxitos el desarrollo de fármacos, vacunas y elementos de diagnóstico y la terapia génica. • Entre los éxitos de la proteómica se encuentran las terapias de sustitución de proteínas, incluido el factor VIII-a para el tratamiento de los pacientes hemofílicos o la producción de insulina humana. • La industria farmacéutica había trabajado con 400 dianas terapéuticas. La genómica ha multiplicado por diez el número de dianas y lo ha situado en más de 4.000 genes. Fármacos biotecnológicos enfocados para terapia contra cáncer • Tienen como objetivo estudiar y atacar los mecanismos moleculares del crecimiento tumoral. Los expertos predicen que muchos pacientes con cáncer, si no la mayoría, finalmente llegarán a recibir al menos una de esas drogas. • Una droga llamada Avastin, que trabaja por asfixia parando el suministro de sangre a los tumores, prolonga la vida de pacientes con cáncer de pulmón y cáncer de mama, según los resultados de los ensayos clínicos. El Herceptin, para cáncer de mama, logra la reducción en aproximadamente la mitad de la probabilidad de que el cáncer de mama reaparezca. • Por supuesto, los oncólogos opinan que éstos son los primeros logros y que están todavía muy lejos de dar las soluciones totales, por lo que se deben combinar con quimioterapia. Suelen causar efectos secundarios nocivos, como hemorragia severa en pulmones para el Avastin y el Herceptin puede causar insuficiencia cardíaca potencialmente fatal. Herceptin puede ser utilizado sólo para el 20 al 30 por ciento de los pacientes con cánceres de mama que tienen una determinada característica genética. • Ambos Avastin y Herceptin han sido desarrolladas por la compañía de biotecnología Genentech, la empresa que ahora atrae a un gran número de inversionistas y analistas de valores. • Pero hay otros fármacos de otras compañías que están en trámite. Se espera la presentación de los resultados de tres fármacos nuevos, dos desarrollado por Pfizer y uno elaborado por el equipo de Bayer y Onyx Pharmaceuticals, que muestran algunos eficacia contra el cáncer de riñón, que en la actualidad es notoriamente difícil de tratar. • Los nuevos fármacos multi-objetivo, en presentación de pastilla, deberán actuar bloqueando la acción del factor de crecimiento tumoral, del factor de crecimiento plaquetario, del factor de crecimiento endotelial vascular, o vegf, una proteína que estimula la formación de vasos sanguíneos que llevan el oxígeno y nutrientes al tumor creciente. Proteínas terapéuticas de ingeniería • Proteínas que se han diseñado en el laboratorio para uso farmacéutico. • La mayoría de los biofarmacéuticos comercializados hasta la fecha son los fármacos de proteínas terapéuticas recombinantes. • En el 2003, el mercado de proteínas terapéuticas creció en casi un 19% a $ 37 mil millones, y se prevé alcanzar ventas de más de $ 90 mil millones para el año 209. Sin embargo el crecimiento en el futuro depende en gran medida de la industria para superar una serie de obstáculos, incluido el suministro y los problemas de costos. • Se utilizan para aliviar a los pacientes que sufren de muchas condiciones, entre ellas: • Varios tipos de cáncer (anticuerpos monoclonales, interferones). LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Proyecto de inversión Proteínas terapéuticas de ingeniería 65 Forma de impacto • Los ataques al corazón, derrames cerebrales, la fibrosis quística, la enfermedad de Gaucher (enzimas, factores de la sangre) • Diabetes (insulina) • La anemia (Eritropoyetina) • Hemofilia (factores de coagulación de la sangre) • La principal proteína de los tratamientos terapéuticos en el año 2003 fueron: • Johnson & Johnson’s Procrit tratamiento de la anemia • Amgen tratamiento de la anemia Epogen • Schering-Plough tratamientos de la hepatitis y de Intron A Peg-Intron Farmacéutica con especial atención en nanotecnología Se enfoca en el desarrollo de • Nanocables • Transporte de electricidad en nanoestructuras • Transporte de electricidad a través de las moléculas • Moléculas de superficie, Arquitectura de circuito • Nanoelectrónica molecular, • Interacciones biomoleculares • Análisis de imágenes de biomoléculas, membranas, y células • Motores biológicos, • Nano-implantes • Bio-Nanosensores, Microfluidos, Nanofluidos, y Lab-on-a-Chip • Nanobiología, nanomedicina Transferencia de genes in vivo para determinar la función de dichos genes • El tratamiento está basado en la administración sistemática de la construcción génica de interés. • Aunque el adn puede ser administrado de forma directa lo habitual es recurrir a la ayuda de algún vector que facilite el proceso de transferencia del gen y permita la entrada y localización intracelular del mismo, de tal forma que éste resulte en un gen funcional. • Así mismo, es importante recurrir a vectores con destinos específicos dentro del organismo lo cual permite la entrega celular selectiva del gen en un determinado órgano o tejido, sin requerir para ello procedimientos traumáticos o quirúrgicos. • Los métodos de transferencia génica in vivo en desarrollo usan métodos no virales: • Inespecíficos, adn desnudo y complejos adn-liposomas, • Específicos, mediados por receptor, complejos adn-proteína o Inmunoliposomas/ liposomas destinados. Proteína recombinante humana • Después de más de dos décadas de continua expansión mundial, la formación empresarial y la diversificación tecnológica, el sector de la terapéutica con proteínas recombinantes humanas (adnr) ahora representa el núcleo de la industria de la biotecnología médica en humanos, por valor de más de $ 32 mil millones en el 2003. • Si bien muchas de estas proteínas recombinantes para uso diagnóstico y/o terapéutico están en fase experimental, cada día se suman a la lista nuevas proteínas recombinantes ya en fase de producción. • El sector de adnr terapéutica incluye a más de 110 empresas que participan en el descubrimiento, desarrollo y comercialización de productos de ADNr. Estas empresas tienen una cartera de más de 80 fármacos en terapéutica de desarrollo clínico y una cartera combinada de 73 productos comercializados. • Para que este proceso productivo sea rentable es importante tener procesos de producción bien caracterizados para una correcta evaluación de los costos productivos de estos productos recombinantes. • Un ejemplo de esto son los trabajos de mejoramiento de la producción de pro-insulina humana recombinante en cultivos de E.coli. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 66 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Proyecto de inversión Forma de impacto Proteína recombinante humana • Después de su comercialización por la compañía Eli Lilly y Co en Estados Unidos de América en 1982, la insulina humana recombinante ha reemplazado gradualmente a la insulina animal, siendo actualmente el tratamiento más frecuente elegido para pacientes con diabetes insulino-dependientes o con requerimientos de insulina; representado actualmente alrededor del 90% de la insulina comercializada. • El precio actual de la insulina humana recombinante es inferior (menos de 500 dólares/g) cuando se compara con el valor comercial de otras proteínas recombinantes de uso farmacéutico presentes en el mercado, tales como la eritropoyetina humana (850.000 dólares/gramo) y el factor estimulante de colonias granulocíticas (450.000 dólares/gramo). • Para continuar reduciendo los costos de producción de estos productos con el fin de incrementar su uso se emplean varias alternativas. Algunas se basan en lograr gran escalado en la fermentación. A este nivel, pequeñas mejoras en la concentración proteica obtenida pueden afectar significativamente la productividad del proceso de fermentación. Otras estrategias están basadas en la optimización de los procesos de recuperación y purificación de un producto luego de la fermentación. • Generalmente la recuperación y purificación son procesos muy complejos y costosos por lo cual es importante optimizarlos con el fin de lograr productos más económicos. Biofarmacéutico para enfermedades inflamatorias • mek es una proteína quinasa que regula tanto la biosíntesis como la respuesta a una serie de factores que impulsan el crecimiento incontrolado o inflamación asociados a muchas enfermedades humanas. • Los científicos han descubierto múltiples meks, serie de inhibidores que interfieren selectivamente con estos procesos de enfermedad crítica. • El primer inhibidor de mek, arry-142886, fue licenciado a AstraZeneca ab para el cáncer y se encuentra actualmente en desarrollo clínico. • Es un inhibidor potente y selectivo de la enzima y de los sistemas celulares, y es bien tolerado y eficaz en varios modelos preclínicos humanos de las enfermedades inflamatorias impulsado por factores como la tnfalpha, il-1 e il-6. • La inhibición de mek será útil en el tratamiento de enfermedades inflamatorias agudas y crónicas, incluida la artritis reumatoide, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (epoc), y la enfermedad inflamatoria intestinal (ibd). Anticuerpos monoclonales para el tratamiento de enfermedades infecciosas • Cada vez más gérmenes patógenos se hacen resistentes a los antibióticos. • La administración de anticuerpos inmunológicos puede ser una nueva alternativa para eludir la resistencia de las bacterias a los antibióticos. • Los científicos pueden producir anticuerpos únicos, llamados “anticuerpos monoclonales”, capaces de unirse a una parte específica del antígeno. De esta forma los pacientes podían recibir dosis pequeñas y potentes de anticuerpos monoclonales purificados, reduciendo enormemente los riesgos de efectos secundarios. • Algunos pacientes sufren reacciones inmunes frente a muchos antígenos extraños. • Además su producción es difícil y cara., por lo que hay que seguir investigando sobre nuevas opciones Fármacos biotecnológicos para tratar enfermedades metabólicas • Se centra en el estudio de la biología celular, la bioquímica y la regulación de la proteína deacetilanasa clase iii. • Estas enzimas proporcionan nuevos puntos de entrada en las vías que afectan a múltiples enfermedades humanas. Inversionistas con capital de riesgo le han apostado a la investigación sobre esta enzima centrada en el desarrollo de nuevos tratamientos para las enfermedades metabólicas y otras necesidades médicas insatisfechas. • Con más de 2 mil millones de dólares bajo gestión, Polaris Venture Partners es una sociedad de capital de riesgo, experimentados en apoyo a nueva tecnología. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA 67 Proyecto de inversión Forma de impacto Productos Biológicos Principalmente hablamos de: • Erythropoeitin (120 b de jy) • Human Growth Hormone (60b) • Human Insulin (49b) • GCSF (43b) • Interferon Alpha (29b) • Therapeutic Antibodies (13b) • Interleukin 2 (11b) • Más de 1,000 nuevas ideas sobre productos biológicos están disponibles para licencia, producción y mercado. Compañías de investigación biofarmacéutica • La industria sigue perdiendo competitividad. • Entre otras razones por su menor inversión en investigación derivada de la pérdida de ingresos y el alto costo que supone la investigación de nuevas moléculas. Drogas antibacteriales para bacterias resistentes • Antibiótico muy activo frente a bacterias gram positivas con alto índice de mortabilidad, en especial la temida Staphilococcus Aureus, que es la causante de la mayoría de las infecciones hospitalarias. • Estas bacterias se habían vuelto resistentes a los antibióticos tradicionales, de ahí la importancia de encontrar nuevos fárma Platencis, que fue encontrada en muestras de suelo. Terapias para osteoporosis • Las técnicas biotecnológicas que han surgido tienen un impacto significativo en la investigación de la osteoporosis y el desarrollo de nuevos y más eficaces tratamientos para esta enfermedad. • Los tratamientos actualmente disponibles no están basados en biotecnología, sin embargo, son numerosos los tratamientos en desarrollo. • Estos nuevos tratamientos basados en biotecnología se centran en estimular el crecimiento óseo, inhibiendo la degradación ósea y la mejora de la entrega de drogas de los tratamientos convencionales. Familia de pequeñas moléculas terapéuticas para el tratamiento de enfermedades genéticas • Se requiere evaluar la droga respecto a seguridad, tolerabilidad y perfil farmacocinético. • Están siendo investigadas inicialmente como tratamiento para la fibrosis quística y la distrofia muscular de Duchenne, con el potencial de tratar una serie de otros trastornos genéticos. • En estudios preclínicos, con biodisponibilidad oral, han demostrado una actividad significativa y buena tolerancia en los niveles de dosis mucho más altas que las que se requieran para mostrar la actividad. Células madre hematopoyéticas para el tratamiento del cáncer • Es un tipo de terapia celular. Una variedad de moléculas terapéuticas utilizan células para realizar una función específica que normalmente las células cancerosas no hacen. • Estos incluyen pequeñas moléculas, péptidos, proteínas, anticuerpos, rna anti-sentido y ribozomas. En el caso de la terapia celular, como su nombre lo indica, el tratamiento se lleva a cabo con células madre en lugar de pequeñas moléculas. • En la terapia celular, las células se dan a los pacientes como sistema de prestación de asistencia terapéutica para una enfermedad específica para lograr un beneficio terapéutico. • Se requiere un examen de los agentes celulares que están relacionados con la química y componentes celulares de la sangre u otros tejidos para el tratamiento del cáncer. • Se hace hincapié en aquellas empresas y productos que son activamente el desarrollo y la comercialización de células y suministros de los agentes terapéuticos para el tratamiento de pacientes con cáncer. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 68 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Proyecto de inversión Células medre para terapia regenerativa y desarrollo de fármacos Forma de impacto • Con su capacidad de diferenciarse y convertirse en una fuente continua de las células que componen los tejidos y órganos críticos, las células madre tienen el potencial para nuevas terapias regenerativas y nuevas herramientas de investigación para la evaluación de drogas a probar en nuevas terapias para células enfermas. • Para los observadores del mercado de la industria farmacéutica, tienen potencial en todo el mundo para trasplante, banco de células y desarrollo de medicamentos. • Aplicación de tecnologías con células madre para los siguientes ámbitos: • Enfermedades cardiovasculares y pulmonares • Artritis, Incontinencia, Osteoporosis, Diabetes • Cáncer, Ortopedia, Infertilidad • Enfermedad de Alzheimer, Burns (grave) • Lupus, Enfermedad de Parkinson • Insuficiencia hepática, Esclerosis múltiple • Críticos de isquemia en las extremidades • Enfermedad de Crohn • Enfermedad de células falciformes • Mieloma múltiple • nh linfoma, Leucemia Fuente: Elaboración propia. 4.6 Taxonomía Tabla 4.16 Taxonomía Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Sistemas expertos Técnicas de secuenciación shotgun Análisis de información genética Análisis de agrupamiento (clustering) Herramientas de búsqueda de alineación local básica (blast) Computación distribuida (grid computing) Bioinformática Productos y servicios Análisis de secuencias genéticas Anotación de genomas Bases de datos compartidas de secuencias genéticas Árboles de decisión Microarreglos de proteínas Minería de datos Simulación genética Modelación homóloga Conjunto crítico de técnicas para la predicción de la estructura de proteínas (casp) Algoritmos genéticos Predicción de la estructura de las proteínas Genómica comparativa LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías 69 Productos y servicios Cadenas de markov Modelos bayesianos Hibridización genómica Sistemas expertos Métodos de espacio recíproco Métodos de montecarlo Selección de estructura complejas Conjunto crítico de predicción de interacciones (capri) Acoplamiento proteínaproteína para la proteómica Análisis molecular Hibridización Sistemas expertos Microarreglos Secuenciación de cadn marcado (est) Análisis de la expresión génica Análisis serial de expresión génica (sage) Secuenciación de señales masivamente paralelas Bioinformática Hibridización in-situ multiplex Análisis de agrupamiento (clustering) Microarreglos Simulación genética Sistemas expertos Microarreglos de proteínas Espectrometría de masas Análisis de la regulación génica Análisis de la expresión de proteínas Reducción de dimensionalidad multifactorial Microarreglos de oligonucleótidos Hibridización genómica comparativa Análisis de mutaciones en el cáncer Arreglos de polimorfismos de nucleótidos simples Modelo oculto de Markov Redes neuronales Herramienta de búsqueda de alineación local básica (blast) Modelado de sistemas biológicos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 70 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Sistemas expertos Análisis de imágenes de alto rendimiento Dispositivos para cirugías invasivas Biopolímero absorbible Dispositivos médicos implantables en el cuerpo como mallas quirúrgicas, películas anti-adherentes, películas hemostáticas, dispositivos intra-cardiacos, stents absorbibles, ligamentos y dispositivos para la reparación de tendones, agentes de embolización y sistemas de administración de fármacos Farmacogenética Screening de polimorfismos genéticos Fármacos adaptados a la condición genética de un individuo Cultivo de células Medicina regenerativa Cultivo de células modificadas genéticamente Terapia génica Reparación de tejidos dañados Biopolímeros Tratamientos médicos personalizados Biorreactores Destrucción del neurotransmisor de células colinérgicas Tratamiento antienvejecimiento Terapia contra el Alzheimer Bioluminiscencia atp Establecimiento de perfiles genéticos Tratamiento contra la vejez Reparación molecular Cultivo de células madre Tratamiento celular Marcaje molecular Producción de distrofina y cardiotoxina Tratamiento contra la degeneración muscular Chips de proteínas Reacción en cadena de polimerasa (pcr) cuantitativa Tratamiento contra el cáncer Secuenciación Genes para suprimir tumores Microarreglos de adn Modelos animales Proteínas que transportan fármacos letales para células cancerosas exclusivamente LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías 71 Productos y servicios Vector adenoviral adn recombinante Tratamiento contra el cáncer Algoritmos de inteligencia artificial teórica Análisis mutacional de receptores de superficie y oncogenes Proteínas que transportan fármacos letales para células cancerosas exclusivamente Secuenciación por hibridación Análisis de oligonucleótidos Tratamiento genético Impresión por síntesis Análisis de polimorfismos genéticos Biochips de transporte de información genética Microarreglos de adn Microarreglos de adn Reacción en cadena de polimerasa (pcr) cuantitativa Tratamientos médicos personalizados Secuenciación Modelos animales Caracterización de marcadores biológicos Chips de proteínas Clonamiento posicional Tratamientos moleculares Tratamiento de hemofilia, fibrosis quística y enfermedad de huntington Modelos animales Proteína quinasa regulada por mitógeno (mek) adn recombinante Quimerismo mixto Antígenos cd3 & cd25 Manejo de biorreactores Tecnologías antisentido Compuestos “antisense” Antígenos tnf-alfa & ige Perfiles genéticos y prevención de enfermedades Tratamiento molecular de diabetes Tratamiento de artritis reumatoide Anticuerpos monoclonales para evitar rechazo en transplante de órganos Anticuerpos monoclonales para tratamiento del asma, la enfermedad de Crohn y la distrofia muscular Manejo de biorreactores Anticuerpos monoclonales con agentes de contraste para marcar células Espectrometría de masas Proteínas para la detección temprana de arterioesclerosis Diagnósticos moleculares LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 72 CAPÍTULO 4: BIOTECNOLOGÍA MÉDICA Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Clonación genética Secuenciación genética Amplificación de marcadores moleculares Reacción en cadena de polimerasa de la transcriptasa inversa (rt-pcr) Identificación de agentes patógenos Pruebas de tramo de cadena de adn (bdna) Degradación de Edman Identificación por huella peptídica Servicios de caracterización e identificación de proteínas Dianas terapeúticas Perfiles genéticos y prevención de enfermedades Ingeniería genética Vacunas contra la malaria adn recombinante adn recombinante Vacunas de adn Vectores virales Vacunas de adn Vacunas contra ataques biológicos adn recombinante Dianas terapeúticas Identificación de proteínas antigénicas Vacunas comestibles Clonación genética Vectores no viral Administración ex vivo Cromosomas humanos artificiales Mejora genética para la reproducción Reproducción asistida Relación entre genotipo y fenotipo Diagnóstico genético de preimplantación (pgd) Bebés diseñados genéticamente adn recombinante Fertilización in vitro (fiv) e inyección intra-citoplásmatica de espermatozoides (icsi) Fertilidad y esterilidad Amplificación de adn para screening Diagnóstico genético preimplantación (pgd) Fuente: Elaboración propia. Tratamientos de fertilidad Selección genética de embriones para reproducción asistida 5 Células, tejidos y órganos artificiales Martha Alejandra Morgado Munguia 5.1 Descripción 5.1.1 Definición Bioproductos y sustitutos biológicos que aplican los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida, diseñados para suplir, sustituir, mantener, mejorar o restaurar la función de órganos y tejidos en el cuerpo humano. De naturaleza eminentemente interdisciplinaria, la megatendencia de células, tejidos y órganos artificiales, incluye conceptos de ramas tan diversas como la química, la biología celular, la microfabricación, la robótica y la ciencia de los materiales, complementadas con materias como la electrónica, la informática, la acústica, la óptica, la mecatrónica y el diseño, para lograr satisfacer las demandas médicas. 5.1.2 Detonadores Con el advenimiento de nuevas tecnologías, el desarrollo de nuevos materiales y la aplicación de ciencias como la biología a la electrónica y el estudio de los fenómenos fisiológicos empleando equipos electrónicos, se ha incitado a los investigadores a examinar su disciplina bajo un ángulo nuevo: la biónica, y de esta forma fortalecer la medicina en su continuo afán de ayudar y mejorar la calidad de vida del ser humano. En los últimos años el avance de la medicina ha hecho posible el desarrollo de alternativas terapéuticas como el transplante de órganos en pacientes con enfermedades que involucran una degeneración importante del tejido a transplantar. Sin embargo, dada la escasez de donantes, un amplio grupo de bioingenieros, biólogos celulares, y médicos, han combinado sus conocimientos para diseñar algunas partes del cuerpo humano que puedan reemplazar aquellas que se encuentren alteradas o incluso amputadas o ausentes. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 76 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Diariamente ingresan en los hospitales de todo el mundo miles de personas por causa del mal funcionamiento de alguno de sus órganos. En muchos casos la situación se solucionaría con un trasplante, pero debido a la carencia de órganos trasplantables, solo una mínima parte de estos pacientes pueden ser trasplantados. Para solucionar un poco este problema la bioingeniería ha colaborado intensamente con la medicina elaborando órganos artificiales que puedan llegar a suplir órganos con un mal funcionamiento, por esta razón desde hace más de cincuenta años hasta hoy han aparecido el corazón artificial y un sin número de suplencias para órganos fallidos. Pero hoy en día con el advenimiento de la biología molecular, la genética, la clonación entre otros, los científicos han propuesto lo que llamaron la ingeniería de tejidos, una técnica a partir de la cual se buscan obtener células, tejidos y órganos a partir de cultivos de células sobre membranas de diferentes materiales biodegradables que inducidas apropiadamente pueden llegar a reemplazar los órganos o tejidos que sean requeridos, aunque se espera que para un futuro con el avance de la genética, se puedan tomar células madre indiferenciadas, para ser cultivadas y con los apropiados estímulos estas puedan diferenciarse en los órganos o tejidos que se necesiten reemplazar. La bioingeniería y la biónica son disciplinas más jóvenes que la ingeniería, en éstas se reúnen los principios de la ciencia, la tecnología y la propia ingeniería para poder ser aplicados a los problemas médicos y biológicos que se presentan hoy en día. Así pues los bioingenieros son formados bajo conceptos sólidos de ingeniería relacionada a conocimientos esenciales de medicina y biología, los cuales se complementan con materias como la electrónica, la informática, la robótica, la acústica, la óptica, el diseño, entre otros, para lograr satisfacer las demandas médicas. A partir de ésta se derivan varias ramas por ejemplo la ingeniería biomecánica la cual estudia los sistemas osteoarticular y muscular como sistemas mecánicos, así como el comportamiento de la sangre como un fluido que se mueve, la mecánica de la respiración entre otros. Por lo tanto las aplicaciones de ésta han sido la creación de máquinas de circulación extracorpórea, la creación de un pulmón artificial, aunque ésta es también utilizada en el desarrollo de implantes y de órganos artificiales. Gracias a ésta, se han desarrollado prótesis para personas con extremidades amputadas, prótesis mioeléctricas movidas por pequeños motores eléctricos que recogen las señales musculares, así como la creación de órganos artificiales como el corazón artificial, el cual ha sido un gran tratamiento para las enfermedades cardiacas desde 1982. Otra de las ramas de la bioingeniería es la ingeniería bioquímica, la cual busca estudiar las interacciones químicas entre el cuerpo y los materiales artificiales, sus logros más importantes han sido la creación de prótesis articulares que no generen ningún tipo de rechazo por parte del organismo y que además duren mucho más que las convencionales, así como la creación de implantes que sustituyen arterias, los cuales no permiten la formación de coágulos y que además se integran fácilmente al tejido tisular, aunque tal vez el avance más importante es el desarrollo de las máquinas de diálisis, que ayudan a LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 77 los pacientes con insuficiencia renal. Y la última rama es la bioelectricidad, ésta se encarga de estudiar la actividad bioeléctrica, particularmente del sistema nervioso, los avances de esta especialidad han conducido a la invención del marcapasos, el desfibrilador y el electrocardiógrafo. Ahora bien, la medicina ha estado bien servida por la bioingeniería, y en ella ha encontrado un punto de apoyo importante para solucionar los problemas que se han ido presentando durante las últimas décadas con respecto al transplante de órganos, pues así como el hallazgo de saber que ciertas enfermedades podían ser curadas con un transplante tomó auge, la negativa de la gente a donar sus órganos creó otro problema que fue solucionado con el advenimiento de la bioingeniería. Los órganos artificiales, son órganos y tejidos creados mediante ingeniería los cuales por muchos años han sido llamados a ser la base del tratamiento de muchas lesiones y enfermedades, y que han formado en nuestra era una simbiosis entre hombre y máquina la cual tiene como finalidad prolongar y evadir ciertos límites naturales que tiene el hombre. El verdadero problema de los órganos artificiales no reside en lograr crear el órgano a reemplazar o las fuentes de energía para que este funcione, el verdadero problema ésta en que el mecanismo artificial pueda convivir en armonía con el cuerpo vivo. Es entonces cuando la ciencia y la medicina están yendo mas allá de los transplantes y entrando en una era de fabricación de tejidos corporales apoyados en los avances de la biología molecular y la genética, con la Ingeniería de Tejidos, una técnica relativamente reciente de la que se puede decir que “su objetivo primordial es el de lograr obtener órganos o tejidos combinando células junto con otros materiales, los cuales bajo ciertas condiciones derivarán en la formación de un tejido”. Las primeras técnicas han sido con materiales de naturaleza física y química fáciles de manejar para la formación de un tejido final, para este fin se han utilizado varios polímeros, así como materiales naturales como el colágeno, y tanto unos como otros han dado resultados efectivos en la creación de un medio de cultivo para las células, además de poder ser degradados en el organismo en caso de ser transplantados. Una vez los materiales han sido seleccionados como estructuras de soporte para el crecimiento de las células de acuerdo a determinadas características que son muy importantes como lo son las características mecánicas, así como sus características de superficie, las cuales le permitirán a las células interactuar con el material, estos deben ser procesados para que tengan una apropiada arquitectura y se logre la formación del tejido. Pero el proceso no termina aquí es necesario que el tejido en crecimiento tenga un mecanismo de transporte de nutrientes así como de desecho para su adecuado crecimiento, es por esto que muchos investigadores han creado una especie de vasos sanguíneos que drenan constantemente el tejido en crecimiento, colaborando con el soporte de este. Pero los tejidos no comienzan a crecer sobre los soportes de polímeros de una manera mecánica, estos requieren a su vez de factores de crecimiento y otras sustancias que colaboren en LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 78 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES la formación de estos, asimismo por medio de estas sustancias se asegura también un control interno sobre el crecimiento de las células, permitiéndoles que crezcan de manera controlada, para que no sobrepasen ciertos límites. Como se sabe el primer objetivo de la ingeniería de tejidos es el de poder reparar y generar nuevos tejidos para ser transplantados, con un éxito hasta ahora moderado pues aun faltan comprender muchos más mecanismos por los cuales el cuerpo no rechace las células, y pueda adoptarlas como propias, así como también deberán develarse mecanismos por los cuales otras células puedan ser también cultivadas dentro de estas estructuras de polímeros, para formar nuevos tejidos de los que aun no se han obtenido buenos resultados. Por esto para un futuro, se espera que el fin total de la Ingeniería de tejidos, sea obtener cualquier tipo de tejido u órgano a partir de células madre indiferenciadas, las cuales puedan ser inducidas por medio de ciertos mecanismos de señalización en convertirse en los órganos y tejidos que se requieran. 5.1.3 Comportamientos tecnológicos El trasplante de órganos, a pesar de formar parte de las llamadas prácticas quirúrgicas de riesgo, se ha consolidado en los últimos años como el tratamiento de elección para todas aquellas enfermedades graves que conllevan el fracaso irreversible de un órgano. Los éxitos obtenidos y las mejoras que día a día vienen incorporándose, auguran para esta práctica un futuro en el que las limitaciones técnicas y científicas, todavía importantes, van a dejar paso a otras, especialmente a las vinculadas con la logística del trasplante. Pero no solamente va a dejarle paso a la trascendencia de la tecnología del trasplante sino que también va a dejar espacio para que los órganos en si también pasen a una nueva era, a una era tecnológica, donde no dependeremos de una interacción celular sino de una interacción mecánica. A la espera del nacimiento del inmunosupresor “ideal”, los médicos de trasplante o, más exactamente, los que se interesan en determinados órganos, el corazón, el pulmón y el riñón principalmente, continúan pendientes de los diseños de órganos artificiales, con la esperanza de poner a disposición de sus pacientes un aparato de altas cualidades técnicas. Entre los cambios característicos que detonan el desarrollo de las células, tejidos y órganos artificiales, podemos mencionar el conocimiento de áreas como: biomateriales, biomecánica, biosensores, modelado-simulación-control de sistemas fisiológicos, instrumentación biomédica e informática médica. El desarrollo de biomateriales es un detonador importante en la generación de órganos artificiales. Un biomaterial es un material sintético utilizado para reemplazar una parte LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 79 anatómica o una función de un ser vivo: materiales dentales, prótesis de cadera, silicona para la remodelación mamaria. La capacidad de un biomaterial para reproducir la forma y función de órganos y tejidos viene condicionada por sus propiedades físico-químicas y su interacción con el cuerpo humano o Biocompatibilidad. Particularmente interesantes los materiales compuestos que combinan materiales biológicos, como el colágeno, con otros sintéticos. La biomecánica contribuye a participar con el conocimiento de la Biofísica dedicada al estudio de la mecánica (incluye mecánica de fluidos) y a los sistemas fisiológicos. Los biosensores permiten la detección de parámetros biológicos y su conversión en señales eléctricas. Con el estudio del modelado, simulación y control de sistemas fisiológicos se llega al uso de métodos computacionales para desarrollar y comprender el funcionamiento de sistemas fisiológicos. Ejemplo: movimientos de una rótula. Sin duda, la Bioingeniería, principal responsable del desarrollo de células, tejidos y órganos artificiales es fruto de una síntesis interdisciplinaria de numerosos aspectos de Ingeniería, Biología, Medicina, Física, Ciencia de Materiales, Biotecnología, y otras parcelas del conocimiento, abarcando desde las aproximaciones teóricas a las experimentales y sus aplicaciones. Un mecanismo humano es asombrosamente polifacético, y todo intento de imitar todas sus capacidades con la tecnología moderna, quizás, a producir un complicado sustituto sin aplicación práctica. La dificultad no reside tanto en lograr las fuentes de energía para que el mecanismo pueda funcionar, sino que el problema radica en disponer el mecanismo artificial de manera que trabaje en armonía con el cuerpo vivo. Con el advenimiento de la genética, el descubrimiento del genoma humano, la clonación, entre otros, los científicos han puesto todo su interés en una técnica que cada día toma más notoriedad, pero que aun despierta polémica en las personas. La Ingeniería de Tejidos, surge como una nueva opción para los transplantes, ofreciendo innumerables ventajas pero sobretodo una muy importante que no se puede pasar por alto y que ha sido el dolor de cabeza de médicos y científicos, el no rechazo por parte del receptor de los órganos o tejidos transplantados. Hasta ahora los científicos han logrado combinar materiales para que funcionen como una matriz, en las cuales se siembran las células y estas crecen de forma tridimensional para obtener el nuevo tejido, con esta técnica los científicos han logrado obtener pedazos de piel para implantes, así como algunos segmentos de huesos y cartílagos y hasta vasos sanguíneos. Son estos avances los que han llevado a descubrir cómo es que logran las células crecer en las matrices y formar el tejido, y se ha logrado comprobar que así como las células cancerosas deben ir en grupos grandes, porque una sola célula no podría causar metástasis, además de requerir de algunos componentes importantes, las células que se utilizan para el crecimiento de nuevos tejidos requieren de matriz LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 80 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES extracelular para comenzar una nueva colonia de células, los científicos creen entonces que hay tres componentes que se requieren, primero las células apropiadas, segundo algunas citoquinas y las matrices extracelulares, que hacen en conjunto la supervivencia de las células. 5.2 Temas de investigación Básicamente, podemos agrupar cinco temas claves para determinar los retos y oportunidades que subyacen a esta área de investigación interdisciplinaria: Tabla 5.1 Temas de investigación Extremidades artificiales bioeléctricas. Implante de prótesis microelectrónicas (electromiografía y de señales de control) Funcionalidad de los materiales de soporte para tejidos Reacciones de los tejidos al o los materiales de los implantes Respuestas inflamatorias de las células y los tejidos circundantes cuando son implantados sensores para interferir en la transmisión de señales. Fuente: Elaboración propia. 5.2.1 Extremidades artificiales que reaccionan a impulsos neuronales Obtener impulsos neuronales es aún una actividad complicada, invasiva y poco precisa. En el caso específico de prótesis que reaccionan a impulsos neuronales, representa un reto para los ingenieros biomédicos y neurocientíficos la miniaturización y capacidad de procesamiento electrónico, aunque ya existe gran avance en esta línea. No obstante, hay un evidente retraso en el diseño mecatrónico de las prótesis y la construcción efectiva de las interfaces cerebro-máquina. Para resolver esta área de oportunidad, debe estudiarse la forma de interpretar las señales emitidas por las neuronas. Las prótesis con arreglos de electrodos necesitan adaptarse a diferentes lugares, patrones de estímulo, enfermedad del paciente y el estado o grado de enfermedad del mismo, por ello el que se requiera de la unión entre investigadores y médicos clínicos. Una de las principales áreas de oportunidad es evaluar los diferentes tipos de electrodos, no invasivos e invasivos, que son los electrodos de superficie y musculares que pueden grabar las señales de emg y estimular los músculos subyacentes o implantados. Los electrodos extraneuronales, como el de brazalete y el epineural, simulan una interface simultánea con muchos axones y el nervio, mientras que los electrodos intrafasciculares, penetrantes y regenerativos pueden ponerse en contacto con grupos pequeños de los axones y el nervio dentro de un fascículo. Por ejemplo, cuando una prótesis de mano es anatómicamente correcta, la entrada al dispositivo puede venir de las mismas señales neuronales que utilizaba el paciente para llegar a los músculos de la mano original. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 81 Es importante estudiar la no linealidad de la relación entre el movimiento de los dedos y las señales corticales, dentro de los controles en los centros periféricos y el hardware. La no linealidad se refiere a un sistema de ecuaciones en el que los efectos no son proporcionales a sus causas. Dicho sistema podría ser difícil o imposible de modelar, pero dará facilidad de control y proporcionará, al mismo tiempo, el mayor grado posible de destreza. Sin embargo, el realizar pruebas de ensayo/error en el diseño de prótesis y algoritmos de control de la estimulación eléctrica funcional (fes), es caro y arriesgado. En este sentido, la designación de un entorno de realidad virtual (vre) para facilitar y acelerar el desarrollo de nuevos sistemas es un área de oportunidad de gran importancia. En el vre, los sujetos / pacientes simulados puede operar una extremidad e interactuar con objetos virtuales. El reto es crear modelos realistas de todos los componentes mecatrónicos musculoesqueléticos y permitir el desarrollo de sistemas en toda la prótesis vr, antes de introducir al paciente. El sistema es utilizado tanto por los ingenieros, como instrumento de desarrollo, como por los clínicos, para implantar la prótesis en los pacientes. 5.2.2 Implante de prótesis microelectrónicas Las prótesis microelectrónicas de visión ofrecen el reto de restablecer cierta visión espacial al paciente; propone que se generen puntos luminosos (los llamados fosfenos) en el campo visual de los ciegos por medio de un implante de electrodos estimulantes de rayos gama, y, al hacerlo, restablecer cierta visión espacial. En la actualidad hay muchos equipos de investigación en todo el mundo en pro de un dispositivo terapéutico, análogo a los implantes cocleares, para el paciente ciego. A pesar de las similitudes entre el implante coclear y la prótesis de visión, hay pocos casos en la literatura, donde los dos enfoques son comparados y confrontados. En concreto, el estudio de la psicofísica y procesamiento de señales es la base de este reto. Por medio de simulaciones del proceso, se genera la oportunidad de hacer predicciones en cuanto a la probable eficacia clínica de la prótesis y, de hecho, los resultados hasta la fecha sugieren que un número en el orden de 100 electrodos implantados dará a los temas de movilidad y reconocimiento de los rostros (y otros estímulos complejos), una introducción a resultados. Mientras, el diseño de electrodos para facilitar lectura de texto impreso es aún un reto importante que no está desarrollado. Las simulaciones a este respecto, permiten investigaciones sobre la imagen y las estrategias de procesamiento de señales, más que proporcionar a los investigadores una experiencia de percepción, que se aproxima a lo que es probable que una prótesis permita en un futuro. Otro reto en esta línea, son los electrodos que pueden actuar como transductores para registrar señales neuronales o excitar células nerviosas a través de la estimulación eléctrica. El campo de las prótesis neuronales ha crecido a lo largo de las últimas décadas. Hay que trabajar sobre el rendimiento en su actual tamaño y complejidad. La aplicación de la tecnología de microsistemas integrados con LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 82 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES la microelectrónica en los implantes neurales hace 20 años, no solamente abrió nuevos campos de aplicación, sino también permite diseñar nuevos paradigmas y enfoques con respecto a la bioestabilidad de pasivación y conceptos de electrodos de interfaces. 5.2.3 Funcionalidad de los materiales de soporte para tejidos Durante décadas, los polímeros electroactivos (eaps) han recibido relativamente poca atención, debido a su limitada capacidad de actuación. Sin embargo, en los últimos 15 años, una serie de materiales de polímero electroactivo han surgido con capacidad de producir una importante forma o tamaño de cambio en respuesta a la estimulación eléctrica. Estos materiales tienen la más estrecha similitud funcional a los músculos biológicos, que era, hasta hace poco, imposible de lograr. Se están realizando esfuerzos para abordar los numerosos problemas que obstaculizan la aplicación práctica de estos materiales, y los recientes avances ya han dado lugar a notables mejoras de capacidades. Varios mecanismos y dispositivos robóticos nuevos están ofreciendo numerosas ventajas por su flexibilidad, resistencia a la fractura y la controlabilidad, así como baja masa y baja potencia. Los eaps tienen el potencial de ser utilizados para aplicaciones como biosensores ecológicos, membranas, músculos artificiales, actuadores, protección contra la corrosión, protección electrónica y componentes de alta energía como las baterías, entre otras. Sin embargo por su alto costo e impacto ambiental, la comercialización de eaps sintéticos hasta el momento ha sido muy limitada. El almidón, la celulosa y la quitina son algunos de los polímeros naturales más abundantes en la tierra, y están siendo empleados en el diseño de soportes para tejidos. En general, los materiales con matrices de polisacáridos electroactivos pueden alcanzar niveles comparables con la conductancia de iones sintéticos como la de eaps. 5.2.4 Reacciones de los tejidos al o los materiales de los implantes En la última década la implantación de materiales sintéticos biodegradables, se ha establecido por diversas aplicaciones clínicas, empleándose entre otros, materiales cerámicos, como el fosfato de calcio y polímeros de biovidrio. Además, estos materiales también se utilizan como material de revestimiento o como microesferas de liberación controlada de drogas y pertenecen a una serie de ejemplos de aplicaciones como andamios para la ingeniería de tejidos. Sin embargo, inmensas concentraciones locales de productos se generan durante la biodegradación; un reto interesante es estudiar las reacciones alérgicas inmunes que se han reportado, para los casos típicos de implantes metálicos y materiales orgánicos. Por otra parte, es un área de oportunidad el generar las teorías explicativas de reacciones inmunológicas para aclarar la falta de los informes clínicos de alergia o sensibilización a los materiales sintéticos biodegradables, que existe actualmente. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 83 Materiales utilizados en la osteosíntesis o reemplazo de articulaciones artificiales son generalmente bien tolerados. Las quejas después de esas operaciones son en su mayoría relacionadas con la infección o problemas mecánicos, pero también pueden ser causadas por reacciones alérgicas. Estos problemas abarcan cambios en la piel, por ejemplo, eczema, el retraso de la herida y la cicatrización del hueso, derrame recurrente, el dolor, o el aflojamiento del implante. En contraste con la alta incidencia de la alergia cutánea en contacto con el metal, las alergias están asociadas a los implantes de una enfermedad rara. Sin embargo, los datos epidemiológicos sobre la incidencia de implante relacionados con reacciones alérgicas siguen sin reportarse. Resulta un reto estudiar las combinaciones de factores que inducen sensibilización alérgica a los implantes o periimplantaria, ya que pueden desencadenar reacciones alérgicas cutáneas en el caso de alergia preexistente al metal. Para pacientes alérgicos se recomienda el diseño en titanio, en sustitución electiva de cadera, usar una cerámica / polietileno (PE), y en reemplazos de rodilla usar “materiales alternativos”. Para un material ordinario, potencialmente aplicable como CoCr / PE, el paciente debe estar bien informado y debe dar su consentimiento de uso por escrito. El área de oportunidad es encontrar materiales más baratos y funcionales que no generen reacción alérgica. 5.2.5 Respuestas inflamatorias de las células y los tejidos circundantes cuando son implantados sensores para interferir en la transmisión de señales La fibrosis es perjudicial para el rendimiento de las células encapsuladas, implante de dispositivos de liberación de drogas, y/o los sensores. Para mejorar la función y la longevidad de los implantes, un reto es investigar la necesidad de inducir alteraciones en la respuesta celular. Aunque el material de superficie funcional ha demostrado resistir a las respuestas ante la actividad celular in vitro y de corto plazo in vivo, estos equipos o materiales parecen tener poca influencia a largo plazo en vivo ante reacciones de fibrosis, posiblemente como resultado de la insuficiencia de las interacciones entre los contratados celulares de acogida y grupos funcionales de los implantes. Para maximizar la influencia de la funcionalidad de las células, y para imitar microesferas de liberación de drogas, las oportunidades están en crear tamaño de partículas del orden de las micras para poner a prueba la capacidad modular del tejido a las respuestas de los implantes de biomateriales. Se están estudiando superficies de partículas de polipropileno recubiertas con grupos funcionales, - cf (x), y - cooh, para recubrimiento de sensores. Los resultados demuestran claramente que, mediante el aumento de la superficie disponible funcional y la distribución espacial, el efecto sobre la química de la superficie del tejido y la reactividad puede ser considerablemente mayor. (c) 2007 Wiley Periodicals, Inc J Biomed Mater Res 2007. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 84 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES También se debe señalar como área de investigación la importancia biológica de cambios fisio-patológicos que ocurren dadas las interfaces entre los implantes robóticos y otras prótesis al estar en contacto con las interfaces biológicas, los resultados de estos trabajos dan lugar a mejores diseños de prótesis biocompatibles. Por otro lado, se requiere desarrollar una gran gama de tecnologías que permitan el desarrollo de dispositivos miniaturizados altamente funcionales e integrados. Pueden distinguirse dos grupos de dispositivos requeridos, In Vivo e In Vitro. El grupo de dispositivos In Vivo está dominado por estimuladores eléctricos y biosensores. Los dispositivos In Vitro son principalmente micro-arreglos y dispositivos del tipo Lab-on-Chip (laboratorio en un chip). Las aplicaciones biomédicas ya son la segunda mayor área de aplicación para tecnologías de mems (sistemas micro-electromecánicos, micro-electric-mechanical systems) después de la automotriz. En lo referente a la comercialización, el desafío clave será identificar nichos con potencial de mercado suficiente para justificar el largo y costoso proceso de desarrollo. Estas líneas de investigación buscan satisfacer los retos del desarrollo tecnológico actual, buscando oportunidades en el diseño y aplicación de células, tejidos y órganos artificiales de manera comercial. En la siguiente tabla se explican para cada línea de investigación: Tabla 5.2 Líneas de investigación Línea de investigación Retos Oportunidades Encontrar la forma de estimular las neuronas. Miniaturización y capacidad de procesamiento electrónico. Diseño de dispositivos In Vitro, principalmente micro-arreglos y dispositivos del tipo Lab-on-Chip (Laboratorio en un Chip) Diseño de dispositivos In Vivo dominados por estimuladores eléctricos y biosensores. Diseño de dispositivos micro-electromecánicos (mems). Extremidad artificial mioeléctrica Diseño de manos, brazos, piernas y pies con funcionalidad similar a la del cuerpo humano. Diseño de sistemas protésicos mecatrónicos con funcionalidad similar a la de los miembros humanos. Sistemas de control adoptivo y predictivo para las prótesis y con esto lograr una mejor adaptación entre el amputado y su prótesis Desarrollo de sistemas de baterías recargables ligeras, para proporcionar una mayor duración a los sistemas protésicos. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Línea de investigación Retos Diseño y construcción efectiva de las interfaces cerebro-máquina. Implantes de prótesis microelectrónicas Funcionalidad de los materiales de soporte Oportunidades Diseño de sockets o interfaces cómodas y capaces de adaptarse a los cambios de geometría que ocurren en el muñón con el tiempo. Estudiar la no linealidad de la relación entre el movimiento de los dedos y las señales corticales, dentro de los controles en los centros periféricos y el hardware. Creación de un entorno de realidad virtual para el diseño de una prótesis y su algoritmo de control de la estimulación eléctrica. Crear modelos realistas de todos los componentes mecatrónicos musculoesqueléticos y permitir el desarrollo de sistemas en toda la prótesis en realidad virtual, antes de introducir al paciente. Restablecer cierta visión espacial al paciente; propone que se generen puntos luminosos (los llamados fosfenos) en el campo visual de los ciegos por medio de un implante de electrodos estimulantes de rayos gama. Estudio de la psicofísica y procesamiento de señales, por medio de simulaciones del proceso. Diseño de transductores para registrar señales neuronales o excitar células nerviosas a través de la estimulación eléctrica. Trabajar sobre el rendimiento en su actual tamaño y complejidad, demostrando bioestabilidad de pasivación. Creación de materiales que tengan la más estrecha similitud funcional a los músculos biológicos. Diseño y uso de polímeros electroactivos para estimular forma y tamaño por medio de impulso eléctrico. Materiales con flexibilidad, resistencia a la fractura y la controlabilidad, así como baja masa y baja potencia Diseño de mezclas metal polímero iónico. Materiales con flexibilidad, resistencia a la fractura y la controlabilidad, así como baja masa y baja potencia Reacciones de los tejidos al o los materiales de los implantes. Estudiar las reacciones alérgicas inmunes que se han reportado, para los casos típicos de implantes metálicos y materiales orgánicos. Respuestas al implante de sensores. Evitar la fibrosis por uso de células encapsuladas, implante de dispositivos de liberación de drogas, y/o sensores. Fuente: Elaboración propia. 85 Diseño y uso de materiales piezoeléctricos, especiales de aleaciones de metales, polímeros Mezclas especiales con almidón, celulosa y quitina son algunos de los polímeros naturales que están siendo empleados en el diseño de soportes para tejidos Creación de elementos inocuos para material de revestimiento o microesferas de liberación controlada de drogas. Estudio de combinaciones de factores que inducen sensibilización alérgica a los implantes o periimplantaria. Diseñar recubrimientos de materiales especiales complejos que eviten la fibrosis. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 86 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 5.3 Tecnologías existentes El ritmo de avance del desarrollo tecnológico actual no satisface las demandas del mercado; por lo que existe una creciente preocupación de que muchos de los nuevos descubrimientos de la ciencia básica no podrán ofrecer rápidamente productos con el rendimiento, la eficiencia, la asequibilidad y las condiciones de seguridad que requieren los pacientes. En opinión de la Oficina de Administración de Fármacos y Alimentos de Estados Unidos (fda), las ciencias aplicadas y los médicos clínicos necesarios para el desarrollo de productos no han seguido el ritmo de los enormes avances en las ciencias básicas. Aunque en los diseños de prótesis ha habido algunos éxitos, referentes a los implantes robóticos funcionales, sigue habiendo muchas cuestiones y problemas relacionados con el incumplimiento de las expectativas creadas. En especial, los dispositivos no han logrado ser fáciles de controlar, cómodos de llevar y estéticamente agradables Las tecnologías existentes con mayor relevancia para la megatendencia se desarrollan a través de la biología molecular y celular, la ingeniería de materiales, la electromecánica y las herramientas de programación; algunos ejemplos de estas tecnologías son: Tabla 5.3 Ingeniería de materiales Ingeniería de materiales Biomateriales (por ejemplo metales, conjugados poliméricos, poliuretanos biodegradables no tóxicos y silicona) Aplicaciones, por ejemplo las cánulas intraluminales (stents) Técnicas como las matrices de polisacáridos electroactivos o la fundición de titanio Materiales inteligentes, como los piezoeléctricos Fuente: Elaboración propia. Tabla 5.4 Electro-mecánica Electro-mecánica Sensores y biosensores Sistemas emisor-receptor de campos magnéticos o conformados electromagnéticos Interferometría con microscopio electrónico de barrido Transductores y estimuladores eléctricos Diseño mecatrónico Implantes (de electrodos de rayos gama, a presión, entre otros) mems (para microsensores por ejemplo) Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 87 Tabla 5.5 Biología celular y molecular Biología celular y molecular Manipulación de células madres, como la separación y purificación de células madre de sangre periférica Medios de cultivo con sustitutos de suero fetal Ingeniería de tejidos Criopreservación automatizada de células mononucleares Generación de hidroxiapatita Micro-arreglos Fuente: Elaboración propia. Tabla 5.6 Programación Programación Algoritmos de control de la estimulación eléctrica funcional .Procesos inteligentes y el prototipaje rápido Fuente: Elaboración propia. 5.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes impulsadas por la megatendencia son: Tabla 5.7 Tecnologías emergentes Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) y nano-construcciones híbridas Esferoides tridimensionales multicelulares Polímeros electro-activos (EAP) Electrodos intra-fasciculares y extraneuronales Láser tridimensional de exploración Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 88 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 5.5 Productos y servicios 5.5.1 Lista de productos y servicios Tabla 5.8 Lista de productos y servicios Acetábulos de cadera y rodilla artificial Células cultivadas y/o modificadas genéticamente Dispositivos de liberación controlada de fármacos Dispositivos para la rehabilitación auditiva Dispositivos implantables para ventrículos cardiacos Dispositivos para la mejora de arterias Elementos protésicos con señales eléctricas entre grupos de neuronas Equipo para prótesis como clavos y tornillos Extremidad artificial mioeléctrica (como brazo o pierna) Remodelación mamaria Estructuras 3D que pueden imitar la estructura de un órgano Regeneración de tejido Impresión de tejidos vivos Reparaciones craneales Fijadores de huesos fracturados Sensores magnéticos para detección de bacterias Implantes de reemplazo articular para dedos, cadera, rodilla, hombro y codo Sensores implantables para control de temperatura corporal, detectar compuestos tóxicos y medir la presión sanguínea Implantes dérmicos, en el sistema óseo, en la médula espinal y oculares artificiales Servicio de revisión de prótesis Interfase cerebro-computador (BCI) Sistemas de regeneración de órganos internos Interfase cerebro-máquina (BMI) Sistemas implantables de diagnóstico inalámbrico Lentes intracorneales Sistemas vibro y electro-táctiles para personas con discapacidad visual y auditiva severa Marcapasos Soluciones de monitoreo en tiempo real para tejidos y dispositivos internos Membranas y músculos artificiales Terapias para tratamiento de heridas y reparación de tejido Órganos artificiales bioeléctricos Plantillas implantables de regeneración para meniscos en rodillas Prótesis de cadera, oído, dentales, faciales y para recuperar la visión Válvulas artificiales Fuente: Elaboración propia. Recuperación de datos en dispositivos internos (protocolos de comunicación entre órganos artificiales y lectores externos) LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES 89 5.5.2 Proyectos de inversión De acuerdo a los reportes generados por la Asociación Nacional de Capital de Riesgo en Estados Unidos, (Venture Capital Association), las áreas con mayor inversión que impulsan el desarrollo de la megatendencia son: 1. Tecnologías terapeúticas biofarmaceúticas 2. Remodelación de tejidos 3. Servicios y productos biotecnológicos 4. Implantes bio-absorbibles 5. Plantillas implantables para la regeneración de tejidos 6. Dispositivos médicos implantables 7. Sistemas de diagnóstico implantables inalámbricos 8. Lentes intra-corneales e implantes oculares 9. Implantes ortopédicos 10. Wound care and tissue repair therapeutics. 11. Soluciones de monitoreo externo a través de sistemas remotos 12. Software para análisis de datos y texto en tiempo real 13. Impresión de tejidos vivos 5.6 Taxonomía Tabla 5.9 Taxonomía Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Productos y servicios Criopreservación automatizada de células mononucleares Medios de cultivo con sustitutos de suero fetal Procesos de regeneración celular Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Materiales piezoeléctricos Diseño y producción Polímeros electro-activos (eap) Generación de hidroxiapatita Procesos para regeneración tisular Células cultivadas y/o modificadas genéticamente Estructuras 3d que pueden imitar la estructura de un órgano Fijadores de huesos fracturados Células madres Medios de cultivo con sustitutos de suero fetal Regeneración de tejido LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 90 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Área de aplicación Área de aplicación específica Procesos para regeneración tisular Tecnología Criopreservación automatizada de células mononucleares Ingeniería de tejidos Cultivo tridimensional Regeneración de tejido Ingeniería de tejidos Esferoides tridimensionales multicelulares Diseño y producción Productos y servicios Sistemas de regeneración de órganos internos Criopreservación automatizada de células mononucleares Ingeniería de tejidos Impresión de tejidos vivos Medios de cultivo con sustitutos de suero fetal Nanocontrucciones híbridas Microestructuración de metales Interferometría con microscopio electrónico de barrido Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Elementos protésicos con señales eléctricas entre grupos de neuronas Polímeros electro-activos (eap) Microensamblaje Dispositivos de control Dispositivos bioestructurados Microestructuración de metales Microensamblaje Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Interfase cerebromáquina (bmi) Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Micro-estructuración de metales Microensamblaje Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Interfase cerebrocomputador (bci) Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Dispositivos de monitoreo Microestructuración de metales Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Sensores implantables para control de temperatura corporal LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Microestructuración de metales Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) 91 Productos y servicios Sensores implantables para control de temperatura corporal Sensores magnéticos para detección de bacterias Microsensores Sedición de metabolitos Microestructuración de metales Dispositivos de monitoreo Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Microestructuración de metales Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Sensores implantables para medir la presión sanguínea Sensores implantables para detectar compuestos tóxicos Microestructuración de metales Transductores Procesos inteligentes Dispositivos bioestructurados Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Sistemas implantables de diagnóstico inalámbrico Plímeros electro-activos (eap) Microestructuración de metales Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Sistemas vibro y electro táctiles para personas con discapacidad visual y auditiva severa Microensamblaje Poliuretanos biodegradables no-tóxicos Dispositivos de respuesta Microestructuración de metales Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Dispositivos de liberación controlada de fármacos Microensamblaje Conformados electromagnéticos Implantes en la espina dorsal LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 92 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Productos y servicios Implantes en la espina dorsal Sistemas emisor-receptor de campos magnéticos Criopreservación automatizada de células mononucleares Microestructuración de metales Dispositivos bioestructurados Dispositivos de respuesta Implantes en médula espinal Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Microestructuración de metales Procesos inteligentes Conformados electromagnéticos Dispositivos para la rehabilitación auditiva Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Generación de hidroxiapatita Microestructuración de metales Prototipaje rápido Fresadora cnc Prensado de lámina Micromanufactura Inyección de metales Implantes en cráneo Fundición de titanio Implantes a presión Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Implantes y prótesis Microestructuración de metales Conformado electromagnético Marcapasos Ingeniería de tejidos Conformados electromagnéticos Endoprótesis Prótesis de oído Polímeros electro-activos (eap) Microensamblaje Polímeros electro-activos (eap) Ingeniería de tejidos polímeros electro-activos (eap) Microensamblaje Lentes intracorneales Implantes oculares artificiales LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología 93 Productos y servicios Implante de electrodos de rayos gama mems Procesos inteligentes Prótesis para recuperar la visión Polímeros electro-activos (eap) Conjugados poliméricos de segunda generación Interferometría con microscopio electrónico de barrido Transductores Criopreservación automatizada de células mononucleares Procesos inteligentes Órganos artificiales bioeléctricos Conformados electromagnéticos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Polímeros electro-activos (eap) Microensamblaje Implantes y prótesis Endoprótesis Biomateriales Ingeniería de tejidos Prótesis de cadera Polímeros electro-activos (eap) Microestructuración de metales Ingeniería de tejidos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Válvulas artificiales polímeros electro-activos (eap) mallas metálicas (stents) Conjugados poliméricos de segunda generación Dispositivos para la mejora de arterias Biomateriales Generación de hidroxiapatita Ingeniería de tejidos Reparaciones craneales Polímeros electro-activos (eap) Diseño mecatrónico Interfaces neuronales Electrodos extraneuronales Electrodos intrafasciculares Músculos artificiales LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 94 CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Productos y servicios Algoritmos de control de la estimulación eléctrica funcional Endoprótesis Matrices de polisacáridos electroactivos Polímeros electro-activos (eap) Criopreservación automatizada de células mononucleares Ingeniería de tejidos Plantillas implantables de regeneración para meniscos en rodillas Polímeros electro-activos (eap) Prótesis faciales Biomateriales Prótesis cosméticas Músculos artificiales Ingeniería de tejidos Biomateriales Siliconas Prótesis dentales Remodelación mamaria Microestructuración de metales Criopreservación automatizada de células mononucleares Ingeniería de tejidos Implantes de reemplazo articular para dedos, cadera, rodilla, hombro y codo Polímeros electro-activos (eap) Implantes y prótesis Criopreservación automatizada de células mononucleares Implantes tisulares Separación y purificación de células madre de sangre periférica Implantes dérmicos Biomateriales Generación de hidroxiapatita Criopreservación automatizada de células mononucleares Criopreservación automatizada de células mononucleares Biomateriales Implantes en el sistema óseo Acetábulos de cadera y rodilla artificial Ingeniería de tejidos Esferoides tridimensionales multicelulares Quitosano Implantes celulares Interferometría con microscopio electrónico de barrido Ingeniería de tejidos Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Membranas artificiales LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 5: CÉLULAS, TEJIDOS Y ÓRGANOS ARTIFICIALES Área de aplicación Área de aplicación específica Implantes celulares Tecnología Productos y servicios Polímeros electro-activos (eap) Membranas artificiales Cánulas intraluminal Dispositivos implantables para ventrículos cardiácos Polímeros electro-activos (eap) Dispositivos para prótesis 95 Biometales Equipo para prótesis como clavos y tornillos Conjugados poliméricos de segunda generación Conformado electromagnético Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Implantes y prótesis Microensamblaje Prótesis externas Microestructuración de metales Microsensores Extremidades artificiales mioeléctricas (como brazos o piernas) Micro-arreglos mems Estimuladores eléctricos Biosensores Interfaces neuronal Conformado electromagnético Transductores Sensores Servicios de monitoreo Transductores Sensores Cables de nanotubos de carbón (quantum wires) Servicios de atención a pacientes Láseres tridimensionales de exploración Soluciones de monitoreo en tiempo real para tejidos y dispositivos internos Recuperación de datos en dispositivos internos Servicio de revisión de prótesis Control de infecciones Control de temperatura Servicios de terapia Control de fibrosis Evaluación estética Fuente: Elaboración propia. Terapias para tratamiento de heridas y reparación de tejido 6 Computadoras de alto rendimiento Carlos Téllez Aldo López 6.1 Descripción 6.1.1 Definición Esta megatendencia se refiere al uso de sistemas de cómputo avanzado (súper computadoras), y de sistemas formados por varios procesadores interconectados. Estos equipos son capaces de procesar enormes cantidades de información, lo que permite hacer cálculos y simulaciones imposibles en equipos de cómputo convencionales. Algunas de las áreas en desarrollo en México son las relacionadas al procesamiento digital de imágenes en 3ª dimensión, los métodos para procesamiento de datos y la localización en memoria. Para el área de cómputo de alto desempeño, los desarrollos se han enfocado por el lado eficiente de uso de memoria, localización de datos, redes de computadoras y modelado de información. 6.1.2 Detonadores Entre los elementos tecnológicos característicos se aprecia que el uso de dispositivos de entrada/salida y unidades de tratamiento ha hecho crecer el interés de otros medios de interconexión, para la transferencia de información u otras señales; mientras que la cantidad de información computacional existente provoca la búsqueda de mejores métodos o disposiciones para el tratamiento de datos, actuando sobre el orden o el contenido de los datos tratados. También, la programación computacional migra hacia la descripción por datos de objetos tridimensionales, además de que el interés de los usuarios por la transmisión de información digital (a través del LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 98 CAPÍTULO 6: COMPUTADORAS DE ALTO RENDIMIENTO internet u otros medios) está motivando a mejorar las redes de datos de conmutación y lo que muestra que existe un aumento en la demanda para productos de computación cuántica. 6.1.3 Comportamientos tecnológicos Existen siete áreas generales de desarrollo en las computadoras de alto desempeño: • Acceso, direccionamiento o asignación en sistemas o arquitecturas de memoria. • Interconexión o transferencia de información u otras señales entre memorias, dispositivos de entrada/salida o unidades de tratamiento. • Computadores digitales en general y equipo de tratamiento de datos en general. • Métodos o disposiciones para el tratamiento de datos actuando sobre el orden o el contenido de los datos tratados. • Disposiciones para el control por programa. Ejemplo: unidad de control (control por programa para dispositivos periféricos) • Modelado tridimensional (3d). Ejemplo: descripción por datos de objetos tridimensionales • Transmisión de información digital: redes de datos de conmutación El mayor desarrollo técnico se encuentra en el desarrollo de métodos para el tratamiento de datos en comparación con las computadoras digitales en general. Las áreas de mayor importancia tecnológica se encuentran en el procesamiento de los datos, las memorias y los periféricos. Un área emergente es el modelado tridimensional, la cual abrirá nuevas posibilidades de procesamiento de información más compleja. 6.2 Temas de investigación Los principales dueños de la tecnología para el área completa de computadoras de alto desempeño, en su gran mayoría son inventores independientes, lo que nos indica el valor comercial que tienen los avances en las tecnologías que impulsan la megatendencia. Además, se puede inferir el alto contenido en propiedad intelectual de los desarrolladores de los avances. Por otro lado, en cuanto al desarrollo de temas de investigación por centros de investigación privados, ibm se considera líder en el ramo, ya que esta empresa se encuentra presente en todas las áreas técnicas que configuran el área de cómputo de alto desempeño como la más importante desarrolladora de tecnologías para las hpc (High Performance Computers). LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 6: COMPUTADORAS DE ALTO RENDIMIENTO 99 6.3 Tecnologías existentes Las tecnologías existentes de mayor impacto en la megatendencia son: Tabla 6.1 Tecnologías existentes Algoritmos lógicos y de distribución de las velocidades del sonido Modelado tridimensional y el procesamiento de gráficos compuestos Modelación de distribuciones y las técnicas de asignación de canal Simulaciones numéricas de fluctuaciones y de procesos astrofísicos Sistemas de administración de bases de datos Control computarizado de actuadores Discos duros de gran almacenamiento Jerarquización de elementos de disco Arquitectura de interfaz de bus Radiación cósmica de microondas Análisis secuencial Interconexiones ópticas Redes de almacenaje Fuente: Elaboración propia. 6.4 Tecnologías emergentes Las tecnologías emergentes de mayor influencia en la megatendencia son: Tabla 6.2 Tecnologías emergentes Cálculos químico-cuánticos y de la geometría molecular Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (dasd) Variación de la amplitud con el desplazamiento (avo) Técnicas de recuperación de información sin estructura Software avanzado para sistemas complejos Espectroscopía molecular Herramientas semánticas Redes neurales Fuente: Elaboración propia. 6.5 Productos y servicios Algunos de los productos y servicios que impulsa la megatendencia se encuentran en las áreas de cálculo intensivo, almacenamiento masivo, y minería de datos (data mining). Algunos de estos son: LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 100 CAPÍTULO 6: COMPUTADORAS DE ALTO RENDIMIENTO Tabla 6.3 Cálculo intensivo Cálculo intensivo Cálculo de propiedades termodinámicas, catalíticas, fotoeléctricas, termodinámicas y físicas de nanoestructuras Estudio de la estructura de las galaxias y su evolución, de la materia interestelar, y de la estructura de las estrellas Mejoramiento de transmisión de señales satelitales y en la nitidez de aparatos de optometría médica Estudio de las propiedades electrónicas estructurales de los nano-sistemas metálicos Planeación del obras de infraestructura vial, urbanística y de rutas de transporte Estudio de la estructura del universo y del sol, y de la relación sol-tierra Identificación de recursos minerales (oro, estaño y diamantes) Búsqueda de nuevas moléculas en el espacio Análisis de formaciones estelares Construcción del genoma humano Modelación de proteínas y molecular Análisis de la química de los materiales Corrección de defectos en imágenes del espacio Dispositivos de seguridad en automóviles Diseño de oleoductos y gasoductos Diseño de materiales para automóviles Estudios hidrogeológicos Superconductores Inspección geotécnica Sistemas de frenado Fuente: Elaboración propia. Tabla 6.4 Almacenamiento masivo Almacenamiento masivo Respaldo de bases de datos con información ciudadana y confidencial Bases de datos de información genética Bibliotecas virtuales Fuente: Elaboración propia. Tabla 6.5 Minería de datos Minería de datos Bases de datos inteligentes Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 6: COMPUTADORAS DE ALTO RENDIMIENTO 101 6.6 Taxonomía Tabla 6.6 Taxonomía Área de aplicación Área de aplicación específica Astrofísica Tecnologías Productos y servicios Espectroscopía molecular Estudio de la estructura del universo Radiación cósmica de microondas Estructura del sol Simulaciones numéricas de fluctuaciones Relación sol-tierra Simulaciones numéricas de procesos astrofísicos Búsqueda de nuevas moléculas en el espacio Software avanzado para sistemas complejos Estudio de la estructura de las galaxias y su evolución Discos duros de gran almacenamiento Estudio de la materia interestelar Procesamiento de gráficos compuestos Cálculo intensivo (number crunching) Bioinformática Física y química cuántica Estudio de la estructura de las estrellas Descubrimiento de la formación estelar Análisis secuencial Construcción del genoma humano Modelado tridimensional Modelación de proteínas Procesamiento de gráficos compuestos Modelación molecular Cáculo de la geometría molecular Estudio de las propiedades electrónicas estructurales de los nano-sistemas metálicos Cálculo químico-cuántico Química de los materiales Discos duros de gran almacenamiento Cálculo de propiedades termodinámicas, catalíticas, fotoeléctrica, termodinámicas y físicas de nano-structuras Modelado tridimensional Superconductores Corrección de defectos en imágenes del espacio Óptica adaptativa Procesamiento sísmico Control computarizado de actuadores Algoritmos de distribución de las velocidades del sonido Mejoramiento de transmisión de señales satelitales Mejoramiento en la nitidez de aparatos de optometría médica Identificación de recursos minerales (oro, estaño y diamantes) LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 102 CAPÍTULO 6: COMPUTADORAS DE ALTO RENDIMIENTO Área de aplicación Área de aplicación específica Procesamiento sísmico Tecnologías Productos y servicios Modelación de distribuciones Diseño de oleoductos y gasoductos Variaciones de la amplitud con el desplazamiento (avo) Inspección geotécnica Discos duros de gran almacenamiento Procesamiento de gráficos compuestos Cálculo intensivo (number crunching) Modelado tridimensional Estudios hidrogeológicos Dispositivos de seguridad en automóviles Sistemas de frenado Simulaciones de colisiones vehiculares Procesamiento de gráficos compuestos Diseño de materiales para automóviles Planeación del obras de infraestructura vial Planeación urbanística Modelado tridimensional Planeación de rutas de transporte Redes de almacenaje Bibliotecas virtuales Jerarquización de elementos de disco Interconexiones ópticas Bases de datos distribuidas Sistemas de administración de bases de datos Arquitectura de interfaz de bus Almacenamiento masivo Bases de datos de información genética Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (dasd) Sistemas de almacenamiento pasivo Técnicas de asignación de canal Respaldo de bases de datos con información ciudadana Dispositivos de almacenamiento de acceso directo (dasd) Respaldo de bases de datos con información confidencial Herramientas semánticas Minería de datos (data mining) Análisis de datos Técnicas de recuperación de información sin estructura Redes neurales Algoritmos lógicos Fuente: Elaboración propia. Bases de datos inteligentes 7 Inteligencia artificial Alvaro José de Albornoz Patricia Escamilla Ramón Brena Raúl Monroy Rogelio Soto Rodríguez Sairam Cerón Manuel Valenzuela Edgar Vallejo 7.1 Descripción 7.1.1 Definición La Inteligencia Artificial es la rama de las ciencias computacionales que busca crear computadoras que se comporten como humanos en varios tipos de tareas que requieren el uso de inteligencia, entre ellas: • Procesamiento de lenguaje natural (hablado y escrito) • Robótica y visión (máquinas capaces de percibir y actuar sobre un medio ambiente físico) • Razonamiento experto (uso de conocimiento y razonamiento) • Juegos (ajedrez, damas, backgammon) La megatendencia se define como el uso generalizado y creciente de las técnicas de la inteligencia artificial para controlar, optimizar, predecir, diagnosticar, diseñar y explicar, procesos y sistemas en diversos sectores como salud, transporte, gobierno, empresa, manufactura, cómputo, comunicación y educación. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 106 CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL 7.1.2 Detonadores Dentro de los procesos que detonan e impulsan el avance de la megatendencia se encuentran: el aumento de la capacidad del hardware, ya que permiten procesar más información en menos espacio; la evolución en las formas de comunicarse entre el hombre y las computadoras, gracias al desarrollo de sistemas de interacción, recepción y generación de información que involucran todos los medios humanos posibles; la necesidad tecnológica de las personas para comunicarse en cualquier lado y en cualquier momento, en la actualidad la gente busca estar comunicada y conectada en cualquier lugar a donde va, porque el trabajo se vuelve parte de nuestra vida; la creciente movilidad de personas y mercancías, ya que se requiere infraestructura que permita esta la movilidad por vías marítimas, aéreas y terrestres, de manera real o virtual; el aumento del comercio internacional, pues al existir menos barreras arancelarias y más acuerdos comerciales se generan nuevos mercados de productos y servicios alrededor del mundo; la estandarización de procesos y tecnologías en las empresas, debido a que al globalizarse, las compañías y sus sistemas deben armonizarse para poder compartir información y realizar sus operaciones. 7.1.3 Comportamientos tecnológicos Esta megatendencia tendrá un fuerte impacto en la sociedad; por ejemplo, las empresas utilizarán sistemas inteligentes para el diagnóstico y toma de decisiones, el creciente uso del Internet provoca el desarrollo de más servicios basados en web, el reconocimiento de patrones se utiliza en sitios de Internet y sistemas de seguridad, la expansión del Internet a diversas poblaciones genera el desarrollo de más servicios de e-learning, las empresas buscan continuamente una optimización de sus procesos que incluya todos los aspectos del negocio y lo hacen a través de sistemas inteligentes de planeación de los recursos. Además, el aumento de tráfico genera medios de transporte y autopistas inteligentes, la comunicación entre personas se realiza a través de interfaces inteligentes y será común el control de dispositivos mediante el pensamiento. 7.2 Temas de investigación Temas de investigación de mayor relevancia: Tabla 7.1Temas de investigación Diseño inteligente Logística inteligente Algoritmos de “ruteo” en redes E-learning y tutores inteligentes LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL 107 Modelos de usuarios Agentes inteligentes Sistemas expertos difusos para la toma de decisiones Automatización de procesos administrativos Diagnóstico médico Planeación de producción Optimización de procesos y de la red grid Programación de tareas en cómputo grid Patrones de comportamiento Seguridad informática Robótica Control automático de procesos industriales Manejo y descubrimiento de conocimiento Fuente: Elaboración propia. 7.3 Tecnologías existentes Dentro del conjunto de tecnologías existentes que sostienen a la megatendencia se encuentran: Tabla 7.2 Tecnologías existentes Modelación del comportamiento normal y anómalo de aplicaciones, usuarios y sistemas operativos Criterios de seguridad (autenticación, integridad, no repudiación y privacidad) Aplicaciones en protocolos de seguridad y de transacciones Algoritmos genéticos y de schedulling Diseño mecánico Reconocimiento de patrones Teorías de manipulación Minería de datos (árboles de decisión, redes neurales, reglas expertas, entre otros) Controles automáticos y simuladores interactivos inteligentes Modelado estadístico y modelos predictivos Protocolos recocido simulado Lógica difusa Semántica cuantitativa Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 108 CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL 7.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes impulsadas por la megatendencia son: Tabla 7.3 Tecnologías emergentes Agentes inteligentes Argumentación y clasificadores Fusión de sensores Programadores lógicos controlables de alto rendimiento Análisis de cripto-sistemas Computación evolutiva Planeación de movilidad y de trayectorias Sistemas adaptativos, difusos, expertos y multiagentes Fuente: Elaboración propia. 7.5 Productos y servicios 7.5.1 Lista de productos y servicios Algunos de los productos y servicios generados se localizan en las áreas de procesos industriales, medicina, negocios, educación, gobierno, productos y servicios comerciales y seguridad. Algunos de ellos son: Tabla 7.4 Procesos industriales Procesos industriales Sistemas de control y supervisión de calidad en procesos de producción y optimización de diseño Sistemas de diagnóstico de fallas para autos Ruteo y distribución para flotillas de transporte Vehículos autónomos e híbridos Detectores de fallas sistemas de producción en serie Controladores automáticos de procesos industriales Simuladores de diseño automotriz Calles y carreteras inteligentes Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL 109 Tabla 7.5 Medicina Medicina Diagnosticadores de imágenes médicas Detectores de predisposición genética a enfermedades Dosificadores implantables de medicamentos Humanoides de ayuda para discapacitados Fuente: Elaboración propia. Tabla 7.6 Negocios Negocios Sistemas de planificación automática en organizaciones Sistemas de descubrimiento de conocimiento y de optimización multiobjetivo Modelación de usuarios Sistemas de digitalización y estandarización de contenidos e inteligentes de distribución de información Sistemas de análisis de inversiones, riesgos y tendencias Programadores de tareas en cómputo distribuido Recursos de planeación inteligente empresarial (ierp) Sistemas de: administración de incertidumbre; reconocimiento de patrones de compra Buscadores inteligentes de información Sistemas de: interpretación de índices económicos, pronósticos financieros e inteligencia de negocios Sistemas de clasificación y agrupamiento de bases de datos Sistemas de optimización de la red distribuida Fuente: Elaboración propia. Tabla 7.7 Educación Educación Automatización de los procesos de gestión educativa Tutores virtuales inteligentes Enseñanza virtual y en línea Fuente: Elaboración propia. Tabla 7.8 Gobierno Gobierno Portales virtuales para el gobierno (e-government) Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 110 CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Tabla 7.9 Productos y servicios comerciales Productos y servicios comerciales Procesadores inteligentes de imágenes Dispositivos móviles inteligentes Interfaces inteligentes Vida y visión artificial Aparatos electrodomésticos inteligentes Robots de servicio Fuente: Elaboración propia. Tabla 7.10 Seguridad Seguridad Aplicaciones de software y hardware para protección de equipos, datos y redes Identificadores de patrones de conducta sospechosos Sistemas de detección de intrusiones en programas computacionales Dispositivos de seguridad Fuente: Elaboración propia. 7.5.2 Proyectos de inversión a) Vehículos híbridos, vehículos autónomos, logística, programación de tareas, robótica, control automático de procesos: Compañías como Honda, Rockwell, General Electric y FLSmith están apostando a proyectos de automatización de vehículos autónomos, robótica y automatización. Los proyectos de vehículos autónomos tienen una competencia internacional, un ejemplo importante es “DARPA Urban Challenge”1 en donde universidades como Stanford y el mit invierten en la investigación y desarrollo de estos proyectos que integran varias tecnologías de Inteligencia Artificial. b) Herramientas de software para el diagnóstico de predisposiciones genéticas a enfermedades y sistemas inteligentes para el apoyo a la toma de decisiones: Estas herramientas basadas en técnicas de inteligencia artificial pueden complementar los resultados de los métodos estadísticos tradicionales en aplicaciones de medicina para contribuir al entendimiento de los orígenes de enfermedades. c) Sistemas inteligentes basados en reglas difusas para la toma de decisiones: Estos sistemas expertos se utilizan para representar conocimientos, por ejemplo: procesos de producción. 1) http://cs.stanford.edu/group/roadrunner/ LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL 111 d) Sistemas de toma de decisiones gubernamentales, portales de e-Gobierno (como en Ciudad de México y Morelos), sistemas de toma de decisiones en reclusorios y juzgados, sistemas de distribución y acceso a la información, sistemas de detección de patrones sospechosos y sistemas inteligentes: fuertes proyectos de inversión se están desarrollando para integrar la tecnología computacional y en particular los sistemas inteligentes en las áreas de seguridad y procuración de justicia, así como en el poder judicial. La creación de sistemas inteligentes específicamente diseñados para descubrimiento de patrones de comportamiento delictivos, soporte a la toma de decisiones judiciales y pre-liberaciones en reclusorios, ha generado una nueva área de trabajo dentro de la megatendencia. e) Paquetes computacionales de Analytics para la toma de decisiones basada en datos: que buscan apoyar la toma de decisiones optimizando herramientas como la minería de datos, econometría, optimización y administración de modelos.2 f) Bussiness intelligence, pronósticos financieros, distribución de información y análisis de riesgos, son áreas en las que el ritmo de inversión es creciente. Prácticamente todas las grandes compañías dedicadas al manejo de información y de datos –como Oracle, IBM, Bull y SAP- están invirtiendo grandes cantidades en el desarrollo de nuevos proyectos.3 7.6 Taxonomía Tabla 7.11 Taxonomía Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Sistemas expertos Clasificadores Computación evolutiva Procesos industriales Fabricación y diseño Sistemas de diagnóstico de fallas para autos Redes neurales Sistemas difusos Sistemas expertos Lógica difusa Planeación de trayectorias Vehículos híbridos Vehículos autónomos 2) Compañías como Google y sas ofrecen paquetes computacionales de Analytics 3) Existen productos en etapa de prototipo como JITIK: www.ensitech.com LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 112 CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Árboles de decisión Sistemas expertos Lógica difusa Vehículos autónomos Computación evolutiva Fabricación y diseño Programador lógico controlable de alto rendimiento Simuladores de diseño automotriz Modelado estadístico Procesos industriales Clasificadores Calles y carreteras inteligentes Sistemas expertos Planeación de trayectorias Ruteo y distribución para flotillas de transporte Computación evolutiva Sistema de optimización de diseño Sistemas expertos Computación evolutiva Redes neurales Control de calidad Sistemas difusos Sistemas de control y supervisión de calidad en procesos de producción Modelos predictivos Sistemas expertos Clasificadores Planeación de trayectorias Recocido simulado Detectores de fallas sistemas de producción en serie Controladores automáticos de procesos industriales Reconocimiento de patrones Redes neurales Minería de datos Agentes inteligentes Diagnosticadores de imágenes médicas Sistemas expertos Medicina Diagnóstico y detección Clasificadores Computación evolutiva Reconocimiento de patrones Lógica Redes neurales Minería de datos Agentes inteligentes Sistemas expertos Reglas expertas Detectores de predisposición genética a enfermedades LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías 113 Productos y servicios Sistemas expertos Fusión de sensores Lógica difusa Dosificadores implantables de medicamentos Computación evolutiva Fusión de sensores Medicina Atención médica Teoría de manipulación Planeación de trayectorias Planeación de movilidad Árboles de decisión Humanoides de ayuda para discapacitados Modelado estadístico Lógica difusa Computación evolutiva Modelado estadístico Computación evolutiva Redes neurales Sistemas de planificación automática en organizaciones Sistemas difusos Sistemas expertos Planeación y administración Árboles de decisión Clasificadores Redes neurales Computación evolutiva Lógica difusa Algoritmos genéticos Negocios Recursos de planeación inteligente empresarial (ierp) Sistemas de descubrimiento de conocimiento Sistemas de optimización multiobjetivo sistemas de administración de incertidumbre Sistemas expertos Lógica difusa Modelado estadístico Modelación de usuarios Semántica cuantitativa Algoritmo genético Mercadotecnia Sistemas expertos Lógica difusa Clasificadores Modelado estadístico Semántica cuantitativa Computación evolutiva Sistemas de reconocimiento de patrones de compra LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 114 CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Clasificadores Mercadotecnia Simuladores interactivos inteligentes Sistemas de digitalización y estandarización de contenidos Sistemas expertos Modelado estadístico Computación evolutiva sistemas de análisis de inversiones Lógica difusa Sistemas expertos Computación evolutiva Lógica difusa Sistemas expertos Modelado estadístico Sistemas de interpretación de índices económicos Sistemas de pronósticos financieros Sistemas expertos Análisis económico Modelado estadístico Sistemas de análisis de tendencias Computación evolutiva Lógica difusa Sistemas expertos Negocios Modelado estadístico Sistemas de análisis de riesgos Computación evolutiva Sistemas expertos Modelado estadístico Computación evolutiva Sistemas de inteligencia de negocios Lógica difusa Semántica cuantitativa Sistemas expertos Modelos predictivos Algoritmos de schedulling Minería de datos Computación evolutiva Sistemas inteligentes de distribución de información Lógica difusa Clasificadores Clasificadores Modelado estadístico Semántica cuantitativa Buscadores inteligentes de información LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Sistemas expertos Programadores de tareas en cómputo distribuido Algoritmos de Schedulling Computación evolutiva Algoritmos de Schedulling Negocios Minería de datos 115 Patrones de comportamiento Sistemas de optimización de la red distribuida Sistemas expertos Clasificadores Semántica cuantitativa Sistemas de clasificación y agrupamiento de bases de datos Algoritmo genético Sistemas expertos Gestión educativa Educación Enseñanza inteligente Computación evolutiva Simuladores interactivos inteligentes Automatización de los procesos de gestión educativa Computación evolutiva Enseñanza virtual y en línea Sistemas expertos Tutores virtuales inteligentes Árboles de decisión Modelado estadístico Semántica cuantitativa Computación evolutiva Gobierno Minería de datos Comercio Semántica cuantitativa Portales virtuales para el gobierno (e-government) Clasificadores Procesadores inteligentes de imágenes Clasificadores Visión artificial Planeación de trayectorias Dispositivos móviles inteligentes Lógica difusa Aparatos electrodomésticos inteligentes Sistemas expertos Modelado estadístico Productos y servicios comerciales Lógica difusa Sistemas inteligentes Interfaces inteligentes Planeación de trayectorias Computación evolutiva Sistemas adaptativos Árboles de decisión Modelado estadístico Lógica difusa Vida artificial LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 116 CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Computación evolutiva Vida artificial Diseño mecánico Control automático Productos y servicios comerciales Sistemas inteligentes Árboles de decisión Modelado estadístico Planeación de trayectorias Robots de servicio Lógica difusa Computación evolutiva Sistemas multiagentes Fusión de sensores Modelación del comportamiento normal y anómalo de aplicaciones, usuarios y sistemas operativos Análisis de cripto-sistemas Aplicaciones en protocolos de seguridad Protocolos de transacciones Seguridad biométrica Criterios de privacidad Dispositivos de seguridad Criterios de autenticación Criterios de integridad Criterios de no repudiación Sistemas expertos Seguridad Clasificadores Modelado estadístico Semántica cuantitativa Argumentación Seguridad informática Modelación del comportamiento normal y anómalo de aplicaciones, usuarios y sistemas operativos Análisis de cripto-sistemas Aplicaciones en protocolos de seguridad Protocolos de transacciones Criterios de privacidad Aplicaciones de software y hardware para protección de equipos, datos y redes LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 7: INTELIGENCIA ARTIFICIAL Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías 117 Productos y servicios Criterios de autenticación Criterios de integridad Criterios de no repudiación Sistemas expertos Seguridad informática Clasificadores Aplicaciones de software y hardware para protección de equipos, datos y redes Modelado estadístico Semántica cuantitativa Seguridad Argumentación Clasificadores Redes neurales Sistemas de detección de intrusiones en programas computacionales Sistemas expertos Criminalística Modelado estadístico Computación evolutiva Fuente: Elaboración propia. Identificador de patrones de conducta sospechosos 8 Materiales inteligentes e ingeniería de superficies Joaquín Oseguera Olimpia Salas Alex Elías Horacio Ahuett Ciro Rodríguez 8.1 Descripción 8.1.1 Definición Materiales cuyas propiedades eléctricas, mecánicas, acústicas o cuya estructura, composición o funciones cambian de manera específica en respuesta a un estímulo proveniente del ambiente. Este cambio debe ser predecible y capaz de ser incorporado como tecnología en productos comerciales. La ingeniería de superficies se refiere a la modificación de la superficie de cualquier material para producir componentes con una combinación única de propiedades que mejoren –de manera predecible- su desempeño, impacto en el ambiente y costo. Existen principalmente 5 diferentes tipos de materiales inteligentes, también utilizados en la ingeniería de superficies: piezo-cristales (pzt), metales con efecto memoria, metales magneto-resistivos, vidrios electro-crómicos y los polímeros electro-activos y de efecto memoria. 8.1.2 Detonadores Los principales impulsores de la megatendencia son los avances en las disciplinas involucradas, que incluyen: ciencia de superficies, técnicas LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 120 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES de vacío, magnetismo, caracterización de superficies, plasmas, electrónica, biotecnología, catálisis y sobretodo los avances en nanotecnología. 8.1.3 Comportamientos tecnológicos El impacto de la ingeniería de superficies se puede medir a través del número de sectores donde tiene aplicaciones. Se han identificado al menos 15 sectores primarios donde esta disciplina es un importante recurso tecnológico, incluyendo los biomateriales, la generación de energía, la transformación de metales, la electrónica, la extracción de petróleo, la industria automotriz, la aeronáutica y la alimentaria. Por ejemplo, un estudio hecho en Inglaterra indica que el 80% de las industrias aeronáutica y automotriz depende de la ingeniería de superficies y se ha reconocido que es uno de los métodos más importantes para diferenciar un producto en términos de calidad, desempeño y costo. Adicionalmente, el progreso en esta disciplina ha permitido a su vez el desarrollo de tecnologías emergentes muy relevantes en las economías actuales por ejemplo los mems4, el almacenamiento de datos y las fibras ópticas. Actualmente algunas industrias están estrechamente vinculadas a la utilización de superficies y materiales inteligentes, como la aeronáutica, en donde la eficiencia de los motores no se puede aumentar sin el uso de barreras térmicas aplicadas en las superficie de componentes sometidos a altas temperaturas y cargas. Otro ejemplo es el desarrollo de recubrimientos protectores para ambientes carburizantes, que ha requerido del desarrollo de modelos termodinámicos para aumentar las bases de datos de corrosión en estos ambientes. Así también, la adaptación de la espectrocopía molecular ha permitido analizar in-situ los productos de la corrosión aumentando al mismo tiempo el rango de aplicaciones para esta técnica de análisis (Argonne, 2007) Existen diversos tipos de materiales inteligentes que están establecidos a nivel comercial, ya que las aplicaciones potenciales de estas tecnologías abarcan múltiples industrias. En México hay oportunidades en diversas áreas, particularmente en la industria aeronáutica, en el desarrollo de la bio-medicina, para las aplicaciones de los bio-materiales y en la industria automotriz. Esta megatendencia está influenciando muchos productos industriales y de consumo. Por otro lado, la diversidad ambiental y el cambio climático generan la demanda del diseño de materiales vinculados con las propiedades y condiciones en que actuarán. Además, debido a la pérdida de la calidad de ciertos instrumentos se diseñan mejores técnicas de análisis de corrosión y desarrollo de recubrimientos protectores. También, para mejorar las superficies se está diseñando la aplicación de tratamientos termoquímicos convencionales y asistidos por plasmas. Para la caracterización superficies y materiales se incrementa el uso de difracción de rayos X, la microscopía de campo y la 4) Sistemas micro-electro-mecánicos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES 121 microscopía de tunelaje. Finalmente se han utilizado diversas formas de interacción de la radiación con la materia para caracterizar estructuralmente los materiales y superficies A continuación se presentan ejemplos de la manera en que industrias existentes han introducido el uso de materiales inteligentes. Se discuten también casos en que estas aplicaciones pueden ampliarse. 8.1.3.1 Biomateriales La biocompatibilidad de un material es quizá su propiedad más importante cuando éste es usado como prótesis en la medicina y en el campo dental. La biocompatibilidad significa que el material no es tóxico, es decir, que no genera una reacción de rechazo cuando es implantado en el cuerpo. Antes de la aparición de los materiales inteligentes y debido a las rigurosas demandas de las propiedades del material para biocompatibilidad, sólo tres materiales metálicos habían sido autorizados para usarse como materiales para implantes: Fe–Cr–Ni, Co–Cr and Ti–Al–V. Las investigaciones realizadas en la compatibilidad del Ti–Ni (nitinol), material con efecto memoria, demuestran que éste tiene una resistencia a la corrosión superior a otros materiales metálicos. Esto se debe a la formación de capas pasivas de óxido de titanio (TiO2). Esta cualidad permite el uso extensivo de brackets de nitinol en la industria dental, por ejemplo. Se ha reportado también el uso de grapas para unir hueso en el campo de la medicina. De igual manera, esta propiedad permite el desarrollo de equipo quirúrgico y de dispositivos médicos. A partir de materiales inteligentes se ha desarrollando equipo de diagnóstico y farmacéutico para tratamientos, así como prótesis. Ejemplos típicos son las pinzas para biopsias y stents (cubiertas intra-arteriales) de nitinol. 8.1.3.2 Estructuras inteligentes Las estructuras inteligentes son compuestos de materiales que incorporan las funciones particulares de sensores y actuadores para desarrollar acciones inteligentes que permiten detectar y prevenir fallas en éstas. Los cinco componentes básicos de una estructura son: adquisición de datos (sensores táctiles), transmisión de datos (nervios sensores), unidad de comando y control (cerebro), instrucciones de datos (nervios motores) y mecanismos de acción. El desarrollo de estructuras con base en materiales inteligentes ha sido explorado en los campos de la construcción, la aeronáutica y la industria automotriz. Por ejemplo, existen puentes equipados con sensores para monitorear la propagación de fracturas, desplazamiento de juntas, vibración y corrosión. 8.1.3.3 Tecnología electrónica automotriz La principal área de aplicación es en sensores, entre los que destacan los sistemas micro electro-mecánicos o mems, utilizados en el sistema de antibloqueo (abs); en el sistema de sensado de los cinturones de seguridad; en la detección de apertura y LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 122 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES cierre del quemacocos y en la detección de las condiciones hidráulicas de los sistemas abs y vso, por citar algunos ejemplos. Estos sensores utilizan generalmente materiales piezo resistivos (pzt). 8.1.3.4 Estructural en el campo automotriz La empresa General Motors tiene como objetivo para el 2010 el desarrollo de aleaciones de memoria de forma y de polímeros para integrarlos en los nuevos diseños de vehículos, donde se desea aprovechar la ventaja de estos materiales para manipular sus propiedades. En particular, la capacidad para recuperar la forma y rigidez cuando son sometidos a un proceso de calentamiento, a un campo magnético o a una fuente de voltaje pueden ser útiles después de un impacto. Otro ejemplo de los resultados que gm ha obtenido es el desarrollo de suspensiones semi-activas (Delphis’s MagneRide). Ésta ha demostrado las bondades que existenten al utilizar fluidos magnetoreológicos, los que presentan una rápida respuesta ante diferentes situaciones de manejo. Su aplicación permite la eliminación de válvulas electromecánicas y una mayor versatilidad de los amortiguadores (al poder cambiar hasta 1,000 veces por segundo el parámetro de viscosidad). El resultado final es un incremento en la seguridad y en el nivel de control de estabilidad del vehículo. 8.1.3.5 Vibraciones Las vibraciones y el ruido de transmisión estructural constituyen uno de los problemas fundamentales cuando se quiere mejorar el confort en los medios de transporte, aumentar la vida útil de elementos y componentes o cuando se pretende reducir las vibraciones en procesos en máquinas-herramienta para mejorar la calidad de los acabados superficiales. La solución del problema de la transmisión de vibraciones estructurales se puede abordar ya sea controlando las fuentes o impidiendo el paso de las vibraciones a través de los elementos de conexión. En este último caso, el aislante debe mantener dos cualidades que son generalmente excluyentes: capacidad de filtrado de vibraciones y sacrificar rigidez estructural. Para lograr estas características, se han utilizado materiales piezocerámicos monolíticos embebidos en una matriz viscoelástica o fibras con matriz polimérica. Además de añadir la resistencia del material base, la flexibilidad de la matriz polimérica permite la confortabilidad en las superficies curvas y proporciona una coraza de protección alrededor del material piezoeléctrico. En la medida en que los diseñadores de productos tengan un mejor entendimiento de las cualidades de los Materiales Inteligentes, sus aplicaciones habrán de incrementarse. En la actualidad, la aplicación y cualidades de estos materiales no forman parte de los cursos de enseñanza regulares de entrenamiento de ingenieros. Esto es particularmente cierto en México. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES 123 Por otro lado, algunas de las áreas en las que existe un potencial inmediato para la aplicación de materiales inteligentes son: Carreteras inteligentes / ingeniería civil El beneficio de construir un sistema de transporte inteligente tendrá un tremendo impacto en la productividad. El principal objetivo en sistemas de automatización mediante el uso de carreteras inteligentes es el mejoramiento de seguridad y reducción de accidentes de tráfico. Transductores / electrónica Actualmente el crecimiento en el mercado de transductores ha sido rápido y se predice que continuará a su actual paso. El mercado de sensores era de $5 mil millones de dólares en 1990, y creció a $13 mil millones de dólares con un crecimiento anual del 8% durante la siguiente década. Los sensores piezo-eléctricos y electro-restrictivos abarcan una porción significativa del mercado de transductores fundamentalmente debido a la producción automotriz, amortiguamiento de vibraciones activas y la generación de imágenes médicas. Baterías / electrónica Las baterías son la principal fuente de poder. Actualmente el mercado de las baterías excede los $30 mil millones de dólares por año. Los rápidos avances tecnológicos y miniaturización en electrónica han creado un incremento de la demanda por baterías compactas e iluminación. Ejemplos de dispositivos portátiles son celulares, laptops, computadoras y cámaras de video las cuales requieren baterías de alta densidad de energía. El desarrollo de baterías de alta densidad de energía está siendo posible debido al desarrollo de materiales inteligentes y procesos. Actuadores electromecánicos / equipo quirúrgico El desarrollo de actuadores electromagnéticos de precisión ha crecido de manera importante. La principal ventaja de estos actuadores es su alta precisión, en el orden de los 10 nanómetros, rápida respuesta en el tiempo (10 μs) y alta fuerza regenerativa con baja propulsión. Estas propiedades de los actuadores electromagnéticos hacen que sean atractivos para sistemas ópticos, maquinaria de precisión y pequeños motores de alta potencia. 8.2 Temas de investigación Temas de investigación sobresalientes a nivel mundial: LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 124 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES Tabla 8.1 Temas de investigación El uso comercial de tecnología ultrasónica de imágenes Transductores magnetorestrictivos en equipo industrial Terminación magnetoreológica (MRF), tecnología de afinamiento de superficies Sistemas de control de ruido en equipo industrial Investigación de estructuras adaptables y compositos inteligentes Fluidos magnetoreológicos (ERF), fluidos que cambian de viscosidad debido a una carga eléctrica Fuente: Elaboración propia. En México, de acuerdo a datos del 2003, menos de 5 de los más de 500 proyectos que recibieron apoyo en la convocatoria de Ciencias Básicas de conacyt podrían considerarse como asociados a materiales inteligentes. Entre las líneas de investigación relacionadas que se reportan en la actualidad se encuentran: • Desarrollo de Materiales Electro-cerámicos (Centro de Materiales Avanzados cimav) • Caracterización de Bio-materiales (ipn) Para el 2006, hubo un incremente ligero, pues se identificaron 5 proyectos de entre los más de 500 apoyados a través de la convocatoria de Ciencias Básicas. • Polímeros opto-electrónicos para aplicaciones en holografía dinámica, comunicaciones ópticas, celdas fotovoltaicas ($1,750,000 para el Centro de Investigaciones en Óptica) • Sensores MEM para gasas ($335,000 Cinvestav) • Materiales catalíticos inteligentes para reducción de Nox ($2,200,000 unam) • Bio-materiales para remediación de aguas residuales ($1,300,000 uam) • Polímeros inteligentes para el encapsulamiento y liberación de sustancias bio-activas ($1,140,00) Se nota un interés por desarrollar materiales que permiten reducir la contaminación. 8.3 Tecnologías existentes Las tecnologías asociadas con la ingeniería de superficies tiene diversas vertientes que pueden agruparse en dos conjuntos. El primer grupo está asociado con la síntesis de materiales, éste tiene como recurso principal los tratamientos termo-químicos asistidos por plasmas. El depósito físico de vapores, el depósito químico de vapores, el “plasma spray” y el plasma por arco, son ejemplos relevantes de este grupo de tecnologías. Es importante destacar que este grupo de desarrollos sostienen sus procesos con base en sistemas tecnológicos que requieren niveles de vacío importantes. En un segundo grupo se tienen los tratamientos termoquímicos convencionales, tal es el caso de la reacción LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES 125 gas-sólido, o variantes de esta, las post-descargas, las cuales producen especies neutras pero excitadas en diversas configuraciones electrónicas, para estas tecnologías la difusión de un elemento desde un gas hasta el sólido es el evento principal en el proceso. Dentro de las tecnologías existentes encontramos: Tabla 8.2 Temas de investigación Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad y de carbono-boro-nitrógeno o a base de cromo-platino Rociados térmicos, nitruración, inmersiones térmicas, pulverización catódica Piezo-cerámicos, piezo-eléctricos y piezo-resistivos Polímeros biocompatibles y conductivos Luminiscencia en fibras ópticas Estructuras multicapa Depósitos por láser pulsado y por transferencia inducida por láser de biomoléculas Ligamentos artificiales con nanoestructuras bioactivas Materiales cerámicos y magnetorestrictivos Difracción de rayos gama Electrodeposiciones Fuente: Elaboración propia. 8.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes en la megatendencia son: Tabla 8.3 Tecnologías emergentes Capas mecano-luminiscentes Deposiciones pacvd asistidas por plasma ecr Descargas deb arco Interacciones haz de láser-sólido Implantaciones por plasma nanocomposite de compuestos metálicos Nanotubos de arcilla Vaporizaciones con láser Fluidos magnetoreológicos Fusiones de polímeros Tecnologías híbridas LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 126 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES Pistola de iones de cátodos hollow (hollow cathode ion gun) pvd Industrial Matrices viscoelásticas Multicapas moleculares Tratamientos termoquímicos por difusión Inmersiones iónicas en plasma Recubrimientos en capa McrALY, sonaspray o spray forming Superficies hidrofóbicas Metal dusting Fibras con matrices poliméricas Impregnaciones por vacío High energy Electron Synchroton Resonance Películas nano-estructuradas Fuente: Elaboración propia. Estados Unidos y el Reino Unido son los países líderes en investigación y uso de materiales inteligentes. Lo anterior debido al alto presupuesto destinado por sus respectivos departamentos de defensa nacionales. Sin embargo, las aplicaciones van más allá del desarrollo de sistemas dedicados con fines bélicos, las áreas de biomedicina y transporte terrestre y aéreo han sido campo fértil para el uso de estos materiales. Estos materiales abren posibilidades tecnológicas que pueden ser aplicadas en la generación de nuevos productos. Los materiales inteligentes fortalecen las tecnologías emergentes que tienen como objetivo crear sensores y actuadores que simplifiquen mecanismos, incrementen la eficiencia energética y reduzcan el volumen en los productos finales. Algunos ejemplos específicos de tecnologías emergentes se presentan a continuación. a) Motor Ultrasónico: basado en el movimiento del rotor a base de vibraciones excitadas en un estator por medio de efectos piezoeléctricos. La sincronización de las pulsaciones generadas por los actuadores piezoeléctricos producen velocidades de rotación ultrasónicas que pueden ser aplicadas en micro-maquinado con arranque de viruta, tales como micro-fresado y micro-taladrado. b) Polímeros estimulo-receptivos: la Universidad de Case Western Reserve con una inversión de $335,000 dólares, está realizando investigación en polímeros estimuloreceptivos los cuales cambian mediante la aplicación de un estímulo externo como cambios en su temperatura, fuerza iónica, ph, campos eléctricos y magnéticos o mediante análisis químico o biológico. Las principales aplicaciones son películas inteligentes en sensores, actuadores y dispositivos electro-ópticos. c) Materiales magnéticos inteligentes para sensores: la Universidad de Sheffield con un monto de €120,323 euros está realizando investigación en películas magnéticas LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES 127 ultra-delgadas, la investigación presenta la oportunidad de establecer cómo es que diferentes técnicas de fabricación cambian las propiedades magnéticas y microestructuras de materiales inteligentes tales como las aleaciones FeCo y FeGa. Estos tienen aplicación práctica en discos magnéticos y memorias de computadora. d) Reducción retroalimentada de vibraciones mecánicas: mediante la aplicación de actuadores eléctricos se puede reducir e inclusive cancelar las vibraciones mecánicas de estructuras, tales como fuselajes de aviones. De esta manera, los aviones que entren a la zona de resonancia durante su vuelo podrán cancelar las vibraciones mecánicas que podrían generar inestabilidad durante su trayecto o inclusive una falla catastrófica; esto mediante un panel compuesto por tecnología basada en actuadores piezoeléctricos, conocido como panel de vibración supersónico (Flutter). e) Cancelación de ruido: el ruido es considerado una vibración acústica contaminante en el ambiente, que se requiere reducir o cancelar en aplicaciones tales como salas acústicas de grabación, cabinas interiores de aeronaves o áreas industriales con procesos de producción estruendosos. En estos ejemplos como en otros casos, las fuentes de ruido no pueden ser removidas y se requiere de sistemas activos de reducción o cancelación de ruido. Es decir, sistemas que no solo aislen el ruido sino que detecten su nivel actual y que por medios activos sean capaces generar vibraciones acústicas para disminuir o cancelar el ruido ambiental. La tecnología de generación de ondas sonoras mediante membranas excitadas con actuadores piezoeléctricos ha demostrado gran potencial para la disminución y cancelación de ruido con la posibilidad de aplicarse en áreas confinadas. f) Control de amortiguamiento activo: la tecnología de amortiguamiento activo de vibraciones basada en elastómeros y fluidos tiene grandes ventajas sobre los sistemas de amortiguamiento pasivo aplicado en la industria del transporte terrestre y aéreo. Los avances en el diseño de rotores de alta velocidad y bajo costo han provocado que se genere en poco tiempo un desbalanceo dinámico en los vehículos y naves. Este desbalanceo produce vibraciones que disminuyen la confortabilidad en el interior de los medios de transporte. Así, los sistemas de amortiguamiento activo se adaptan a las condiciones variables para disminuir el efecto de las vibraciones mecánicas y por lo tanto incrementar la confortabilidad. Los sistemas activos de amortiguamiento basados en elastómeros y fluidos magnetoreológicos además de ser adaptivos a las condiciones variables de vibraciones, son compactos con respecto a los sistemas convencionales. g) Sistemas de administración de medicamentos: los avances de la investigación biomédica han abierto campos potenciales de aplicación para polímeros biocompatibles. A través de los polímeros inteligentes para administración de sustancias, los desarrollos caen en dos categorías: regular externamente o sistemas pulsantes y sistemas regulados. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 128 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES h) Impresión molecular: se están realizando investigaciones con el uso de polímeros para impresión molecular en combinación con fibra óptica luminiscente para crear sensores químicos altamente sensitivos. Este campo muestra promesas para el mercado de biosensores sintéticos. i) Visualización de la distribución de esfuerzos: la aplicación de recubrimientos inteligentes junto con capas de material con propiedades de mecano-luminiscencia para analizar esfuerzos dinámicos, no sólo da un nuevo método para una evaluación no destructiva de materiales, sino que ha abierto una ventana en el desarrollo de nuevos sistemas inteligentes y dispositivos opto-mecánicos. La función de estos dispositivos es grabar en imágenes el esfuerzo aplicado en una capa luminiscente. 8.5 Productos y servicios 8.5.1 Lista de productos y servicios Dentro de los productos y servicios generados por la megatendencia se encuentran dentro de las áreas de medicina e industria las siguientes: Tabla 8.4 Tecnologías emergentes Medicina Recubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas Impresiones moleculares Sistemas de administración de medicamentos Biosensores Fuente: Elaboración propia. Tabla 8.5 Industria Industria Absorbentes acústicos para zonas abiertas Arreglos de sensores en aeronaves Capas adherentes para aparatos mecánicos, conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos integrados Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica Baterías Carreteras inteligentes Circuitos y micro-estructuras LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES 129 Industria Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datos Conductos de agua caliente aislados térmicamente Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz Metalización de grifos y tuberías Motores ultrasónicos para robótica Pantallas de televisión y de computadoras Protección de herramientas de corte de alta velocidad y contra la corrosión a alta temperatura Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos y duros para piezas móviles del motor Herramientas de visualización de la distribución de esfuerzos Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos Válvulas y llaves de paso recubiertas con níquel-teflón Trenes de levitación magnética (MAGLEV) Aluminizado de manijas, cerraduras. Atenuación del ruido del fuselaje de un avión Recubrimientos de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua, frotamiento, fricción Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves y de vibraciones Capacitores Celdas electrovoltaicas Componentes de automóviles metalizados Cristales recubiertos con celulosa como aislante acústico Pinturas de autos con mayor resistencia al agua y al sol Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio Dispositivos semiconductores Plásticos resistentes al calor Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis Recubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico Transductores para sensores de vibraciones activas Tubos para cañerías resistentes a la corrosión Sensores de frenado para autos Fuente: Elaboración propia. 8.5.2 Proyectos de inversión Dentro de los principales proyectos se encuentran: LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 130 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES a) Desarrollo de automóviles ligeros, a través de materiales que proporcionan gracias a esta característica un mejor desempeño. b) Desarrollo de lubricantes sólidos para la industria automotriz, estos recubrimientos disminuyen notablemente la fricción c) Desarrollo de herramientas de alto rendimiento, ya que los recubrimientos superduros proporcionan una resistencia superior al desgaste d) Desarrollo de turbinas de mayor eficiencia para la industria aeronáutica: los recubrimientos de barreras térmicas permiten una mayor temperatura de operación en las turbinas aumentando su eficiencia. e) Desarrollo de materiales biocompatibles para la industria médica f) Desarrollo de dispositivos para almacenamiento de datos en la industria de la electrónica, ya que los depósitos de materiales especiales permiten obtener una mayor capacidad de almacenamiento de datos. g) Empaques en la industria alimenticia, con capacidad de respuesta ante fechas de caducidad, apertura del empaque y no toxicidad. h) Desarrollo de nuevos materiales para maquinaria diesel de alto rendimiento i) En la arquitectura, desarrollo de recubrimientos estéticos y con propiedades ópticas específicas que aumenten la funcionalidad de los diseños. j) Desarrollo de materiales cerámicos e innovación de compuestos: El centro para materiales avanzados y estructuras inteligentes de la Universidad de Norte de Carolina, está invirtiendo $3,871,172 dólares en realizar investigación en el desarrollo de materiales cerámicos, con aplicaciones en componentes estructurales, energía, barreras térmicas (aislantes), componentes electrónicos, sensores. Los materiales cerámicos estructurales pueden ser utilizados en aplicaciones de altas temperaturas, los materiales cerámicos inteligentes y parches piezo-cerámicos, además, pueden sujetarse a las superficies externas de estructuras o ser directamente implantados en el material para obtener mediciones del comportamiento estructural. El mercado mundial de estos materiales es de $8.6 miles de millones de dólares por año. k) Sensores electromagnéticos inteligentes para identificación de daños en estructuras y materiales: La Universidad de Dartmouth está invirtiendo $271,835 dólares en mejorar el desempeño de sensores electromagnéticos incrementando la sensibilidad en el control por medio de materiales inteligentes “Magnetostrictive”, el cual explota la relación entre la ganancia de control con retroalimentación y los parámetros que caracterizan el sistema de la geometría del daño. Estos sensores pueden usarse para detectar fallas en sistemas mecánicos y civiles, así como en el seguimiento de desperfectos crecientes bajo cargas aleatorias. El mercado global para el desarrollo de sensores fue de $5.7 miles de millones de dólares en el 2006 y se estima que crecerá a $9.4 miles de millones de dólares para el 2012 con una tasa de crecimiento anual del 6.4%. l) Sensores para glucosa (industria biomédica): Los sensores biomédicos están basados en el rápido avance en películas químicas delgadas, tejidos finos e ingeniería celular. Es LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES 131 previsible que los sensores biológicos puedan ser hechos usando enzimas complejas o reacciones celulares. Se vislumbra la aplicación de polímeros inteligentes en estos dispositivos en el lazo de retroalimentación, ya sea trasmitiendo una señal o respondiendo directamente a la anormalidad, por ejemplo en combinación con depósitos de drogas. Algunos de los desafíos para el desarrollo de materiales para sensores biomédicos incluyen mejoras en biocompatibilidad, tiempo de vida del sensor, minimizar las señales, maximizar la sensibilidad, desarrollo de la capacidad para ajustar los sensores en vivo y utilizar materiales que sean estériles o esterilizables. En la actualidad el monitoreo de glucosa en la sangre en los Estados Unidos asciende aproximadamente a $750 millones por año y crece a una tasa de 10% por año. Actualmente se están desarrollando sistemas para liberar enzimas sensibles a la glucosa utilizando materiales inteligentes. El uso de estos materiales permite entonces el monitoreo y la administración de medicamento. Una aplicación importante para generar este tipo de biomateriales es para eliminar el cáncer. Debido a que el cáncer es una de las principales enfermedades en el mundo. Varias terapias tales como radioactivas y quimioterapia han sido desarrolladas para eliminar el cáncer o tumores. Sin embargo el tratamiento por sí mismo es peligroso para los pacientes debido a que los productos químicos para la quimioterapia son bastante tóxicos. Por lo que la Universidad de Keele está invirtiendo €207,072 anuales en investigaciones para desarrollar pequeñas nano-cápsulas que puedan contener agentes anticáncer, estas cápsulas incluyen nano-partículas magnéticas que puedan mover la célula con cáncer o tumor mediante un magneto externo. Como puede observarse, las aplicaciones que han recibido mayor atención se encuentran en industrias en las que el desempeño funcional es de suma importancia: Aeroespacial y Biomedicina. Se menciona una aplicación emergente: monitoreo y control de daños en estructuras. A nivel de tecnología, los dispositivos que mayor uso hacen de los materiales inteligentes son los sensores y actuadores, que ven su desempeño mejorado. En el caso de instrumentos quirúrgicos, las propiedades químicas de estos materiales han permitido el incremento en el uso de estos materiales. 8.6 Taxonomía Tabla 8.6 Taxonomía Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Productos y servicios Medicina Biomateriales Depósitos por láser pulsado Recubrimientos de hidroxiapatita para prótesis médicas LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 132 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnología Depósitos por transferencia inducida por láser de biomoléculas Descargas deb arco Medicina Biomateriales Polímeros Luminiscencia en fibra óptica Electrodeposición Materiales magnéticos Estructuras multicapa Sistemas de administración de medicamentos Impresión molecular Capas conductoras, semiconductoras y aislantes para circuitos y dispositivos integrados Cabezas lectoras y dispositivos de almacenamiento de datos Recubrimientos dieléctricos de alta reflectividad Celdas electrovoltaicas Inmersión iónica en plasma Interacción haz de láser-sólido Pantallas de televisión y de computadoras Piezoeléctricos Baterías Impregnación por vacío Piezoeléctricos Industria Biosensores Vaporización con láser Polímeros biocompatibles Microelectrónica y semiconductores Productos y servicios Capacitores Circuitos y micro-estructuras Ligamento artificial con nanoestructura bioactiva Dispositivos semiconductores Polímeros conductivos Arreglo de sensores en aeronaves Piezoresistivos Sensores de frenado para autos Transductores para sensores de vibraciones activas Productos de consumo Piezoeléctricos Motor ultrasónico para robótica Electrodeposición Recubrimientos decorativos sobre metales y plásticos Rociado térmico Pisos inhibidores de desarrollo de microorganismos Paredes, pisos y muros con impenetrabilidad a polvo o microorganismos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES Área de aplicación Área de aplicación específica Productos de consumo Tecnología Productos y servicios Materiales cerámicos Vidrios para ventanas con recubrimiento térmico y óptico Rociado térmico Cristales recubiertos con celulosa como aislante acústico Recubrimiento (sonaspray) Absorbentes acústicos para zonas abiertas Multicapas moleculares Recubrimientos anti-reflejante para lentes e instrumentos ópticos Fusión de polímeros Empaques de alimentos y bebidas recubiertos para evitar la difusión de humedad y acción de la luz Materiales magnetoestrictivos Carreteras inteligentes Piezocerámicos monolíticos Matrices viscoelásticas Ingeniería y Metalurgia Industria Atenuación del ruido del fuselaje de un avión Fibras con matriz polimérica Piezoeléctricos Control de vibraciones Fluidos magnetoreológicos Control de amortiguamiento activo/pasivo en aeronaves Capas mecano-luminiscentes Visualización de la distribución de esfuerzos Spray forming Piezas aeroespaciales con aleación de aluminio Nanotubos de arcilla Plásticos resistentes al calor Recubrimientos en capa McrALI Aplicaciones cerámicas 133 Recubrimientos a base de cromo-platino Barreras térmicas para turbinas aeronáuticas y de generación eléctrica Materiales cerámicos Materiales cerámicos Conductos de agua caliente aislados térmicamente Metal dusting Protección contra la corrosión a alta temperatura Rociado térmico Recubrimiento de llantas, manillas, espejos, ventanas, faros con materiales más resistentes a la luz, agua, frotamiento, fricción Superficies / catálisis LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 134 CAPÍTULO 8: MATERIALES INTELIGENTES E INGENIERÍA DE SUPERFICIES Área de aplicación Área de aplicación específica Superficies / catálisis Tecnología Productos y servicios Superficies hidrofóbicas Pintura de autos con mayor resistencia al agua y al sol Niquelado químico Válvulas y llaves de paso recubiertas con niquel-teflon Electrodeposición Metalización de grifos y tuberías Inmersión térmica Aluminizado de manijas, cerraduras. Difracción de rayos gama Tratamiento termoquímico por difusión Tubos para cañerías resistentes a la corrosión Rociado térmico Recubrimiento de carbonoboro-nitrógeno Protección de herramientas de corte de alta velocidad Pulverización catódica Industria Electrodeposición Componentes de automóviles metalizados Estructuras multicapa Tribología (desgaste y fricción) Implantación por plasma nanocomposite de compuestos metálicos Electrodeposición Nitruración Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis mems Recubrimientos tribológicos para piezas móviles de bombas y compresores, sensores y prótesis Deposición pacvd asistida por plasma ecr Capas adherentes para aparatos mecánicos Piezoeléctricos Fuente: Elaboración propia. Recubrimientos duros para piezas móviles del motor 9 MEMS (Sistemas microelectro-mecánicos) Andrés García Aldo Díaz Sergio Omar Martínez Graciano Dieck Assad 9.1 Descripción 9.1.1 Definición Se les denomina mems (Micro-Electro-Mechanical Systems), porque su tamaño está directamente relacionado a escalas milimétricas. El impacto de la integración de sensores, actuadores y elementos electrónicos a nivel micro, proporciona soluciones con bajo consumo de energía, reducción en el tamaño de los componentes, mayores anchos de banda, mejorando la calidad de vida, desarrollando mejores aplicaciones y dispositivos en diversas áreas, entre ellas biomedicina (salud y calidad de vida), telecomunicaciones (radiofrecuencia y redes ópticas), automotriz y aeroespacial. 9.1.2 Detonadores El área de mems abarca la integración de elementos mecánicos, sensores, actuadores y elementos electrónicos sobre un substrato común. Su tamaño está directamente relacionado a escalas milimétricas, aunque actualmente la tendencia es incidir en dimensiones menores tal es el caso de los nems (Nano Electromechanical Systems), donde los dispositivos interactúan a nivel celular. 9.1.3 Comportamientos tecnológicos La introducción de los mems en dispositivos y sistemas ha mejorado la funcionalidad de ellos. Entre los avances más importantes se encuentran el uso eficiente de la energía e incremento del ancho de banda a través del diseño LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 138 CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS) de los dispositivos microelectrónicos en forma más inteligente. Cabe destacar que aunque este tipo de sistemas no se consideran 100% inmunes a fallas, sí se puede garantizar estadísticamente que los dispositivos microelectrónicos modernos tienen una confiabilidad extremadamente alta. Reducción del tamaño del sistema de sensado de temperatura, presión y nivel de líquidos del motor, así como la reducción del tamaño de sensores de posición, presión y fuerza del tren motriz y del sistema de frenado del automóvil, contemplando también la construcción de sensores en el automóvil en base a acelerómetros y giroscopios; la reducción en el tamaño de estos sistemas permite reducir el peso de los mismos y aprovechar los espacios, así mismo permite integrar más sistemas de sensado para añadir más variables informativas al conductor tanto del funcionamiento del vehículo como de las variables externas (dirección, temperatura ambiente, etc.); la minimización del tamaño de componentes electro-mecánicos (medidor de presión, acelerómetros, resonadores, switches, etc.). Los dispositivos mems usados para el desarrollo de sistemas de comunicación han traído una serie de avances tecnológicos que promueven la mejora en la forma como diseminamos, captamos y procesamos información en términos de capacidad, de energía y de tiempo de respuesta. Los Biomems también han sido de gran avance, en términos de su capacidad de revolucionar el cuidado de la salud, en el sentido de que sensores implantables, o no invasivos de los que son parte central, pueden ser usados como herramientas básicas en la práctica médica, lo que permite monitoreo continuo. 9.2 Temas de investigación Tabla 9.1 Temas de investigación Circuitos de recepción en un solo ci para el acondicionamiento electrónico y despliegue de información Sensores inalámbricos con sistemas de adquisición de datos de alto desempeño. Microlíneas de transmisión, microactuadores, circuitos integrados Biomems y rf-mems Micro-interruptores Micro-relevadores Sistemas de integración de funciones (como telefonía celular, correo electrónico, negocios electrónicos, etc.) Dispositivos de transmisión y modulación en un solo circuito integrado Inductores, varactores y capacitores Redes inalámbricas Resonadores, filtros y antenas Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS) 139 9.3 Tecnologías existentes Dentro de las tecnologías existentes en la megatendencia se encuentran: Tabla 9.2 Tecnologías existentes Actuadores Circuitos de radio frecuencia, multi-capas Dispositivos digitales de microespejos Resonadores de filamentos delgados Interruptores Antenas Circuitos para acelerómetros y giroscopios Sensores de presión y los inalámbricos Fotodetectores Transductores Fuente: Elaboración propia. 9.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes a partir del desarrollo de la megatendencia son: Tabla 9.3 Tecnologías emergentes Microsensores biológicos Microsistemas de navegación inercial Modulación interferométrica reflexiva Redes inalámbricas sensoriales Micro-antenas Líneas de transmisión micromaquinadas Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 140 CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS) 9.5 Productos y servicios 9.5.1 Lista de productos y servicios Dentro de los productos y servicios generados en las áreas del sector automotriz, electrónica, y medio ambiente, se encuentran: Tabla 9.4 Sector automotriz Sector automotriz Bolsas de aire para automóviles Medidores de nivel del combustible y de la presión del vapor Neumáticos inteligentes Detectores de rodamiento en suspensiones Sensores de velocidad angular, presión y fuerza para prótesis y órtesis inteligentes Sensores químicos Dispositivos de medición de glucosa sanguínea Sistemas implantables para administración de fármacos Biosensores Sistemas de monitoreo continuo de signos vitales Controles de estabilidad dinámicos Controladores de la fuerza del freno y de la tracción Sistemas de control electrónicos (x-by-wire) Sistemas de navegación internos Separación y caracterización de moléculas orgánicas y células Sensores fisiológicos embebidos Conteo de células de diferentes tipos in vivo Sistemas para el suministro inteligente de insulina Laboratorios en un chip (lab-in-a-chip) Sistemas de registro de actividad encefalográfica portátil Fuente: Elaboración propia. Tabla 9.5 Electrónica Electrónica Controles de consolas de video juegos Pantallas en dispositivos móviles Interruptores Telemetría inalámbrica para monitoreo y automatización de procesos preventivos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS) 141 Electrónica Inductores Reproductores multimedia personales Teléfonos móviles Espectrofotómetros Condensadores conmutables Fuente: Elaboración propia. Tabla 9.6 Medio ambiente Medio ambiente Sensores en los escapes de los autos para medir las emisiones de gases contaminantes Sensores de monitoreo de la calidad del agua y del aire Fuente: Elaboración propia. 9.6 Taxonomía Tabla 9.7 Taxonomía Áreas de aplicación Áreas de aplicación Tecnología específica Respuesta Circuitos para acelerómetros Sensores de presión Neumáticos inteligentes Sensores de presión Medidores de nivel del combustible y de la presión del vapor Circuitos para giroscopios Detectores de rodamiento en suspensiones Circuitos para acelerómetros Controles de estabilidad dinámicos Líneas de transmisión micromaquinadas Control Bolsas de aire para automóviles Circuitos multicapas Medición y monitoreo Sector automotriz Productos y servicios Circuitos para acelerómetros Circuitos de radio frecuencia Microsistemas de navegación inercial Controladores de la fuerza del freno y de la tracción Sistemas de control electrónicos (x-by-wire) Sistemas de navegación internos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 142 CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS) Áreas de aplicación Áreas de aplicación Tecnología específica Micro-antenas Productos y servicios Sensores de velocidad angular, presión y fuerza para prótesis y órtesis inteligentes Sensores químicos Dispositivos de medición de glucosa sanguinea Sensores fisiológicos embebidos Microsensores biológicos Separación y caracterización de moléculas orgánicas y células Conteo de células de diferentes tipos in vivo Medición y monitoreo Sistemas implantables para administración de fármacos Sector automotriz Sensores inalámbricos Biosensores Sistemas para el suministro inteligente de insulina Circuitos de radio frecuencia Sistemas de monitoreo continuo de signos vitales Sistemas de registro de actividad encefalográfica portátil Respuesta Circuitos de radio frecuencia Laboratorios en un chip (lab-in-a-chip) Sensores de presión Sensores de velocidad angular, presión y fuerza para prótesis y órtesis inteligentes Actuadores Interruptores Control Transductores Controles de consolas de video juegos Circuitos para acelerómetros Líneas de transmisión micromaquinadas Electrónica Antenas Procesamiento de información Reproductores multimedia personales Modulación interferométrica reflexiva Circuitos para acelerómetros Dispositivos digitales de microespejos Pantallas en dispositivos móviles LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 9: MEMS (SISTEMAS MICRO-ELECTRO-MECÁNICOS) Áreas de aplicación Áreas de aplicación Tecnología específica Procesamiento de información Electrónica Respuesta Modulación interferométrica reflexiva 143 Productos y servicios Teléfonos móviles Circuitos de radio frecuencia Redes inalámbricas sensoriales Interruptores Fotodetectores Espectrofotómetro Redes inalámbricas sensoriales Telemetría inalámbrica para monitoreo y automatización de procesos preventivos Resonadores de filamentos delgados Condensadores conmutables Circuitos de radio frecuencia Redes inalámbricas sensoriales Microsensores biológicos Medio ambiente Medición y monitoreo Resonadores de filamentos delgados Redes inalámbricas sensoriales Fuente: Elaboración propia. Inductores Sensores de monitoreo de la calidad del agua y del aire Sensores en los escapes de los autos para medir las emisiones de gases contaminantes 10 Micro y nanotecnología Álex Elias Zúñiga Ciro Rodríguez Horacio Ahuett Oscar Martínez 10.1 Descripción 10.1.1 Definición Estudio de propiedades de estructuras funcionales con dimensiones de 1 a 100 nm para la nanotecnología, lo cual permite manipular materiales a un nivel molecular y a su vez, construir moléculas complejas mediante el avance tecnológico hecho en precisión atómica. Por su parte la micro-tecnología genera la capacidad de diseñar y fabricar sistemas miniaturizados con dimensiones características que van de 1mm hasta 1micrometro. Ambas dan pie a nuevas técnicas para la creación de materiales compuestos que se pueden aplicar a la manufactura de distintos dispositivos utilizados en diversas áreas de la ciencia y de la vida cotidiana. El propósito general de esta megatendencia se centra en alcanzar los siguientes objetivos que permitan: a) La obtención de ventajas competitivas implementando la nanotecnología y buscando posicionar a las empresas en niveles tecnológicos de clase mundial; b) Generar conocimiento y experiencia en la caracterización, experimentación, metodologías, métodos y procedimientos de vanguardia que permitan el desarrollo y manufactura de dispositivos basados en materiales nanoestructurados; LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 146 CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA c) La implementación de un esquema efectivo para el desarrollo de Investigación y Desarrollo (i & d) mediante la colaboración academia-centros de investigaciónindustria; d) El desarrollo de capital humano en el área de nanotecnología aplicada al desarrollo de nuevos productos. La nanociencia consiste en el estudio de los fenómenos y manipulación de los materiales a escalas atómicas, moleculares y macromoleculares en donde sus propiedades pueden diferir significativamente en cada una de estas escalas. Por otra parte, las nanotecnologías están relacionadas con el diseño, caracterización, producción y fabricación de dispositivos cuyas formas y características son controladas en la escala del nanómetro.5 10.1.2 Detonadores El avance de la nanotecnología comenzó con el descubrimiento en Japón de los nanotubos de carbón por S. Iijima en 1991 [6]. Los nanotubos de carbón son arreglos moleculares 1/80,000 veces más delgados que el diámetro de un cabello humano o 10 veces el tamaño de un átomo de hidrógeno. Un nanotubo es una fibra hueca basada en la estructura molecular del carbono C60. Específicamente, los nanotubos de carbono son estructuras de capa de grafito enrolladas en forma de hélice para formar un tubo que puede ser de una sola pared o bien multipared como el ilustrado en la siguiente figura: Figura 10.1 Nanotubo de doble pared Fuente: The Institute of Nanotechnology, 2002. 5) The Royal Society & The Royal Academy of Engineering. Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, July 2004. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA 147 10.1.3 Comportamientos tecnológicos Resulta claro que en esta megatendencia abarca rubros que van desde la medicina hasta aplicaciones aeroespaciales pasando por el uso eficiente de energía. Los tratamientos contra enfermedades, el suministro de medicamentos y la detección de virus se vuelven menos invasivos y más exactos, los consumidores optan por materiales más ligeros y más resistentes, existe una preocupación por la contaminación que motiva a buscar alternativas de reciclaje, ahorro y almacenamiento de energía, la miniaturización entra a una nueva etapa: autos, computadoras, teléfonos e información integrada a productos comunes y los avances en la industria aeroespacial permiten el turismo espacial y la construcción de bases en satélites cercanos a la Tierra. 10.2 Temas de investigación Temas de investigación importantes para la megatendencia: Tabla 10.1 Temas de investigación Química e ingeniería de materiales Tecnología aeroespacial Energía y medio ambiente Nanomanufactura Dispositivos electrónicos Fuente: Elaboración propia. 10.3 Tecnologías existentes Algunas de las tecnologías existentes de mayor impacto en la megatendencia: Tabla 10.2 Tecnologías existentes Cristales polimétricos sintetizados Incorporación de polímeros hidrofóbicos Ingeniería de materiales, de precisión y de superficies Ingeniería mecánica Neutralización de microorganismos alterantes y patógenos Materiales nano-estructurados Lipomas recubiertos con polímeros Metales nanodepositados Memorias de acceso magnético aleatorio Sensores de fuerza e integrados Puntos cuánticos luminiscentes Súper-baterías Superficies bioselectivas Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 148 CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA 10.4 Tecnologías emergentes Dentro de las tecnologías emergentes generadas por la megatendencia se encuentran: Tabla 10.3 Tecnologías emergentes Nanocables, nanocristales de silicio, nanohilos, nanolitografía y nanotubos de carbono Biodispositivos y biomateriales Plata nano-cristalina Optoelectrónica Deposición de capa atómica (ADL) y química de vapores (CVD) Electrónica cuántica y plástica Ingeniería genética Fuente: Elaboración propia. 10.5 Productos y servicios 10.5.1 Lista de productos y servicios Dentro de los productos y servicios impulsados por la megatendencia sobresalen en las áreas de nanotecnología biomédica e industria, y micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas, los siguientes: Tabla 10.4 Nanotecnología biomédica e industria Nanotecnología biomédica e industria Materiales termoeléctricos Recubrimientos anti-estáticos, con aislantes térmicos, anti-adhesivos, anti-corrosivos y fotoactivos Materiales inteligentes para vehículos espaciales y estructuras espaciales Pantallas planas de computadoras y televisiones Transistores orgánicos que actúan como sensores Plataformas in vitro para detección de ácidos nucléicos y proteínas Envases activos Nano-polvos para protectores solares Marcadores inteligentes para localización de células específicas Marcadores aplicados a la imagenología y el diagnóstico biomédico Catéteres antibacteriales Marcadores celulares y moleculares LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA 149 Nanotecnología biomédica e industria Electrodos de baterías 13. Filtros para potabilizar agua 15. Armazones para cultivo celular 16. Telas hidrofóbicas Dispositivos de suministro de medicamentos para el tratamiento de cáncer de ovarios y para destrucción selectiva de células cancerosas Materiales con propiedades ópticas/ térmicas/ mecánicas / otras programables Superficies biocompatibles para prótesis Sensores de detección de elementos patógenos en alimentos Pesticidas y fertilizantes modificados genéticamente Telas que eliminan el mal olor Tratamientos antibacteriales para heridas Partículas para detección y eliminación de microbios resistentes a los antibióticos Dispositivos inteligentes de liberación de medicamentos Purificación de biomoléculas Circuitos integrados (chips de silicón) Membranas de separación y coloidales Prótesis inteligentes Dispositivos médicos implantables de monitoreo Fuente: Elaboración propia. Tabla 10.5 Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas Dispositivos electrónicos moleculares, médicos de superficies anti-alergénicas y optoelectrónicos Componentes con una elevada relación de elongación/masa y optoelectrónicos Capacitadores utilizados en autos híbridos Computadoras ópticas Láseres de puntos cuánticos Microprocesadores Reactores catalíticos Sistemas de procesamiento de señales ópticas Transistores orgánicos Celdas de combustión, de energía de almacenamiento de hidrógeno, fotovoltaicas y solares Microscopios de fuerza atómica, de resonancia magnética e híbrido Chips de memoria de súper alta densidad LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 150 CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas Fibra óptica Microcomponentes mecánicos Nano-chips multifuncionales Semiconductores Supercapacitores Fuente: Elaboración propia. 10.6 Taxonomía Tabla 10.6 Micro y nanotecnología para aplicaciones eléctricas Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Materiales termoeléctricos Recubrimientos antiadhesivos Ingeniería de superficies Recubrimientos antiestáticos Recubrimientos con aislantes térmicos Recubrimientos fotoactivos Recubrimientos anticorrosivos Nano-películas Nanotecnología biomédica e industrial Materiales inteligentes para vehículos espaciales y estructuras espaciales Ingeniería de materiales Incorporación de polímeros hidrofóbicos Materiales con propiedades ópticas/térmicas/mecánicas/ otras programables Telas hidrofóbicas Nano-hilos Nano-sensores Cristales polimétricos sintetizados Pantallas planas de computadoras y televisiones Ingeniería de materiales Superficies biocompatibles para prótesis Deposición química de vapores (cvd) Nano-litografía Transistores orgánicos que actúan como sensores LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Neutralización de microorganismos alterantes y patógenos Nano-sensores Bio-dispositivos Sensores integrados Biomateriales Ingeniería genética Ingeniería de superficies Nano-cristales de silicio Plata nano-cristalina Nano-hilos Nano-tubos de carbono Puntos cuánticos luminiscentes Nanotecnología biomédica e industrial Nano-partículas Plata nano-cristalina 151 Productos y servicios Sensores de detección de elementos patógenos en alimentos Dispositivos médicos implantables de monitoreo Pesticidas y fertilizantes modificados genéticamente Envases activos Telas que eliminan el mal olor Nano-polvo para protectores solares Marcadores inteligentes para localización de células específicas Marcadores aplicados a la imagenología y el diagnóstico biomédico Partículas para detección y eliminación de microbios resistentes a los antibióticos Tratamiento antibacterial para heridas Catéteres antibacteriales Superficies bio-selectivas Purificación de biomoléculas Lipomas recubiertos con polímeros Dispositivo de suministro de medicamentos para el tratamiento de cáncer de ovarios Puntos cuánticos luminiscentes Biomateriales Nano-cables Nano-chips Nano-membranas selectivas Marcadores celulares y moleculares Electrónica plástica Circuitos integrados (chips de silicón) Nano-tubos de carbono Electrodos de baterias Deposición química de vapores (cvd) Membranas de separación LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 152 CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA Área de aplicación Área de aplicación específica Nano-membranas selectivas Tecnologías Productos y servicios Deposición de capa atómica (adl) Membranas de separación Ingeniería de materiales Deposición química de vapores (cvd) Filtros para potabilizar agua Ingeniería de materiales Nanotecnología biomédica e industrial Ingeniería de superficies Membranas coloidales Sensores integrados Dispositivos para destrucción selectiva de células cancerosas Dispositivos inteligentes de liberación de medicamentos Nano-dispositivos Ingeniería de materiales Prótesis inteligentes Plata nano-cristalina Dispositivos para destrucción selectiva de células cancerosas Biomateriales Materiales nanoestructurados Estructuras Ingeniería de materiales Armazones para cultivo celular Materiales nanoestructurados Plataforma in vitro para detección de ácidos nucléicos y proteínas Ingeniería mecánica Microcomponentes mecánicos Memorias de acceso magnético aleatorio Nano-cristales Chips de memoria de super alta densidad Nano-tubos Nano-cables Micro y nanotecnología para aplicaciones electrónicas Nano-células Micro-componentes Nano cristales Nano-hilos Nano-chips multi-funcionales Fibra óptica Transistores orgánicos Nano-tubos de carbono Componentes con una elevada relación de elongación/masa Capacitadores utilizados en autos híbridos Dispositivos electrónicos moleculares LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 10: MICRO Y NANOTECNOLOGÍA Área de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Nano-litografía Dispositivos optoelectrónicos Super-baterías Nano-tubos de carbono Micro-componentes 153 Supercapacitores Electrónica plástica Semiconductores Nano-litografía Microprocesadores Deposición química de vapores (cvd) Reactores catalíticos Metales nanodepositados Micro y nanotecnología para aplicaciones electrónicas Aparatos ópticos Láser Ingeniería de precisión Microscopio de resonancia magnética Sensores de fuerza Microscopio de fuerza atómica Ingeniería de precisión Microscopio híbrido Electrónica cuántica Computadoras ópticas Componentes optoelectrónicos Optoelectrónica Láseres de puntos cuánticos Sistemas de procesamiento de señales ópticas Celdas de energía de almacenamiento de hidrógeno Celdas Super-baterías Celdas de combustión Celdas solares Celdas fotovoltaicas Fuente: Elaboración propia. 11 Nuevas tecnologías energéticas Pedro Ponce Cruz Ricardo Fernández Edgar Coronado 11.1 Descripción 11.1.1 Definición Aplicación de nuevas formas de conversión de la energía empleando recursos naturales renovables para sustituir recursos tradicionales no renovables (combustibles fósiles), entre estas formas de energía se encuentran: • Solar (fotovoltaico y térmico) • Eólica • Biomasa • Celdas de combustible (hidrógeno) 11.1.1.1 Energía eólica La energía eólica tuvo un desarrollo significativo alrededor de 1950 con aplicaciones muy sencillas como son sistemas de bombeo o para cargar pequeñas baterías. En los años setenta se inició con la generación de energía eléctrica para suministro de las demandas de bajo voltaje, pero la explosión tecnología permitió el empleo de este recurso como una posibilidad rentable de generación para bajo, mediano y alto voltaje. México sin lugar a dudas presenta un enorme potencial para la generación de energía eólica. Tenemos un fuerte recurso de vientos en varias zonas de la república Mexicana, como se ha demostrado en Oaxaca donde se cumplen de manera formidable las condiciones necesarias LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 156 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS para la generación Eolo-eléctrica. Dichas condiciones se muestran en la siguiente figura. Figura 11.1 Mapa Eólico de Oaxaca Fuente: National Renewable Energy Laboratory El desarrollo de los sistemas eólicos debe ir a la par con la demanda energética que presenta un crecimiento día con día. Asimismo, existen oportunidades de diseño e innovación en los aerogeneradores para hacerlos más eficientes, más capaces, más silenciosos, más baratos, etc. Lo anterior abre un gran número de líneas de investigación que permiten el desarrollo de esta oportunidad energética que muestra un gran potencial al explotarse de manera apropiada y que a su vez tiene la gran bondad de ser totalmente inocua al ecosistema. 11.1.1.2 Biomasa. El hombre ha utilizado la biomasa de diferentes maneras, la más antigua es generando calor mediante la quema de madera (combustión directa). Sin embargo la biomasa se refiera a toda la materia orgánica que puede provenir de árboles, plantas, desechos de animales, de la agricultura y urbanos. La tecnología para el desarrollo de los bio combustibles ha avanzado a pasos agigantados ya que ha probado ser eficiente y limpia, atrayendo así grandes capitales de inversión y un gran interés en su investigación y desarrollo. Los procesos que dan pie a esta tecnología se pueden dividir en combustión directa, termo-químicos y bioquímicos. Uno de los grandes componentes de este recurso alterno es el uso de combustibles sintetizados a partir de materia orgánica. Ejemplos de estos son el Bioetanol, del cual se producen actualmente 45 millones de litros en México pero que aún no tienen uso en el LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS 157 transporte ni la generación eléctrica, sino en la industria química. Otro gran participante de esta fuente alterna es el biodiesel, combustible que se procesa a partir de grasas animales o vegetales, obteniendo así propiedades muy nobles y un bajo costo. Este último ha sido desarrollado como un proyecto conjunto del Tecnológico de Monterrey y Grupo Energético S.A. Existen otro tipo de proyectos que utilizan la biomasa de desecho para genera energía, tales como “Bioenergía Nuevo León S.A.” que utiliza biogás extraído de un relleno sanitario para generar energía eléctrica en un orden de 7 MegaWatts. 11.1.1.3 Solar La energía solar se ha utilizado de distintas formas desde el principio de la civilización, siendo su principal uso el de calentar agua y algunos objetos. Albert Einstein recibió el premio Nobel de física en 1921 por la contribución a la mecánica cuántica donde habló del efecto fotoeléctrico. Este se basa en la energía que tiene la onda electromagnética (luz). la cual al estar en contacto con ciertos materiales (Si, Se, Ga, As) genera una diferencia de potencial al orientar sus átomos en cierta dirección. La ubicación global de México (entre el Ecuador y el Trópico de Cáncer) hace de este un país con un enorme potencial para el aprovechamiento de la energía solar. Esta energía puede ser utilizada tanto de manera térmica como para la generación eléctrica mediante el efecto foto-voltaico. A pesar de que la eficiencia en el aprovechamiento de la energía solar es actualmente baja (25% aprox), se ha calculado que podemos tener una generación de 6000 GigaWatts-hora por año según experimentos que se han llevado a cabo en el norte del país. La siguiente figura muestra un mapa de insolación en territorio Mexicano. Figura 11.2 Mapa de insolación en México Fuente: National Renewable Energy Laboratory LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 158 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Una de las aplicaciones experimentales de la energía solar para generar electricidad ha sido una torre solar de enfriamiento que genera hasta 200 MW; se pueden usar también máquinas térmicas tales como el motor Stirling que podría llevar energía eléctrica a donde no llega la red nacional. Sin embargo, es en la práctica donde las aplicaciones solares realmente sorprenden, como la instalación de calentadores de agua solares que utilizan la energía térmica del sol para proveer a las familias de agua caliente para cocinar o para su higiene personal. Se utilizan también paneles foto-voltaicos para generación de energía eléctrica en pequeña escala en comunidades donde es muy difícil acercar el tendido eléctrico o cualquier lugar donde se quiera aprovechar este recurso renovable. La evolución y desarrollo tecnológico son la base de nuestra megatendencia, esta ha propiciado cambios en la tecnología, cambiando la manera de generar electricidad y creando una economía de energía alternativa. 11.1.2 Detonadores México se encuentra en un momento de decisión, las estimaciones de reservas probadas de petróleo ascienden solamente a poco más de 9 años, por lo tanto se deben tomar acciones para lograr cubrir la demanda de energía, generándola de otra manera. A nivel mundial, como se aprecia en la figura 11.2, se está haciendo uso masivo de los combustibles fósiles para la generación eléctrica que, entre otras acciones, ha traído como consecuencia un aumento en los índices de contaminación provocando un incremento en las emisiones de co2, provocando el calentamiento global. Gráfica 11.1 Estado de la producción mundial de energía eléctrica por fuente.1 Otras 0.5% Combustibles renobables y desperdicios 10.8% Hidroeléctrtico 2.2% Nuclear 6.5% Carbon 24.4% Gas natural 21.2% Petroleo 21.2% Fuente: Elaboración propia. 1)  Keyword energy statistics 2005. International Energy Agency. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS 159 En México las situación no es diferente ya que de acuerdo con la Secretaría de Energía un 75% de la energía eléctrica que se consume en México se genera mediante la quema de combustibles fósiles. Sin embargo se cuenta con un gran potencial para producir energía eléctrica aprovechando los recursos renovables, como se muestra en la tabla 1. Tabla 11.1 Potencial Energético en México Altos niveles de insolación Zonas con alta intensidad de vientos Potenciales de uso de biomasa. 5 kWh/m2-día en promedio 2,900 mw datos por cfe 1,000 mw en biomasa cañera Fuente: Elaboración propia. 11.1.3 Comportamientos tecnológicos El precio y la demanda incremental de la energía eléctrica, aunados a una conciencia ambiental han dado lugar al desarrollo de energías alternas para la producción de electricidad. Estas tecnologías buscan una generación más eficiente, sin repercusiones al medio ambiente y que minimice el impacto a la salud mundial. En base a esto se han desarrollado nuevos métodos de generación y distintos protocolos (El Protocolo de Kyoto, por ejemplo) que buscan aprovechar al máximo los recursos naturales. 11.2 Temas de investigación Temas de investigación asociados: Tabla 11.2 Temas de investigación En ingeniería de materiales: Silicio Monocristalino y Polímeros Conjugados Desarrollo de nuevas tecnologías en celdas de combustible Electrónica de Potencia Uso del hidrógeno en transporte Almacenamiento de hidrógeno como auxiliar en la generación eléctrica Conversión de biomasa (biodiesel y etanol) Turbinas de velocidad variable Ciclos solares de mayor potencia Fuente: Elaboración propia. 11.3 Tecnologías existentes Dentro de las tecnologías existentes relacionadas con la megatendencia se encuentran: LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 160 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Tabla 11.3 Tecnologías existentes Ácido fosfórico Adecuación de unidades rectificadoras Aerogeneradores Aleaciones de metales Anemómetros Bombas de calor geotérmicas Cálculos del abrigo del viento Captores de calor subterráneo Procesos termodinámicos (Ciclos Brayton, Ciclos Rankine, Ciclos Stirling y Ciclos combinados) Cilindros de hormigón Colectores solares Combustibles alcohólicos Conductos para distribución de aire Controladores híbridos Convección natural y forzada Conversiones fotovoltaicas Digestión anaeróbica Diseños aerodinámicos y de generadores asíncronos Dispositivos electrónicos Turbinas: de Kaplan de eje horizontal y reversibles, hidráulicas verticales y de diferentes capacidades. Sistemas eólicos, solares térmicos y fotovoltaicos, y termodinámicos Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal) Enriquecimiento de uranio Fluidos alternos al vapor de agua Generación híbrida con ciclos eólicos Ingeniería hidráulica y mecánica Inversores matriciales Licuefacción de hidrógeno Captura de co2 Ósmosis inversa Evaluaciones físicas ( de rugosidad, del cizallamiento, del efecto de la estela y del efecto del parque) Paneles solares Rellenos sanitarios Supercondensadores Transesterificación LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS 161 Transformadores Turbogeneradores Electrónica de potencia y semiconductores Electrólisis solar Ingeniería de fluidos, y de materiales fotosensibles Sistemas de telecontrol y de control autónomo Tecnologías de ensamble, de refrigeración, electrolíticas y de construcción Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generado Fuente: Elaboración propia. 11.4 Tecnologías emergentes Dentro de las tecnologías emergentes se identificaron: Tabla 11.4 Tecnologías emergentes Técnicas de pwm Tecnologías fototérmicas y termonucleares Vapor seco Puntos cuánticos Polímeros sólidos y conjugados Plasma Plantaciones energéticas Óxidos sólidos Materiales (compuestos y fotosensibles) Membranas de intercambio protónico Modulación de vectores espaciales (spwm) Nanotubos de carbono Materiales celulosos Manejo de polímeros Empleo de igbts Carbonatos fundidos Generación de hidrógeno Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 162 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS 11.5 Productos y servicios 11.5.1 Lista de productos y servicios Algunos de los productos y servicios generados por la Megatendencia el las áreas de energía eólica, energía solar, baterías y celdas de combustible, biocombustibles, hidrógeno, energía nuclear, energía geotérmica, energía hidráulica, energía del mar, y energía termoeléctrica, son: Tabla 11.5 Energía eólica Energía eólica Turbinas eólicas de eje vertical, velocidad variable y de diferentes capacidades Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución Micro-turbinas de vientos Aerogeneradores y aeromotores Desalinizadores eólicos Diseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes) Generadores eólicos controlados por inteligencia artificial Sistemas eólicos híbridos Aerogeneradores para mar adentro Parques eólicos Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.6 Energía solar Energía solar Materiales fotosensibles Celdas fotovoltaicas libres de silicio y de combustible regenerativas Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas Turbinas de alto rendimiento Generadores pequeños para sistemas parabólicos Máquinas de mayor potencia Seguimiento del sol Gases de trabajo Paneles solares Bombeo fotovoltaico Calentadores de agua para uso doméstico o industrial Inversores Torres autoportantes y retenidas de energía solar LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS 163 Energía solar Fluidos secos (como el tolueno) Albercas solares Colectores solares de mayor nivel de absorción Fluidos alternos al vapor de agua Inversores matriciales Células solares semiconductoras Estufas solares Aparatos de calefacción y refrigeración Lámparas de alumbrado público con paneles solares Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.7 Baterías y celdas de combustible Baterías y celdas de combustible Baterías de alta densidad Súper-baterías Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.8 Biocombustibles Biocombustibles Celdas de combustible de metanol directo (dmfc) • Biodiesel, bioetanol y biogas Biodigestores anaeróbicos • Metanol Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.9 Hidrógeno Hidrógeno Celdas y contenedores para transporte de energía Producción de hidrógeno Celdas de combustible Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.10 Energía nuclear Energía nuclear Fisión nuclear Fusión nuclear Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 164 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Tabla 11.11 Energía geotérmica Energía geotérmica Desalinizadores geotérmicos Plantas de generación eléctrica Sistemas de calefacción de piscinas Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.12 Energía hidráulica Energía hidráulica Mini-hidráulicas Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.13 Energía del mar Energía del mar Convertidores noruegos de Kvaerner Convertidores dentro del mar y de energía térmica-oceánica Centrales maremotrices Columnas de agua oscilatorias Fuente: Elaboración propia. Tabla 11.14 Energía termoeléctrica Energía termoeléctrica Turbinas de ciclo combinado Fuente: Elaboración propia. 11.6 Taxonomía Tabla 11.15 Taxonomía Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Ingeniería mecánica Energía eólica Turbinas y generadores Diseño de generador asíncrono Diseño aerodinámico Turbinas eólicas de eje vertical LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Ingeniería mecánica Tecnología de refrigeración 165 Productos y servicios Turbinas eólicas de velocidad variable Diseño aerodinámico Tecnología de ensamble Tecnología de refrigeración Turbinas y generadores Diseño aerodinámico Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generador Turbinas eólicas de diferentes capacidades Micro-turbinas de vientos Diseño aerodinámico Ingeniería mecánica Ingeniería de materiales Diseño aerodinámico Diseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes) Turbinas de diferentes capacidades Controladores híbridos Sistemas híbridos de generación Adecuación de unidades rectificadoras Sistemas eólicos híbridos Inversores matriciales Energía eólica Tecnología de ensamble Evaluación de rugosidad Evaluación del cizallamiento Diseño y eficiencia Cálculo del abrigo del viento Evaluación del efecto de la estela Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución Evaluación del efecto del parque Electrónica de potencia y semiconductores Sistema de telecontrol Dispositivos electrónicos Parques eólicos Transformador Electrónica de potencia y semiconductores Anemómetro Ingeniería mecánica Diseño aerodinámico Aerogeneradores Ingeniería mecánica Aeromotores Ingeniería mecánica Aerogeneradores para mar adentro Diseño aerodinámico LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 166 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Tecnología de ensamble Diseño aerodinámico Energía eólica Sistemas de control autónomo Sistema eólico Productos y servicios Generadores eólicos controlados por inteligencia artificial Desalinizadores eólicos Conversión fotovoltaica Ingeniería de materiales fotosensibles Convección natural Convección forzada Colectores solares Materiales fotosensibles Torres autoportantes y retenidas de energía solar Materiales fotosensibles Polímeros conjugados Puntos cuánticos Celdas fotovoltaicas libres de silicio Ingeniería de materiales fotosensibles Electrólisis solar Electrónica de potencia y semiconductores Energía solar Paneles solares Modulación de vector espacial (spwm) Celdas de combustible regenerativas Inversores Generación híbrida con ciclos eólicos Generación de hidrógeno Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas Conversión fotovoltaica Ingeniería de materiales fotosensibles Ciclo rankine Ciclo rankine Vapor seco Turbinas de alto rendimiento Fluidos secos (como el tolueno) Ciclo rankine Colectores solares Albercas solares Tecnologías fototérmicas Ciclo Stirling Máquinas de mayor potencia LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías 167 Productos y servicios Ciclo Stirling Ingeniería de materiales fotosensibles Seguimiento del sol Gases de trabajo Electrónica de potencia y semiconductores Ciclo Stirling Ingeniería de fluidos Empleo de igbt’s Técnicas de pwm Tecnologías fototérmicas Ciclo Brayton Ingeniería de materiales fotosensibles Energía solar Sistemas fotovoltaicos Colectores solares Colectores solares Equipo e instalaciones Tecnologías fototérmicas Colectores solares de mayor nivel de absorción Células solares semiconductoras Paneles solares Estufas solares Colectores solares Calentadores de agua para uso doméstico o industrial Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos Tecnologías fototérmicas Construcción y diseño Inversores matriciales Bombeo fotovoltaico Sistemas fotovoltaicos Fuentes de energía portátil Fluidos alternos al vapor de agua Sistemas fotovoltaicos Tecnologías fototérmicas Baterías y celdas de combustible Generadores pequeños para sistemas parabólicos Lámparas de alumbrado público con paneles solares Aparatos de calefacción/ refrigeración Supercondensadores Super-baterías Nanotubos de carbono Baterías de alta densidad Tecnologías de construcción Biodigestores anaeróbicos Combustibles alcohólicos Materiales celulosos Biocombustibles Procesos químicos Plantaciones energéticas Metanol Transesterificación Manejo de polímeros Electrólisis Celdas de combustible de metanol directo (dmfc) LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 168 CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Rellenos sanitarios Digestión anaeróbica Productos y servicios Biogas Utilización de grasas animales Materiales celulosos Plantaciones energéticas Biocombustibles Biodiesel Transesterificación Combustibles alcohólicos Materiales celulosos Plantaciones energéticas Procesos químicos Bioetanol Transesterificación Polímeros sólidos Óxidos sólidos Ácido fosfórico Membranas de intercambio protónico Celdas de combustible Carbonatos fundidos Obtención a partir de metanol Hidrógeno Obtención por electrólisis Obtención por captura de c02 Ingeniería de materiales Combustible cerámico compuesto Producción de hidrógeno Materiales compuestos Criogénica Reactores nucleares Energía nuclear Licuefacción de hidrógeno Celdas y contenedores para transporte de energía Enriquecimiento de uranio Fisión nuclear Tecnología termonuclear Gases Plasma Ingeniería de materiales Aleaciones de metales Membranas Ósmosis inversa Fusión nuclear Desalinizadores geotérmicos Bombas de calor geotérmicas Captores de calor subterráneo Energía geotérmica Sistemas térmicos Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal) Conductos para distribución de aire Sistemas termodinámicos Aparatos de calefacción y rerigeración LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Captores de calor subterráneo Turbogeneradores Vapor seco 169 Productos y servicios Plantas de generación eléctrica Captores de calor subterráneo Bombas de calor geotérmicas Sistemas termodinámicos Sistemas de calefacción de piscinas Vapor seco Energía hidraúlica Equipo e instalaciones Construcción y diseño Ingeniería hidraúlica Mini-hidráulicas Ingeniería hidraúlica Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva Cilindros de hormigón Turbinas Turbinas hidráulicas verticales Tecnología electrolítica Energía del mar Turbinas y generadores Energía termoeléctrica Fuente: Elaboración propia. Convertidores dentro del mar Turbinas de kaplan de eje horizontal y reversibles Central maremotriz Turbogeneradores Central maremotriz Aerogeneradores Columnas de agua oscilatoria Turbogenerador Convertidores de energía térmica oceánica Ciclos combinados Fluidos Convertidores noruego de kvaerner Fluidos alternos al vapor de agua Turbinas de ciclo combinado 12 Realidad mixta José Ignacio Icaza Mercedes Muñoz Isaac Rudomín 12.1 Descripción 12.1.1 Definición El desarrollo de grandes industrias alrededor de los videojuegos, comunicaciones y otras actividades de entretenimiento, principalmente entre adolescentes, han generado la aparición de hardware de bajo costo y alto rendimiento, que mediante el software apropiado, puede ser utilizado para ampliar y mejorar los desarrollos de realidad mixta, definida ésta como el continuo que va desde la realidad hasta la realidad virtual (simulaciones inmersivas de ambientes reales), pasando por la realidad aumentada (representaciones de entidades reales aumentadas con información digital) y la virtualidad aumentada (mundos virtuales como videojuegos o Second Life, aumentados con representaciones de entidades reales). 12.1.2 Detonadores Los cambios característicos (transformaciones) que impulsan a esta megatendencia son: • Hardware, algoritmos y apis para Gráficas Computacionales. Las necesidades de la industria de videojuegos han generado el desarrollo de equipos poderosos y de bajo costo. Posibilitando gráficas interactivas en tiempo real y el procesamiento general en procesadores gráficos permite aplicaciones de videojuegos, visualización y cálculos científicos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 172 CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA y financieros, entre otros. Tecnologías, hardware y software: CPUs Multicore, GPUs, CELL-Blade, Dx10, OpenGL, GLSL, HLSL, Cg, CUDA y Rapidmind y APIs. • Interface Humano-Computadora se vuelve más rica. Cámaras, rfid, gps, dispositivos de despliegue estereoscópicos y/o portátiles así como sensores de bajo precio posibilitan interfaces más naturales para ambientes reales (por ejemplo el wii y el Iphone) y simulaciones tridimensionales. Las interfaces tangibles y hápticas, multisensoriales se vuelven comunes para aplicaciones de realidad virtual interactiva y realidad aumentada. • Equipo computacional con capacidades gráficas ya no son solo pc s, dado que ahora consolas de juego, teléfonos móviles, pdas, etc. como opciones de entretenimiento y comunicación, posibilitan la existencia de interfaces avanzadas. • Nuevos dispositivos como procesadores gráficos programables permiten simulaciones grandes y eficientes, inclusive en computadoras personales, extendiendo la simulación como una herramienta para la toma de decisiones tanto en la ciencia como en el área de negocios (avances en algoritmos y hardware de bajo costo). • El web esta morfeándose hacia Second Life y otros Metaversos; Mundos Espejo y otros medios sociales parecidos son ahora posibles debido a la existencia de redes de alta velocidad y computadoras más poderosas. La realidad mixta (mixed reality) combina objetos físicos y digitales para lograr una interacción mucho más poderosa y que tiene aplicaciones diversas en ciencia, industria y servicios. Casi todos los productos y servicios involucran el desarrollo de software; no obstante, su desarrollo requiere de muy poca inversión en equipo, debido al incesante aumento de capacidad de cómputo y capacidad gráfica de las computadoras modernas. Una observación más es que el desarrollo y el mercado para este tipo de software son inherentemente globales y no están sujeto a cuestiones de exportación/importación, ya que el software puede desarrollarse en cualquier parte del mundo e igualmente “bajarse” a cualquier sitio. 12.1.3 Comportamientos tecnológicos Muchos de los elementos asociados a la megatendencia ya se están manifestando. Actualmente los adolescentes buscan medios para la socialización y educación por medio de videojuegos, mundos virtuales y mundos espejo. La industria turística se expande hacia los viajes virtuales para planear los viajes reales (ejemplo: Google Earth). Los servidores de telefonía móvil podrán tener acceso a aplicaciones de realidad aumentada móvil para obtener información de todo tipo de objetos, eventos y entornos en base a la localización del usuario. Además, los científicos de diversas disciplinas (físicos, biólogos, sociólogos) usarán desde su escritorio simulaciones LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA 173 tridimensionales con realidad virtual o aumentada, la creación de aplicaciones de arquitectura virtual permitirá que los arquitectos llevarán a sus clientes a paseos virtuales por las edificaciones que estén diseñando, posibilitando incluso que los mismos clientes alteren esos diseños, los artistas están tomando nuevas formas de producir objetos y eventos artísticos bi/tridimensionales, en mundos virtuales o reales, y opcionalmente interactivos o alterables por el público. Por medio de plataformas virtuales los ingenieros harán uso de simulación tridimensional de diseños ingenieriles y de realidad aumentada, los médicos utilizarán simulación tridimensional de órganos del cuerpo humano así como realidad aumentada durante intervenciones quirúrgicas, los educadores diseñarán nuevos ambientes de aprendizaje en mundos virtuales; aprovecharán mundos-espejo en el currículum y utilizarán aplicaciones educativas de realidad mixta tales como simulaciones físicas, laboratorios virtuales, laboratorios reales aumentados. Finalmente, con la creación de mundos virtuales, los mercadotecnistas tendrán que utilizar nuevas estrategias de mercadotecnia y hay demanda creciente de personas capaces de lograr dispositivos y aplicaciones de realidad virtual, capaces además de trabajar en equipo con otros expertos en muy diversas disciplinas y a distancia 12.2 Temas de investigación Temas de investigación de mayor impacto en la Megatendencia: Tabla 12.1 Temas de investigación Ejercicios en realidad virtual para pacientes de infarto y otras dolencias Modelación y estructuración de drogas y proteínas Cómputo ubicuo Síntesis de Imagen Ambientes educacionales inmersivos y laboratorios virtuales Interfaces avanzadas para realidad mixta y videojuegos Simulación de multitudes Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 174 CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA 12.3 Tecnologías existentes Tecnologías existentes de mayor relación con la Megatendencia: Tabla 12.2 Tecnologías existentes En desarrollo y manejo de imágenes: Motion capture, Imágenes 3d y tecnologías de procesamiento. Tecnologías ultrasónicas para mastografías Monitores: Head-Up displays Sistemas de posicionamiento global (gps) gpus multicore Tecnologías de triangulación Fuente: Elaboración propia. 12.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes a partir de la Megatendencia son: Tabla 12.3 Tecnologías emergentes Tecnologías avanzadas de procesamiento de datos e imágenes bwc (Body Wearable Computer) Tecnologías de información 3d Procesadores gráficos programables Fuente: Elaboración propia. 12.5 Productos y servicios generados 12.5.1 Lista de productos y Servicios Dentro de los productos y servicios generados por la Megatendencia en las áreas de educación virtual, medicina, entretenimiento, seguridad y defensa, comunicaciones, arte y arquitectura e ingeniería, se encuentran: Tabla 12.4 Educación virtual Educación virtual Capacitación en la transferencia de tecnología e innovación Ambientes de aprendizaje en mundos virtuales LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA 175 Educación virtual Recreaciones de paisajes del pasado extintos Bibliotecas virtuales Diplomados y cursos de capacitación para educación virtual Paseos virtuales por ruinas reconstruidas Laboratorios reales aumentados y virtuales Fuente: Elaboración propia. Tabla 12.5 Medicina Medicina Mastografías Fuente: Elaboración propia. Tabla 12.6 Entretenimiento Entretenimiento Series de ciencia ficción con formatos 3D Video juegos Películas en tercera dimensión Fuente: Elaboración propia. Tabla 12.7 Seguridad y defensa Seguridad y defensa Dispositivos de localización de personas en ambientes al aire libre Dispositivos en aviones de combate Proyección de información necesaria para el piloto Fuente: Elaboración propia. Tabla 12.8 Comunicaciones Comunicaciones Información de todo tipo de objetos, eventos y lugares a nuestro alrededor, para teléfonos móviles Dispositivos de navegación en teléfonos móviles Fuente: Elaboración propia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 176 CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA Tabla 12.9 Arte Arte Creación interactiva virtual de productos artísticos Generación de música a partir de movimientos Fuente: Elaboración propia. Tabla 12.10 Arquitectura e ingeniería Arquitectura e ingeniería Diseños virtuales para dar a conocer edificaciones aun no construidas Conservación virtual de arqueología histórica Trazado digital Diseños de construcciones modificables por los clientes Consulta de mapas interactiva Fuente: Elaboración propia. 12.6 Taxonomía Tabla 12.11 Taxonomía Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Sistemas de aprendizaje Tecnologías Tecnologías avanzadas de procesamiento de datos e imágenes Productos y servicios Capacitación en la transferencia de tecnología e innovación Diplomados y cursos de capacitación para educación virtual Bibliotecas virtuales Educación virtual Ambientes de aprendizaje en mundos virtuales Simulación Procesadores gráficos programables Paseos virtuales por ruinas reconstruidas Recreación de paisajes del pasado extintos Laboratorios virtuales Educación virtual Simulación Procesadores gráficos programables Medicina Imágenes médicas hiperespectrales Tecnología ultrasónica para mastografías Mastografías Entretenimiento Procesamiento de imagen Gpus multicore Video juegos Tecnología de información 3d Películas en tercera dimensión Laboratorios reales aumentados LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 12: REALIDAD MIXTA 177 Áreas de aplicación Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios Entretenimiento Procesamiento de imagen Imagen 3d Series de ciencia ficción con formatos 3d Seguridad y defensa Dispositivos para seguridad y defensa Head up displays Arte Telefonía celular Diseño de obras de arte Proyección de información necesaria para el piloto bwc (body wearable Dispositivos de localización de compañeros al aire libre gps Dispositivos de navegación en teléfonos móviles computer) Comunicaciones Dispositivos en aviones de combate Tecnologías de triangulación Información de todo tipo de objetos, eventos y lugares a nuestro alrededor, para teléfonos móviles Tecnología de procesamiento de imágenes Creación interactiva virtual de productos artistícos Motion capture Generación de música a partir de movimientos Diseños de construcciones modificables por los clientes Arquitectura e ingeniería Simulación de prototipos Tecnología de información 3d Diseños virtuales para dar a conocer edificaciones aun no construidas Conservación virtual de arqueología histórica Trazado digital Fuente: Elaboración propia. 13 Tecnologías inalámbricas Alfonso Alva David Muñoz Rodríguez Luis Fernando González Pérez Jair Mercury González Ramón Rodríguez Cruz 13.1 Descripción 13.1.1 Definición Debido a que las tecnologías inalámbricas se expanden en un rango muy amplio de aplicaciones esta investigación no aborda todos los posibles usos sino los más representativos, a continuación proponemos una clasificación de tecnologías inalámbricas: 1. Redes inalámbricas ad-hoc y de sensores 2. Redes de comunicación multimedia inalámbrica 3. Redes de comunicación celular En general la primera categoría concierne al diseño e implantación de redes inalámbricas capaces de captar información del entorno para propósitos de monitoreo y control. Estas redes se emplean para un número nutrido de aplicaciones que van desde la investigación ecológica hasta la automatización industrial, monitoreo de vehículos, optimación logística de centros de salud, etc. En muchos casos acciones apropiadas deben de tomarse ante la ocurrencia de determinados eventos. Estas acciones pueden estar dirigidas por redes inalámbricas de nodos con capacidad de actuar. Las principales características de esta categoría de sistemas inalámbricos la constituyen su cobertura modesta de corto alcance, su capacidad media o baja de transmisión de información y su bajo consumo de potencia. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 180 CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS En la segunda categoría, como lo sugiere el título, colocamos a todas las tecnologías inalámbricas de alta velocidad. Por alta velocidad nos referimos a la capacidad de transmitir contenido multimedia (audio y video) en tiempo real. Ejemplos de esta categoría son las redes inalámbricas que soportan transmisión continua de audio y video, video conferencia, etc. La principal característica en esta categoría es el flujo masivo de información en ambientes interiores y regiones metropolitanas. Esta categoría puede subdividirse a la vez en redes inalámbricas de área personal (wpan), redes inalámbricas de área local (wlan) y redes inalámbricas de área metropolitana (wman). Es notable como esta categoría no depende del área de cobertura sino de la cantidad de información que comunica. La última categoría está relacionada con las comunicaciones celulares convencionales, es decir, comunicaciones de voz y datos dentro de una red metropolitana. La principal característica en esta categoría es el área de cobertura, así como la tasa de transmisión de entre 200 y 380 kbps. Dentro de esta clasificación tenemos a las tecnologías gsm y su evolución hasta umts (3g) por un lado y a cdma y su evolución por el otro. En un futuro cercano se espera que estas dos últimas categorías se mezclen en una sola área de sistemas inalámbricos y comunicaciones móviles conocida como “sistemas de comunicación 4g” 13.1.2 Detonadores Los sensores y actuadores trabajando juntos y formando redes proporcionan inteligencia en la fábrica, en la granja, en la oficina, en la clínica, en el supermercado, etc. Esta inteligencia permite un uso más eficiente de los recursos y evitar accidentes, lo que a su vez reduce considerablemente los costos de la empresa. Se desarrollarán nodos capaces de reunir información del ambiente y de activar mecanismos de una forma automática, de dimensiones pequeñas, con capacidad de procesamiento y baratos; para poder ser vendidos por millones por todo el mundo y ser costeables. Cuando una masa crítica se alcanza, un estándar puede ser desarrollado y un efecto amplificador con una retroalimentación positiva se logra. Las tendencias en redes inalámbricas de sensores seguirán esta regla. Nodos inalámbricos con sensores, actuadores y electrónica de radiofrecuencia son el tipo de dispositivo que puede ser construido como un “Sistema Inteligente en un Chip” (isoc) por sus siglas en inglés. Para permitirles a estos dispositivos un tamaño más pequeño, se conduce investigación en semiconductores basada en silicio. La madurez de esta investigación se espera para el año 2015 en el cual dispositivos confiables y baratos con baja potencia de disipación se podrán construir. El éxito no depende solamente de los avances en las tecnologías de silicio pero en una mezcla de microelectrónica y fotónica con nano-química y biotecnología. El futuro de los isocs permitirá el desarrollo de nuevos circuitos y sistemas con propiedades nuevas extraordinarias relevantes para casi cualquier sector de la economía. Esta integración apoyada en la biotecnología LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS 181 proporciona los cimientos para un futuro en el que el sensado , la percepción de las imágenes, el procesamiento de información y las comunicaciones puedan ser integrados. Para poder comunicar estos nuevos dispositivos híbridos se requiere de una plataforma. Se necesitan desarrollar nuevos protocolos y establecerse estándares. La construcción de los circuitos integrados nos impone límites en las bandas de frecuencia a las que pueden operar. La compatibilidad electromagnética de los futuros dispositivos dentro de los nodos determinará las cotas en las frecuencias de operación. Las tecnologías actualmente estandarizadas guiarán la futura investigación. Es por ello que podemos esperar el uso de sistemas móviles, reconfigurables y redes inalámbricas personales basadas en el estándar ieee 802.15 y sus estándares derivados mencionados anteriormente. Siempre que las redes bajo estos estándares puedan coexistir pacíficamente e interactuar entre ellos de manera eficiente, el desarrollo e integración de redes de sensores y actuadores será económicamente posible muy pronto. Algunas redes formadas por dispositivos de sensado interconectados entre sí, son capaces de recuperar y retransmitir contenido multimedia en forma de cadenas de símbolos de audio y video, imágenes estáticas y datos provenientes de las variables sensadas. Cuando estas redes logran la comunicación descrita a través de un medio inalámbrico se les denomina Redes Inalámbricas Multimedia de Sensores (wmsn) por sus siglas en inglés. Aplicaciones existentes que utilizan redes de sensores incluyen rastreo, automatización de enseres domésticos, monitoreo ambiental, vigilancia y reconocimiento del campo de batalla. El avance en el desarrollo de estas aplicaciones se debe en gran medida a la evolución de redes wmsn. Algunas otras aplicaciones serán habilitadas gracias al uso de estas redes próximamente, tal es el caso de los sistemas de vigilancia multimedia, los sistemas de control y disminución de tráfico vehicular, el aprovisionamiento de servicios avanzados de salud y los servicios de localización de personas. Adicionalmente a la integración de redes automáticas que sensan un dispositivo externo y actúan de acuerdo a la información recabada de a cuerdo con una máquina de estados finita, existen esquemas que demandan intercambio de información. Tecnologías pasivas que actúan cuando son interrogadas por un mecanismo inalámbrico pueden ser administradas y respuestas en tiempo real pueden ser activadas. Esta comunicación inalámbrica pasiva es un elemento nuclear de colaboración inter empresarial subyacente en muchos modelos emergentes extendidos en los negocios, la seguridad en el hogar y otros dominios. El ejemplo primordial es el de identificación por radiofrecuencia presente en las cadenas de suministro (tales como Wal-Mart, FedEx o Cisco). El siguiente paso es el de rastreo de patrones en los consumidores de manera que se puedan identificar preferencias hacia ciertos productos por zonas. Esto permitiría un mecanismo eficiente de desplazamiento de mercancía. Esta aplicación impone retos tanto en el desarrollo de etiquetas de rfid poderosas como en procesos de minería de datos. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 182 CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS Dentro de las áreas militares el número de aplicaciones es enorme. Es precisamente en este nicho en el que nacieron las tecnologías de redes de sensores y redes auto configurables. Debido a que el retorno de inversión no es la prioridad para la investigación de la marina y la armada, se espera que audaces líneas de investigación usando nuevos materiales y diferentes bandas de frecuencia sean adoptadas por este sector de la economía con el propósito de desarrollar aplicaciones de guerra. La tendencia más clara es la de la interconexión e interacción de redes reconfigurables de sensores inteligentes entre sí y con otros dispositivos inalámbricos en otras redes inalámbricas. Esta tendencia obedece a la necesidad de proporcionarle a la gente información en tiempo real independientemente del momento y lugar en el que se encuentren con el fin de incrementar su productividad y capacidades de competitividad. En el presente las tecnologías inalámbricas de alta velocidad están experimentando una enorme cantidad de mejoras gracias a los recientes avances en la teoría de telecomunicaciones y diseño electrónico en la muy alta escala de integración (vlsi) por sus siglas en inglés. Por ejemplo, en el área de uwb se espera que este año los primeros dispositivos electrónicos para consumo con esta tecnología se encuentren disponibles en el mercado. Esto hará posible la transmisión de aplicaciones multimedia en alcances cortos con mucho menos consumo de batería que lo que sus contrapartes convencionales actuales. En el área de Wi-Fi desde el año pasado ha habido muchas actividades alrededor de la estandarización del ieee 802.10. La nueva versión de este estándar, el 802.11n, es una especificación tendiente a incrementar la velocidad de red, confiabilidad y distancia de operación de las redes inalámbricas. El rendimiento en la transmisión de datos sin encabezado se espera que alcance los 600 Mbps o más de 10 veces el rendimiento del estándar 802.11g. La tecnología clave para que el nuevo estándar alcance un rendimiento de 600 Mbps es el uso de sistemas mimo que utiliza múltiples antenas en ambos sentidos. En la fuente de información o transmisor y en el destino o receptor de manera que se minimicen los errores y se optime la velocidad de la transmisión de datos. En cuanto a wimax podemos decir que para un despliegue exitoso de este tipo de redes los vendedores de equipo deben afinar su estrategia para ofrecer productos que permitan utilidades con respecto al costo de la inversión. Para ello deben conocer las necesidades del país en donde se desplegará la tecnología. Esto significa que las soluciones programables de procesamiento digital de señales (dsp) y los dispositivos de radio definidos por programas de software serán las tecnologías a ser usadas para implementar wimax. Las soluciones basadas en software proporcionan la flexibilidad para enfrentar variaciones sin tener que retomar un rediseño completo para cada mercado. En cuanto a tecnología de comunicación con base en células, la prospectiva tecnológica para las 3g se agrupa en dos nuevas generaciones: 3.5g y 4g. Algunos aspectos clave de éstas se muestran a continuación: LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS 183 1. 3.5g (3.5th Generation or LTE –Long Term Evolution-): Mejora de umts, mejora a través de otras técnicas auxiliares, tales como: iburst, hyperman, wimax, wibro, gan (Generic Access Network). Esquema usado: mimo + ofdm + sc-fdma (Single Carrier), sdma, Beamforming. 2. 4g: Los estándares serán definidos por varios grupos de investigación de telecomunicaciones (por ejemplo: Airspan, Alvarion, Aperto Networks, Ensemble, Fujitsu, Intel, Nokia, Proxim, entre otros) basados en los requerimientos sociales y tecnológicos. La frecuencia de operación prospectada: 3-5 ghz (Tendencia de Internet inalámbrico). Propuestas de esquema: concepto “a cualquier hora, en cualquier lugar”; mimo, mumimo, ipv6, sdr (Software Defined Radio), algoritmos Alamoutti. Soluciones de prospectiva tecnológica al estado del arte: ruteo móvil cooperativo (cooperative mobile routing), Redes mimo (Net-mimo), Antena Inteligente mimo, control de supervisión celular, v-doip (voice-data over IP); 3d tv, Intelligent-Software-autoconfiguration based applications, Augmented Reality (ar = Enhanced Virtual Reality –evr-). En conclusión, se busca que las tecnologías inalámbricas evolucionen hacia un escenario centrado en el usuario en donde una red de acceso generalizado dará soporte a una conexión completa en cualquier momento y lugar, basada en una infraestructura all-IP común, flexible y transparente que apoyará la escalabilidad y movilidad. 13.1.3 Comportamientos tecnológicos Entre los elementos característicos de la megatendencia más significativos tenemos que los sensores que observan variables físicas y recolectan información del ambiente para después tomar decisiones de manera autónoma permitirán evitar incendios, administrar inventarios, monitorear pacientes y realizar museos interactivos), existe una mayor dinámica en la interacción entre sensores y actuadores, con una lógica de acción más sofisticada, mediante la programación en lenguaje vhdl (lenguaje para sistemas de diseño) se podrá implementar más rápidamente los módulos de hardware, la radiofrecuencia (Rfid) permite identificar y rastrear productos y animales para los procesos de inventario y control, el uso de tecnologías inalámbricas facilita el acceso global a personas e información, por medio de las tecnologías inalámbricas se están diseñando portales en línea de servicios (como finanzas en línea, gobierno en línea), el crecimiento del uso del internet provoca una mayor demanda de entretenimiento (mayor ancho de banda), el aumento de usuarios conectados a internet provoca el desarrollo de más servidores de banda ancha inalámbrica. Finalmente, se están produciendo libros accesibles a través de la red, el Business 2 Business (b2b) facilitará la comunicación y operación organizacional y la agricultura de precisión permitirá el monitoreo mediante información vía satélite de las condiciones de tierra, agua, plagas y meteorológica en productos agrícolas. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 184 CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS 13.2 Temas de investigación Tabla 13.1 Temas de investigación Modelos matemáticos de propagación y optimización del canal inalámbrico de comunicación Diseño de baterías compactas, recargables y de alta duración Compresión de información en hardware Estructuras no resonantes en antenas Codiseño y sistemas embebidos Desarrollo de memorias y unidades de procesamiento cada vez más pequeñas y poderosas Cosechamiento de energía luminosa, térmica o cinética Interacción de protocolos de comunicación Transductores con microsensores Conservación de energía Fuente: Elaboración propia. 13.3 Tecnologías existentes Dentro de las tecnologías existentes con impacto en la megatendencia se encuentran: Tabla 13.2 Tecnologías existentes Redes: inalámbricas con interacción ip-inalámbrico; inalámbricas de área personal (wpan); inalámbricas pasivas; de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) y personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth y en zigbee Interconexión de redes de área local separadas geográfica Protocolos de aplicaciones inalámbricas (wap) Acceso inalámbrico portátil Microondas terrestres cdma Satélites de comunicación de órbita alta y sistemas de posicionamiento global (gps) Antenas: de frecuencia ultra-alta (uhf) y wifi Sistemas de administración de bases de datos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS 185 Ondas de radio de bajo poder Semiconductores de silicio umts Fuente: Elaboración propia. 13.4 Tecnologías emergentes Algunas de las tecnologías emergentes generadas por la Megatendencia son: Tabla 13.3 Tecnologías emergentes Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: Intelligent System on a Chip) Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb) Banda ultra-ancha (uwb) Fuente: Elaboración propia. 13.5 Productos y servicios generados 13.5.1 Lista de productos y servicios Dentro de los productos y servicios a partir de la megatendencia en las áreas de redes masivas y redes específicas se encuentran: Tabla 13.4 Redes masivas Redes masivas Dispositivos para transmisión de datos pesados (entretenimiento, música, videos, fotos, juegos, tv, impresiones) Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar Receptores de sistemas de posicionamiento global (gps) Servicios de red en lugares remotos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 186 CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS Redes masivas Televisión digital satelital Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados Dispositivos de comunicación automática Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil Sistemas de seguridad para transacciones virtuales Aplicaciones móviles de siguiente generación Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos Localizadores satelitales para automóviles Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos Aplicaciones para unir hot-spots Wi-Fi Soluciones de seguridad inalámbrica Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (IsoC: intelligent system on a chip) Publicidad móvil Operaciones bancarias desde pda´s o equipos celulares inteligentes Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular Dispositivos inalámbricos para computadoras Fuente: Elaboración propia. Tabla 13.5 Redes específicas Redes específicas Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros y para el control de acceso en edificios Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos Sensores para sistemas autónomos empleados en robots Auriculares inalámbricos para teléfono móvil Boletos de admisión electrónicos Teléfonos celulares con micro-navegadores Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia Etiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad) Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos RFID para señales de tráfico inteligentes en la carretera LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS 187 Redes específicas Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza Termógrafos Etiquetas para identificación de animales Fuente: Coordenadas, Órgano Oficial del Consejo Profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones, Electrónica y Computación. Año XXII, No. 78, Junio-Julio 2008. http://www.copitec.org.ar/boletines/revista/ COORDENADAS%2078.pdf 13.6 Taxonomía Tabla 13.6 Taxonomía Area de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Red inalámbrica con interacción ip-inalámbrico Servicio de red en lugares remotos Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb) Dispositivos portátiles para conexión a internet desde cualquier lugar Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Aplicaciones para unir hotspots Wi-Fi Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap) Banda ultra-ancha (uwb) Redes masivas Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia) Dispositivos para transmisión de datos (entretenimiento,música, videos, fotos, juegos, tv, impresiones) Antena de frecuencia ultra-alta (uhf) Microondas terrestres Satélites de comunicación de órbita alta Televisión digital satelital Interconexión de redes de área local separadas geográfica Microondas terrestres Receptores de sistema de posicionamiento global (gps) Sistemas de posicionamiento global (gps) Localizadores satelitales para automóviles Antenas Wi-Fi Dispositivos de conexión a redes tipo Wi-Fi para autos Banda ultra-ancha (uwb) Soluciones de seguridad inalámbrica LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 188 CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS Area de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Productos y servicios Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia) Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia) Rastreo de personas y sus patrones de consumo para el despliegue dinámico de productos Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) Interfaces interactivas intuitivas con aplicaciones, servicios y dispositivos personalizados Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Banda ultra-ancha (uwb) Dispositivos de comunicación automática Publicidad móvil Dispositivos para permitir conectividad de gran velocidad umts cdma Entretenimiento móvil vía banda ancha inalámbrica (evdo) Redes masivas Redes de comunicación multimedia (enfocado a los datos) Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap) inteligentes Banda ultra-ancha (uwb) Sistemas de seguridad para transacciones virtuales Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee Generación y envío de noticias, publicidad y eventos en el teléfono celular Sistemas de administración de bases de datos Servicios de mercadotecnia móvil y espacio de publicidad móvil Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Semiconductores de silicio Redes inalámbricas ad-hoc Operaciones bancarias desde pda´s o equipos celulares Conectividad bus serial de conexión inalámbrica universal (wusb) Acceso inalámbrico portátil Redes específicas Aplicaciones móviles de siguiente generación Red inalámbrica de área personal (wpan) Dispositivos inalámbricos para computadoras Nodos inalámbricos con sensores, actuadores, procesadores y sistemas de radiofrecuencia integrados a un chip (iSoC: intelligent system on a chip) Integración de teléfonos móviles con teléfonos corporativos LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS Area de aplicación Área de aplicación específica 189 Tecnologías Productos y servicios Protocolo de aplicaciones inalámbricas (wap) Teléfonos celulares con micro-navegadores Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en zigbee Dispositivos implantables para monitoreo de signos vitales Ondas de radio de bajo poder Sensores para sistemas autónomos empleados en robots Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en control de acceso en edificios Red inalámbrica pasiva Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Redes específicas Redes inalámbricas ad-hoc Red inalámbrica pasiva Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Dispositivos de control de aparatos electrodomésticos Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) Termógrafo Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Auriculares inalámbricos para teléfono móvil Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Auriculares inalámbricos para teléfono móvil Ondas de radio de bajo poder Etiquetas con radio frecuencia (localización de objetos en la obscuridad) Redes personales de acceso inalámbirco (wpan) basado en bluetooth Boletos de admisión electrónicos Red inalámbrica pasiva Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Etiquetas para identificación de animales LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 190 CAPÍTULO 13: TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS Area de aplicación Área de aplicación específica Tecnologías Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Redes específicas Redes inalámbricas ad-hoc Etiquetas para seguimiento de barricas de cerveza Llaves inteligentes para abrir y arrancar el auto mientras el conductor se encuentra hasta a un metro de distancia Redes de sensores multimedia inalámbricos (wmsn) rfid para señales de tráfico inteligentes en la carretera Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en bluetooth Etiquetas rfid de alta frecuencia para utilizar en bibliotecas y seguimiento de libros Redes personales de acceso inalámbrico (wpan) basado en zigbee Fuente: Elaboración propia. Productos y servicios Dispositivos de infrarrojo para envío y recepción de paquetes de información en la red Tarjetas con chips rfid integrados se usan como dinero electrónico 14 Conclusiones Las megatendencias tecnológicas presentadas en este libro describen la probable orientación que dirigirá el desarrollo científico y tecnológico de los próximos años. El impacto de los productos que surjan de estas megatendencias se verá en las herramientas con las que desempeñamos nuestro trabajo, en la forma de producción de artículos, y modificarán a los mismos productos de consumo que empleamos día a día. Con la demanda de estos nuevos productos y servicios se abrirán nuevas oportunidades empresariales que impactarán el desarrollo económico de las regiones que prevean y estén preparadas para estas transformaciones. Es necesario comentar que cualquier aseveración que implique adelantar lo que pasará en el futuro, corre el riesgo de verse rebasada por el surgimiento de rupturas en los procesos de evolución tecnológica que no pueden preverse en el largo plazo. Los alcances de las megatendencias aquí citadas tienen una vigencia de 10 a 15 años y sin duda incluyen los temas que dominarán el desarrollo tecnológico futuro, sin embargo el lector debe estar pendiente del surgimiento de nuevas tecnologías que le permitan entender si éstas complementan o fortalecen a las aquí descritas. En este libro se han descrito doce megatendencias tecnológicas que probablemente transformarán nuestra vida en los próximos años. De inicio, se presentó el desarrollo de los sistemas ópticos como un sector de amplio alcance. Con el aumento de la utilización de la fibra óptica, las mejoras al láser, el avance de la nanotecnología y la holografía, ahora es posible manipular la luz con mayor precisión generando un variado número de aplicaciones. Entre estas aplicaciones las que tendrán mayor impacto serán aquéllas en los dispositivos de almacenamiento masivo y en los aparatos de cómputo, aumentando exponencialmente la capacidad, velocidad y la calidad de transmisión. Otras áreas con avances son la medicina, con el desarrollo de instrumentos ópticos para LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 194 CAPÍTULO 14: CONCLUSIONES cirugías que permitirán una precisión no imaginada aún en procedimientos operados a larga distancia a través de robots; los avances en las técnicas corrección de visión en débiles visuales; así como dispositivos que mejoran la capacidad de detección de tumores. Por otro lado, las telecomunicaciones; el procesamiento de imágenes satelitales con aplicaciones en meteorología, agricultura y cartografía; y la producción de pantallas (mini, macro, transparentes y flexibles) que harán posible nuevos tipos de teléfonos y otros aparatos electrónicos. La biotecnología agrícola, impulsada principalmente por los avances en la genética, debe satisfacer las necesidades que los nuevos estilos de vida de la sociedad, cada vez más sedentaria, con índices de obesidad en aumento y desde una edad más temprana, entre otros. Además del reto que implican los cambios climatológicos y la contaminación (modificando las condiciones de las tierras cultivables) e impulsando el desarrollo de mejores granos. Es decir, el desarrollo tecnológico ofrecerá mejores granos, que sean resistentes a condiciones adversas; nuevas aplicaciones en la remediación de suelos, y para el consumidor final alimentos con nutrientes extras y con propiedades adicionales preventivas de enfermedades. La biotecnología médica busca la evolución de la medicina tradicional –enfocada en el tratamiento- dirigiendo parte de sus avances a la predicción y prevención de enfermedades a nivel celular y molecular. Responde al aumento en la esperanza de vida de la población, al incremento en la tasa de incidencia de cáncer, al surgimiento de nuevas enfermedades infecciosas o las favorecidas por un estilo de vida sedentario, así como al aumento en la demanda de productos y medicinas para auto-diagnóstico. Los avances tecnológicos se centrarán en el software de análisis a nivel molecular y celular, los tratamientos médicos personalizados de acuerdo al perfil genético del paciente (incluyendo los anticuerpos específicos), las innovaciones en los dispositivos de diagnóstico y las mejoras a los procedimientos de la reproducción asistida. El mejoramiento y sustitución de células, tejidos y órganos es el campo de la megatendencia presentada de Células y Tejidos Artificiales. Las causas del fortalecimiento de esta actividad médica son principalmente la carencia de donadores, el rechazo de cuerpos biológicos y los avances en la tecnología de materiales. Los productos generados en esta megatendencia están asociados al desarrollo de tecnologías de biomateriales, MEMS y manipulación genética y celular. Las computadoras de alto rendimiento para el procesamiento de grandes volúmenes de información son empleadas en el cálculo intensivo, almacenamiento masivo y minería de datos. Las programas para su operación y aprovechamiento representan verdaderos proyecto de inversión, más que las computadoras mismas. Estos avances responderán al estilo de vida y de hacer negocios donde los datos y la voz interactuarán con dispositivos móviles, por lo que se incrementan las necesidades de almacenamiento remoto, sincronización y respaldo de datos. A su vez, la LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS CAPÍTULO 14: CONCLUSIONES 195 cantidad de información generada hace necesario herramientas de procesamiento para análisis, reportes y seguimiento estadístico de operaciones financieras, comerciales, etc. La Inteligencia artificial (emulación del comportamiento humano por las computadoras) sólo fue posible con el aumento de la capacidad del hardware y la evolución de las interfases de comunicación humano-computadora. Los productos de esta megatendencia son muy vastos e incluyen sistemas de control en cualquier sistema automático; en medicina, dispositivos para el diagnóstico y tratamiento autónomos; en los negocios, simulaciones, clasificadores, y reconocimiento de patrones de comportamiento y en general cualquier robot autónomo. La ingeniería de materiales ha sido impulsada por los avances en magnetismo, plasma y sobre todo nanotecnología. Los productos en donde habrá más aplicaciones serán las carrocerías de automóvil, herramientas móviles, recubrimientos para soportar altas temperaturas, materiales biocompatibles y el almacenamiento de datos. Los sistemas micro-electro-mecánicos (MEMS) se integran por elementos mecánicos y sensores en escalas milimétricas. Hay diversos productos que los emplean ya para ordenar, contar o suministrar fluidos o bien para realizar una labor mecánica. En el campo de la electrónica se emplean experimentalmente en pequeños dispositivos que requieren movimiento. Si bien es un área muy nueva, es promisoria su utilización en micromáquinas que puedan interactuar con bacterias, o para atacar de manera específica tumores cancerígenos. La micro y nanotecnología surge con el descubrimientos de los nanotubos de grafito en 1991. Esta megatendencia abarca rubros que van desde la medicina hasta aplicaciones aeroespaciales pasando por el uso eficiente de energía. Los tratamientos contra enfermedades, el suministro de medicamentos y la detección de virus se vuelven menos invasivos y más exactos, los consumidores optan por materiales más ligeros y más resistentes, existe una preocupación por la contaminación que motiva a buscar alternativas de reciclaje, ahorro y almacenamiento de energía, la miniaturización entra a una nueva etapa: autos, computadoras, teléfonos e información integrada a productos comunes y los avances en la industria aeroespacial permiten el turismo espacial y la construcción de bases en satélites cercanos a la Tierra. El desarrollo de las nuevas fuentes de energía es impulsado por dos grandes fenómenos: por un lado el paulatino decrecimiento de las fuentes no renovables de energía, y por el otro la gran capacidad contaminante de las actuales energías. Los desarrollos de energía no fósil se encuentran en el campo eólico, solar, celdas de combustible, biocombustibles, hidrógeno, nuclear, geotérmica, hidráulica, energía del mar y termoeléctrica. México en particular cuenta con grandes recursos, principalmente en energía solar, eólica y maremotriz, que debe ser aprovechada por cuestiones económicas y ambientales. LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS 196 CAPÍTULO 14: CONCLUSIONES La industria de videojuegos y comunicación que va desde las consolas de juego hasta simuladores virtuales tendrá aplicaciones más serias en el campo de la capacitación, el entrenamiento, actividades lúdicas y la educación. Específicamente existen oportunidades en la educación virtual, medicina, entretenimiento, dispositivos de combate, dispositivos de navegación y el arte. Finalmente, se exploraron las tecnologías inalámbricas, que se adecuan a las nuevas formas de trabajo e interacción remota, tanto en actividades sociales como económicas. Ya existen aplicaciones como el rastreo satelital y llaves inteligentes para encender un automóvil a distancia. Tecnologías como RFID ya se emplean para el manejo de inventarios y rastreo logístico y nuevos protocolos como Zigbee mejorarán la comunicación entre dispositivos caseros y dispositivos como consolas de juego, televisores, teléfonos y computadoras. Esperamos que la información mostrada en este libro se convierta en un referente para la exploración de nuevas oportunidades de negocio. Estamos convencidos de que el estudio del futuro no tiene ningún sentido si no se hace con la visión de aprovecharlo. Se pretende impulsar al lector a entender las consecuencias de estas transformaciones y sobre todo se invita a aprovechar las oportunidades detectadas, para que reditúen en el desarrollo de nuevos productos y procesos de alto valor agregado, que finalmente contribuyan al desarrollo regional. Bibliografía Aburdene, P. (2006) Megatendencias 2010, Grupo Editorial Norma. Bogotá, Colombia Godet, M (2000) La caja de herramientas de la prospectiva estratégica, LIPSOR. Paris, Francia. Tendencia. (2008). En Diccionario de la lengua española [Web]. Real Academia Española. Fecha de acceso: Noviembre 12, 2008 , de http://buscon.rae.es/draeI/ SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=tendencia Penn, M.J & Zalesne, E.K. (2007) Microtrends: the small forces behind tomorrow’s big changes. Twelve. Estados Unidos Watson, R. (2008) Future Files: The 5 trends that will shape the next 50 years. Nicholas Brealey. Estados Unidos. Fennell M.L. 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Redes de comunicación celular (enfocado a la distancia) Para 2030 el internet será accesible en todo lugar y todo el tiempo; y todos los dispositivos se comunicarán entre ellos de manera automática. Tecnologías inalámbricas Redes inalámbricas Ad-Hoc Las megatendencias tecnológicas actuales y su impacto en la identificación de oportunidades estratégicas de negocios En este libro se presentan las megatendencias que a juicio de los autores probablemente marcarán el futuro en el aspecto tecnológico, tratando de identificar los comportamientos que influenciarán a personas, grupos, instituciones, comunidades, regiones y países, para con ello identificar oportunidades de productos y servicios emergentes que puedan comercializarse en los mercados mundiales. Para realizar este trabajo de investigación se desarrolló una metodología específica que permite identificar los componentes más importantes de la megatendencia, y se concentra en una técnica para la identificación de productos y servicios comercialmente atractivos en el futuro, a través del análisis de los elementos de mayor peso en el fortalecimiento de la megatendencia, así como en la evaluación del impacto de ésta en el mercado y en la sociedad. La información de megatendencias en este libro busca motivar a los individuos, los empresarios y los gobiernos a aprovechar nuevas oportunidades de negocio, para que reditúen en el desarrollo de nuevos productos y procesos de alto valor agregado, que finalmente contribuyan al desarrollo regional. En el 2050 por medio de dispositivos parecidos a los utilizados en encefalografía, las ondas cerebrales interactuarán con las máquinas. La International Electrotechnical Comission ha generado nuevos estándares que conducirán a la esperada “casa interconectada” al hacer posible conexiones ente los electrodomésticos y el equipo audiovisual como las PC y televisiones. Fuentes: The Economist (The World in 2008) y Revista Expansión (Expansión N° 1000). ISBN 978-607-7517-94-8