Divulgare No. 40 by Revista UABC

$ 15.00/ISSN 0188-9516

Ciencia para todos

Año 10, núm. 40, octubre-diciembre, 2002

¡Dorados de Mulegé! El desarrollo de la robótica

Universidad Autónoma de Baja California

Presentación

“Lo

pequeño es hermoso”, fue una frase muy de moda a fines del siglo pasado. Ahora se retoma y en el texto “La microelectrónica; Perspectivas y limitaciones”, cobra vigencia y nos ofrece una visión de su futuro desarrollo. Pocos trabajos nos dan una revisión actual de esta tecnología tomada de varios artículos de la revista Nature. La guerra de las galaxias es un clásico del cine de ciencia ficción en el que se hace uso de robots como una tecnología al servicio del hombre en el futuro. “El desarrollo de la robótica. La perspectiva desde la visión humana”, nos ilustra sobre las posibilidades reales de la creación de un ser humano artificial para tenerlo en forma cotidiana entre nosotros. En ocasiones, lo que el humano toma de la naturaleza, ella misma se encarga de devolverlo a su seno, como es el caso de la corrosión. Muchas veces, algunas estructuras pierden su forma y funcionalidad debido a la corrosión; el texto “La protección anticorrosiva” aclara muy bien este efecto de la naturaleza, y nos ayuda a entender que a través del mantenimiento, es posible atrasar el efecto corrosivo. Para quienes buscan contradicciones en los textos bíblicos a fin de contraponerlos a la ciencia, nada como leer “El arca de Noé” para caer en cuenta de que la religión no comulga con la ciencia. En las ciencias, la interpretación de algunos conceptos físicos siempre estará sometida a polémicas, sobre todo cuando dicha interpretación depende de personas con desconocimiento del área en la que trabajan. “El vapor de agua de los campos geotérmicos, ¿no es agua?” es una invitación breve pero concisa a reflexionar sobre un aspecto sobre el consumo del agua. Por último, la pesca de dorados en Mulegé constituye una de las aventuras más emocionantes para los fanáticos de la pesca. Si te animas, aquí te decimos cómo entrar al mundo de los arpones, las cañas y el mar, para que también for-mes parte de los entusiastas de este deporte.

La microelectrónica: Perspectivas y limitaciones Jesús M. Siqueiros Beltrones y Gudadalupe Lydia álvarez Camacho

La carrera hacia la miniaturización de la tecnología se considera clave en el desarrollo de instrumentos y bienes de consumo. La tendencia es fabricar piezas cada vez más pequeñas pero con mayores capacidades.

El desarrollo de la robótica. La perspectiva desde la visión humana Valentín Tyrsa y Larisa Burtseva

Los robots son parte de nuestro imaginario y nos evocan de inmediato a la ciencia ficción, pero la realidad sobre estos personajes es otra, pues han sido integrados a los procesos industriales, volviéndose indispensables.

Corrosión en soportes de tablero eléctrico

Moisés Galindo Duarte, Benjamín Valdez Salas y Michael Schorr Wiener

Breve artículo sobre el proceso de corrosión en los tableros eléctricos y las consecuencias de ésta, así como las maneras de prevenirla.

C.P. Víctor Everardo Beltrán Corona Rector

COORDINACIÓN GENERAL Rosa María Espinoza Galindo

M.C. Juan José Sevilla García Secretario general

ASISTENTE Ana Gabriela Rubio Moreno

C.D. René Andrade Peterson Vicerrector zona costa Dr. Gabriel Estrella Valenzuela Director general de Extensión Universitaria

DISEÑO EDITORIAL José Guadalupe Martínez Alvarado, José Guadalupe Durán Ascencio EDITOR LITERARIO Luis Enrique Medina Gómez

EDITOR RESPONSABLE Margarito Quintero Núñez maquinu@uabc.mx COMITÉ EDITORIAL Roxana Peláez Molina (Facultad de Odontología); Onofre Rafael García Cueto (Instituto de Ingeniería); Leonel Avendaño Reyes (Instituto de Ciencias Agrícolas); Jorge Augusto Arredondo Vega (Facultad de Arquitectura); María del Consuelo Espinoza Valle, Miguel Humberto Carrillo Mendívil (Facultad de Ciencias); Eugenio Carpizo Ituarte (Instituto de Investigaciones Oceanológicas).

El arca de Noé

Protección anticorrosiva del acero con pinturas ricas en zinc

José Manuel Barruecos

Análisis explicativo y comparativo de lo que fue el arca de Noé como embarcación y sus capacidades de cargamento, con lo que sería actualmente un navío capaz de transportar todo lo que la creencia judeocristiana relata.

Benjamín Valdez Salas y Miguel Schorr Wiener

En este artículo se habla acerca de las pinturas ricas en zinc, las cuales ayudan a eliminar y/o retardan el proceso de corrosión en los objetos hechos con acero, particularmente maquinaria. SECCIONES

CÁPSUL aS

El vapor de agua de los campos geotérmicos, ¿no es agua? Margarito Quintero Núñez

CONSEJO EDITORIAL Patricia Bonilla Monroy, Octavio Robinson (Facultad de Medicina-Mexicali); René Pinet (Facultad de Ciencias Marinas); José Zertuche González (Instituto de Investi-gaciones Oceanológicas); Laura Viana Castrillón, Leopoldo Morán y Solares, Rafael Solana Sansores (Facultad de Ciencias); José Lorenzo Alvarado González (Facultad de Medicina-Tijuana); Felipe Lagaspe Díaz (Instituto de Ciencias Agrícolas).

¡Dorados en Mulegé! Alberto Tapia Landeros

Divulgare. Ciencia para todos, año 10, número 40, octubre-diciembre de 2002. Revista trimestral publicada por la Universidad Autónoma de Baja California. Los artículos firmados son responsabilidad de su autor. Se autoriza la reproducción total o parcial de los materiales publicados siempre y cuando se cite la fuente. Certificado de licitud de título núm. 7431. Certificado de licitud de contenido núm. 5345. Reserva de Título de Derecho de Autor núm. 2852-93. Tiraje 750 ejemplares. Impresión: Universal Press, S.A. de C.V., Zacatecas 198 entre Reforma y Guadalupe Victoria, col. San Benito, C.P. 83190, Hermosillo, Sonora, tel. (662) 215-3353. Correspondencia: Divulgare. Editor responsable. Instituto de Ingeniería-uabc, Blvr. Benito Juárez y calle de la Normal s/n, col. Insurgentes Este, C.P. 21280, Mexicali, B.C. E-mail: maquinu@ uabc.mx, teléfono (686) 566-4150, o bien Revista Universitaria. Coordinación general, Departamento de Editorial uabc, Av. Reforma 1375, col. Nueva, Mexicali, Baja California, C.P. 21100, tel. (686) 552-1056. Correo electrónico: revistauniversitaria@uabc.mx

La microelectrónica: Perspectivas y limitaciones

Jesús M. Siqueiros Beltrones* y Guadalupe Lydia Álvarez Camacho* * Con base en una serie de artículos publicados en la revista Nature, se hace una revisión de algunos aspectos importantes en la carrera hacia la miniaturización de la tecnología electrónica, que es considerada clave en el desarrollo de instrumentos y bienes de consumo más avanzados y con mayores capacidades, lo que ha llevado a mantener las dimensiones físicas de los objetos lo más pequeñas posibles. * Centro de Ciencias de la Materia Condensada, unam. ** Instituto de Ingeniería, uabc.

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• Introducción

este artículo se presenta un panorama sobre la tendencia que han seguido los componentes típicos de los circuitos electrónicos en los últimos años, utilizando la ley de Moore como referencia. Se aborda de manera breve el estado actual de los procesos litográficos utilizados en la impresión de los microcircuitos en las obleas de silicio, así como el acercamiento a un límite práctico en la elaboración de patrones de circuitos. Se presenta, además, el estado de la tecnología de los materiales dieléctricos utilizados en capacitores y memorias de computadora como uno de los factores que marcan la pauta hacia la miniaturización dado que, hasta ahora, han representado uno de los principales obstáculos a vencer.

Hace poco más de 40 años, en el año 1959, se introdujo la tecnología de los circuitos integrados basada en el silicio. A partir de entonces, la densidad de integración de estos circuitos se ha duplicado en un lapso de 12 a 18 meses, aproximadamente. A esta tendencia histórica se le conoce como ley de Moore,1 y para que pueda continuar, será necesario enfrentar retos formidables en varias áreas tecnológicas claves teniendo en cuenta que en algunos casos no existen soluciones conocidas. G. E. Moore observó que, en el caso de los circuitos integrados basados en silicio, el número de transistores por centímetro cuadrado se duplica cada 12 meses. Durante las décadas de los setenta y ochenta, el tiempo de duplicado fue de 18 meses, pero en los últimos años se ha reducido a 12. Como resultado de apegarse a la ley de Moore por 40 años, las compañías de vanguardia fabrican dispositivos en los que el elemento básico es del orden de 180 nm.2 En el documento de actualización de la Asociación de la Industria de los Semiconductores (sia, por sus siglas en inglés), denominado Mapa de la tecnología internacional para los semiconductores (itrs, por sus siglas en inglés), se resaltan los avances tecnológicos que serán requeridos para que la industria de los semiconductores continúe su desarrollo histórico. Para 2014, cuando se cumpla el periodo de 15 años proyectado en el itrs de 1999, se espera tener transistores de efecto de campo

Para mayor referencia, ver G. E. Moore, “Cramming more components onto integrated circuits", Electronics, núm. 38, 1965, pp. 114-116. 2 1 nm = 1 nanómetro = 1 millonésima de milímetro. 1

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• tipo cmos (complementary metal-oxide semiconductor) con longitud de compuerta de 20 nm, así como interconexiones para circuitos integrados de 35 nm de ancho. Los materiales y las tecnologías existentes se están acercando a sus límites físicos y se requerirán descubrimientos tecnológicos importantes en términos de materiales y procesos, conforme las dimensiones de los dispositivos descienden significativamente por debajo de 100 nm. Existen dos características de los microcircuitos en función de las cuales se mide la miniaturización: la que llamaremos separación media (half-pitch), que representa la separación entre celdas de memoria vecinas en un chip, y la longitud de compuerta, que es un elemento representativo de las dimensiones de un transistor y que se describirá más adelante.

Al conjunto de características de los microcircuitos que representan las metas a alcanzar en un periodo determinado, se le llama nodo tecnológico. Una comparación de los nodos tecnológicos pasados con los proyectados, muestra que tanto la separación media como la longitud de compuerta han reducido el tamaño de elemento más rápidamente que lo proyectado en los itrs de 1994 y 1997. Debe enfatizarse que las fechas en el itrs indican el primer año de fabricación en volumen; los proveedores deberán surtir el equipo y la tecnología de proceso mucho antes para permitirles a los fabricantes de dispositivos realizar la integración de procesos y la investigación y desarrollo de los procesos de manufactura. La magnitud del reto se describe en el cuadro 1.

Figura 1. Comparación de los pronósticos de los nodos tecnológicos del itrs de 1999 con los de 1994 y 1997. Se grafican los primeros años de producción en volumen para los tamaños de dos elementos representativos, la longitud de compuerta y separación media en una dram, para preparar el reemplazo de memoria por microprocesadores como el principal impulsor de la tecnología (reproducida con autorización de Nature).

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• Cuadro 1. Retos y oportunidades para I&D en semiconductores. Año de producción dram, dimensión típica (nm) Precisión en el recubrimiento (nm) Longitud de la compuerta del microprocesador (nm) Control de la dimensión crítica (nm) Capa equivalente de óxido (nm) Profundidad de la unión (nm) Protección metálica (nm) Dieléctrico intermetálico κ Parámetros sin marca, las soluciones existen;

1999 180 65 140 14 1.9-2.5 42-70 17 3.5-4.0

, soluciones en proceso;

A excepción del control de las dimensiones críticas, espesor del óxido y formación de uniones someras, existe tecnología de manufactura para extender la ley de Moore hasta 2005 a longitudes de compuerta de 65 nm y separación media de memorias dinámicas de acceso aleatorio (dram, por sus siglas en inglés) de 100 nm. Las soluciones para implantar el siguiente nodo tecnológico se desconocen para las tres cuartas partes de las áreas tecnológicas claves. Debido a que los elementos con soluciones desconocidas en el itrs se han representado encerradas en un rectángulo (ladrillo), a este reto se le ha llamado el muro de ladrillo. La discusión, en este caso, se restringe a problemas en el área de física y de materiales.

El transistor cmos

2002 130 45 85-90 9 1.5-1.9 25-43 13 2.7-3.5

Debido a que el espesor del dieléctrico de la compuerta debe decrecer conforme decrezca la longitud de la compuerta, el gran reto que habrá que enfrentar para escalar la estructura del transistor mos (ver figura 2) será el del espesor del aislante de dióxido de silicio. La tecnología de vanguardia en transistores cmos emplea óxidos de 2 nm de espesor en la compuerta. Si se sigue empleando dióxido de silicio como aislante en la compuerta,se

2005 100 35 65 6 1.0-1.5 20-33 10 1.6-2.2

2008 70 25 45 4 0.8-1.22 16-26 0 1.5

2011 50 20 30-32 3 0.6-0.8 11-19 0 <1.5

2014 35 15 20-22 2 0.5-0.6 8-13 0 <1.5

, no existen soluciones.

esperaría que el espesor disminuyera hasta 0.5 nm (dos capas atómicas, aproximadamente) para el nodo tecnológico de 35 nm. Las corrientes de fuga inducidas por el fenómeno cuántico de tunelamiento y por rompimiento dieléctrico provocarían un desempeño inaceptable de los dispositivos para espesores por debajo de 1.5 nm. Para resolver este problema, actualmente se desarrolla investigación sobre dieléctricos de alta constante dieléctrica (κ) y estructuras compuestas para compuertas que permitan reemplazar los óxidos delgados por estructuras más gruesas de alta κ con el mismo desempeño de los óxidos de los espesores mostrados, sin embargo, el reemplazo del SiO2 provocaría una gran conmoción en la industria. Por su baja densidad de estados en la interfaz y pequeña densidad interna de trampas de cargas, el SiO2 es un verdadero regalo de la naturaleza a esta industria y ha sido utilizado desde que se inventó el transistor mos. No queda claro que el proyecto de reemplazar completamente el SiO2 en las compuertas es realista. El problema de identificar y desarrollar dieléctricos de alta permitividad para reemplazar al SiO2 se discute con detalle más adelante.

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Compuerta

Fuente Oblea de silicio

Drenaje

Compuerta dieléctrica y electrodo

Figura 2. Diagrama de un transistor metal-óxido semiconductor (mos) mostrando la fuente, la compuerta y el dren (reproducida con autorización de Nature).

Si el SiO2 es reemplazado como dieléctrico de compuerta, para obtener un desempeño eléctrico adecuado se deberán desarrollar electrodos de compuerta metálicos para reemplazar a los actuales electrodos de compuerta de silicio policristalino. Estos últimos se han utilizado por la industria desde mediados de los sesenta y su reemplazo será complicado. Con el continuo escalamiento, la profundidad de las uniones fuente-compuerta y compuerta-dren en los transistores, debe decrecer. Las propiedades de los materiales semiconductores utilizados en los circuitos electrónicos son optimizadas mediante la impurificación precisa de éstos con pequeñas cantidades de otros semiconductores. La

concentración de impurezas y el control requeridos en las uniones ultrasomeras se acercan a los límites de la física y de los materiales. El espesor de la capa impurificada disminuye con el escalamiento y se requerirán concentraciones de impurezas superiores al límite de solubilidad en equilibrio para producir resistencias suficientemente bajas. Otros retos los constituyen el obtener uniones lateralmente abruptas así como bajas fugas de corriente y resistencia de contacto (ver figura 3). Estas propiedades deben obtenerse de tal manera que se asegure la integridad del aislante de la compuerta. Para controlar debidamente la concentración y la distribución de impurezas

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• Desertificación reducida de la compuerta Impurificación de alto nivel de la compuerta

Baja resistivilidad

Integridad del aislante de la compuerta

Fuga reducida de la unión Baja resistencia de contacto

Zona poco profunda de baja resistencia Zona abrupta

Figura 3. Ilustración de los problemas asociados a la impurificación (reproducida con autorización de Nature).

para formar las uniones ultrasomeras, se están ensayando técnicas de implantación iónica de ultrabaja energía, impurificación por inmersión en plasma y una variedad de tecnologías de recocido rápido, incluyendo recocido láser. Las técnicas seleccionadas deberán ser compatibles con el uso de dieléctricos de κ grande y materiales metálicos para las compuertas y permitir una “abruptez” extrema en extensión/contacto del perfil de impurificación del canal. En resumen, los retos principales para la estructura futura de los transistores incluye el control crítico de las dimensiones de la longitud del canal y la compuerta, y el desarrollo de un apilamiento de capas metal-[dieléctrico de alta κ] de función dual, estructuras de transistor alternativas y ultraescaladas, así como materiales compatibles con el silicio como el SiGe

o silicio sobre aislante (soi, silicon-oninsulator). Se requerirá de nuevos materiales para celdas de memoria, junto con metrología química y eléctrica para dispositivos y estructuras. Además de las complicaciones de manufactura, se ha encontrado que la rapidez de conmutación no continúa aumentando con la disminución de la longitud de compuerta en transistores de compuerta ultracorta. Como resultado de esto, es posible que se requieran estructuras de transistores basadas en nuevos conceptos. Un ejemplo de esto serían los transistores de un solo electrón.3

Ver R. J. Schoelkopf, P. Wahlgren, A. A. Kozhevnikov, P. Delsing y D. Prober, “The radiofequency single-electron transistor (rf-set): A fase and ultrasensitive electrometer”, Science, núm. 280, pp. 1238-1242.

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• Interconexiones

Conforme el tamaño de los elementos sigue decreciendo, las conexiones entre los diferentes elementos de un microcircuito llamadas interconexiones (ver figura 4), presentarán retos cada vez más complicados en términos de la física y de los materiales. El incremento en la velocidad de conmutación del transistor al disminuir la longitud del canal es tan importante como el aumento en la densidad de transistores para el desempeño mejorado de los circuitos integrados. Mas para obtener beneficio del aumento en la velocidad de conmutación, los retrasos en la propagación de las señales en las interconexiones entre transistores deben

Pasivada Dieléctrica

Global

Barrera de ataque químico Barrera de difusión dieléctrica

Local

Intermedio

Conductor de cobre con recubrimiento barrera

Dieléctrica pre-metal Tapón de tungsteno

Microprocesadores

Figura 4. Ilustración de una estructura de interconexión de diez niveles proyectada para el nodo tecnológico de 35 nm. Los letreros a la izquierda denotan los tres niveles de conexión, global, intermedio y local (reproducida con autorización de Nature).

disminuir con los tiempos de conmutación de los transistores. La resistencia de las interconexiones se incrementa conforme disminuye la sección transversal del metal, llevando a un aumento en la constante de tiempo, que es el producto de la resistencia por la capacitancia de la estructura de interconexión metal-dieléctrico (t = rc) y al consecuente aumento en los tiempos de retraso. Los retrasos en las estructuras de interconexión Al-SiO2 utilizadas hasta hace poco tiempo, resultan inaceptables, lo que indujo a las compañías de vanguardia a introducir cobre y dieléctricos de κ baja para estos propósitos. El uso del cobre es complicado porque no debe estar en contacto directo con la oblea de silicio, ya que se difunde fácilmente en el silicio degradando sus propiedades eléctricas. Debido a que las distancias entre transistores se escalan con el tamaño mismo del transistor, la longitud de las interconexiones disminuirá con el escalamiento. Por esto, los retrasos en los tiempos de propagación disminuirán con la densidad de transistores y no serán un problema. Sin embargo, dentro de la escala de tiempo del itrs actual, las interconexiones, en la escala global, generan retrasos inaceptables en la propagación de señales, aun con estructuras de interconexión de cudieléctrico κ baja . Para apreciar mejor la necesidad de materiales con resistividades inferiores a la del cobre y dieléctricos con κ menor que 1.5, considérense los siguientes requerimientos de largo plazo para microprocesadores:

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•

En el nodo tecnológico de 70 nm (longitud de compuerta de 45 nm), los microprocesadores tendrán nueve niveles de metal. No se sabe cómo alcanzar la densidad de corriente crítica requerida de 4.6 ma cm-2 en las interconexiones,4 comparada con los 700 kA cm-2 para el alambrado local para los tamaños actuales de los elementos,5 o corriente total por las pistas. Algunos de los requerimientos para los microprocesadores, tales como la resistividad metálica de 1.8 µΩ cm, en estructuras cobre/barrera de difusión pueden ser inalcanzables. Una estrategia sería la de remover la barrera (espesor 0 del recubrimiento). Combinado con dieléctricos interniveles con κ<1.5, lo que implicaría estructuras porosas, una barrera de espesor 0 genera preocupaciones importantes con respecto a la difusión del cobre. Adicionalmente, estos dieléctricos deben tener resistencia física y conductividad térmica altas, además de buena estabilidad térmica. Para dieléctricos con κ<1.5 no se conocen soluciones con el desempeño estructural, mecánico, térmico y de conductividad térmica requeridos.

Además de los retos asociados a la introducción de nuevos materiales y los procesos tecnológicos involucrados, el control dimensional será cada vez más difícil para elementos más pequeños, como también lo será el imprimir y llenar estructuras con patrones complicados en las obleas. Tal vez, lo más importante desde una perspectiva fundamental de los materiales y de la física, conforme el ancho de pista del metal se vuelve comparable con el camino libre medio de los electrones, la resistencia creciente debido a la dispersión de los electrones por la superficie se volverá cada vez más importante. Probablemente se requerirán superficies especulares para minimizar la resistencia de las interconexiones en el régimen de alta dispersión superficial, aunque probablemente los dieléctricos depositados sobre las superficies especulares no se adhieran lo suficientemente bien para soportar los tratamientos térmicos asociados a la manufactura.

4 5

ma = 1 millón de amperes. kA = 1 000 amperes.

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• Los nuevos materiales que podrían resolver estos problemas demandan el desarrollo de tecnología y equipo de procesado paralelo a los procesos de integración. Es previsible la rápida introducción de nuevas capas de barrera y de semilla, nuevos dieléctricos de alta y baja κ, ferroeléctricos y nuevas combinaciones de materiales y tecnologías, junto con nuevas estrategias de procesado, incluyendo la formación de metales y dieléctricos in situ. Además de la introducción continua de nuevos materiales, otros retos de largo plazo incluyen el desarrollo de mecanismos de interconexión conceptualmente diferentes. El reto máximo lo representa el identificar e implementar soluciones más allá del uso del cobre y dieléctricos de baja κ. Tecnologías posibles incluyen interconexiones de microondas con aislantes con brechas de aire para obtener la κ baja y el correspondiente retraso (baja resistencia x capacitancia) pequeño o interconexiones ópticas. Otras estrategias bajo consideración incluyen la operación a bajas temperaturas para incrementar la conductividad metálica. La industria suspira, por supuesto, por soluciones sensacionales tales como superconductores a temperatura ambiente, o nuevos metales o polímeros con conductividades mayores que las del cobre a temperatura ambiente.

de proyección donde la fuente luminosa puede ser luz visible, ultravioleta, rayos X o, inclusive, un haz de electrones en donde un patrón macroscópico que contiene las componentes de un dispositivo electrónico es proyectado, reduciendo su tamaño a dimensiones microscópicas sobre una placa adecuadamente preparada (una oblea de silicio, por ejemplo), donde queda impreso el patrón del circuito (ver figura 5).

Fuente de luz Fuente efectiva

Lente condensador

Máscara

Lente de proyección Apertura (pupila)

Oblea

Litografía

La litografía es la tecnología mediante la cual son generados patrones de escala muy fina requeridos para la fabricación e integración de los dispositivos componentes. Dicho en forma poco rigurosa, es una técnica

Soporte de la oblea

Figura 5. Un esquema (adaptado de Nature) representativo de un sistema de proyección para reproducción litográfica de microcircuitos.

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• Los elementos claves de un sistema práctico de litografía son esencialmente los mismos para todas las tecnologías, ópticas y no ópticas. Incluyen lo siguiente: 1) un juego de máscaras que contienen los patrones de las componentes que se fabricarán en el semiconductor, las herramientas para hacer las máscaras y la metrología para asegurar las dimensiones correctas y la reproducibilidad de los patrones; 2) una fuente de energía (por ejemplo, una fuente de luz) para transferir el patrón de una máscara al semiconductor; 3) un medio –conocido como fotorresist o resist– para grabar el patrón sobre el semiconductor al exponerlo a la fuente y que permite procesado posterior en o sobre el soporte semiconductor; y 4) procedimientos para detectar confiablemente defectos del patrón, lo que claramente se vuelve más difícil conforme las dimensiones críticas disminuyen. El proceso litográfico, especialmente el proceso de litografía óptica por proyección, está íntimamente relacionado con el proceso de revelado en litografía de impresión, donde el negativo fotográfico juega el papel de máscara y la emulsión fotográfica es el resist.

La capacidad de reproducir elementos muy pequeños y con esto aumentar la capacidad de integración, depende, esencialmente, de la longitud de onda (color) de la luz que se utilice en el proceso. Por esa razón, actualmente las fuentes han ido cambiando desde luz visible hasta ultravioleta, y lo harán a rayos X y electrones en el futuro. Sin embargo, por el momento, los límites de la litografía son primordialmente económicos. Se sabe, por ejemplo, cómo imprimir diseños de 25 nm y aun de 10 nm utilizando escritura directa por haz de electrones, pero no se sabe cómo hacerlo económicamente y con alta producción.

Materiales dieléctricos

En el nodo tecnológico de las dram de 100 nm aparecen problemas no resueltos en la obtención de corrientes de fuga aceptables y en la medida de espesores efectivos del orden de 1.0-1.5 nm de óxido, tanto para los dispositivos de alto desempeño como para los de bajo consumo de potencia. Uno de los retos principales es la necesidad de dieléctricos de alta permitividad para reemplazar al dióxido de silicio, cuyas propiedades, hasta ahora, han sido fundamentales para el éxito de la industria. En esta dirección ya se han hecho esfuerzos considerables para desarrollar dieléctricos alternativos para memorias dinámicas de acceso aleatorio. Estos desarrollos sirven para ilustrar la magnitud del ahora urgente problema de identificar soluciones alternativas al dióxido de silicio para el dieléctrico de la compuerta en dispositivos lógicos, tales como el omnipresente transistor de efecto de campo. Por debajo de la

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• separación media de 100 nm se proyecta que la estructura consista de un sándwich de dieléctrico con un óxido interfacial seguido de una compuerta con dieléctrico de alta κ. La industria espera introducir inicialmente materiales como el oxinitruro de silicio o el óxido de aluminio (Al2O3), que tienen κ ligeramente mayor que el SiO2 (κ~3.9). Subsecuentemente, se proyecta utilizar materiales como los óxidos de tantalio, titanio y zirconio, con valores de κ entre 10-20 para reemplazar al oxinitruro de silicio o al óxido de aluminio. Finalmente, materiales de κ alta como el titanato de bario-estroncio (bst), aluminato de lantano y el titanato de zirconio, reemplazarán a los dieléctricos de κ intermedia. Estos dieléctricos son utilizados como las componentes centrales de los dos tipos de dispositivos que constituyen el corazón de la industria de los semiconductores de silicio: como dieléctrico en los capacitores utilizados para almacenamiento de información en memorias dinámicas de acceso aleatorio (dram), y como el dieléctrico en la compuerta del transistor en los transistores de efecto de campo (fet) semiconductor metal-óxido complementario (cmos) en dispositivos lógicos. En ambos casos, el espesor del dieléctrico, es decir, el dióxido de silicio o un análogo del tipo Si-O-N, ha disminuido tanto que las corrientes de fuga debidas a tunelamiento electrónico por el dieléctrico se han vuelto un problema y se les considera como una barrera tecnológica. La característica relevante de un capacitor es su capacitancia (C=κA/d, donde κ es la constante dieléctrica, A es el área del capacitor y d el espesor del dieléctrico) asociada a su capacidad de almacenar

carga eléctrica. En los circuitos integrados se buscará que el área del capacitor sea lo más pequeña posible, sin que la capacitancia disminuya. Esto obliga a reducir el espesor o a aumentar la constante dieléctrica. Una posible solución es el reemplazo del SiO2 por otro aislante de constante dieléctrica más alta; esto permitiría que el espesor físico del dieléctrico pudiera aumentarse. A partir de mediados de los ochenta, los fabricantes de dram se concentraron en aumentar el área efectiva de los capacitores, pero sin incrementar su huella en el chip. Esto se puede lograr de dos formas: complicar la estructura topográfica sobre la cual se deposita el dieléctrico (ver figura 6, aspecto a), o produciendo trincheras por ataque químico en el silicio para cada celda de memoria y depositando el dieléctrico en las paredes de la trinchera.

Figura 6. Ilustración (adaptada de Nature) del papel del dieléctrico en dos tipos de arquitectura de memorias dram: a) celda tipo mis (metal-insulator-silicon) apropiada para Si-O-N o Ta2O5, y b) arquitectura de celda tipo mim (metal-insulator-metal), propuesta para aprovechar las propiedades del bst.

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• Durante el periodo de 1993 a1997, se avanzó a nivel mundial en el desarrollo de las películas de bst y se demostró su viabilidad para utilizarse en celdas dram. (Un esquema del capacitor se muestra en la figura 6, aspecto b, con diferencias importantes con respecto a los diseños previos de celdas). Conclusiones Aunque se esperan avances rápidos en el diseño de materiales, las soluciones solamente parecen no ser suficientes para proporcionar el desempeño esperado en el horizonte de 15 años del itrs de 1999. Si es así, esto implica el fin de la miniaturización tradicional. El establecimiento de sistemas sobre chips puede cambiar el panorama de competencia. La funcionalidad en lugar de costo por unidad de área de silicio puede convertirse en el atractivo para la industria. La pregunta que enfrenta la industria es por cuánto tiempo más podrá satisfacer las demandas de las proyecciones del itrs.

Para enfrentar los retos de mañana habrá que conjugar estrategias de alto riesgo con estrategias evolutivas y nuevo conocimiento, lo que demandará mejorar las colaboraciones entre la industria, las universidades, los laboratorios del gobierno e institutos de investigación. Para abordar los retos y continuar mejorando el desempeño al ritmo histórico, la industria tratará de introducir nuevas estructuras de transistor. El enfoque actual en el que se optimizan por separado el circuito integrado, el empacamiento y la tarjeta, será repensado. Una posibilidad es que sea reemplazado por un enfoque de sistema que combine, cuando menos, el chip y el empacamiento, o quizá el chip, el empacamiento y la tarjeta; esto desembocará en nuevas estructuras para un mejoramiento continuado del desempeño. Por lo que se refiere a los materiales dieléctricos, si se espera que la industria de los semiconductores basada en el silicio cumpla con las proyecciones de desempeño

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•

que estableció el itrs, deberá aceptar cambios inmediatos. Las posibles opciones que enfrenta esta industria se pueden resumir como sigue: 1) reemplazar el apilamiento dieléctrico de la compuerta con los nuevos materiales, introduciendo cambios mínimos en los procesos; 2) reemplazar el apilamiento dieléctrico de la compuerta haciendo cambios sustanciales en los procesos para reducir temperaturas de procesado, manteniendo el dispositivo cmos; 3) cambiar la geometría, la estructura y el proceso del dispositivo conservando los materiales actuales; y 4) introducir mecanismos de dispositivo completamente nuevos introduciendo principios físicos alternativos. ¿Cuál de estas opciones se convertirá en la solución? Se llevan a cabo investigaciones que caen en las cuatro categorías. El reemplazo del dieléctrico de la compuerta discutido en este artículo representa a las dos primeras opciones. Para que el dieléctrico de la compuerta sea reemplazado por una de las alternativas de alta permitividad, se requiere de mucha más investigación. Esto aumenta la posibilidad de que se adopte la opción 3. La ventaja de este tercer enfoque es que se puede construir sobre la plataforma tecnológica actual y que es

totalmente consistente con la cultura de la industria que prevalece hoy en día; es decir, un enfoque ingenieril de procesos y no un enfoque de materiales. ¿Qué hay con respecto al desarrollo de un tipo de dispositivo totalmente diferente? Ciertamente existe considerable investigación, que ha sido en incrementos, sobre los tipos alternativos de dispositivos. Además, el fin de la miniaturización indica un posible cambio de paradigma, una ocasión en que nuevas tecnologías revolucionarias pudieran encontrar su camino dentro de la corriente principal de la microelectrónica. Ésta es una posibilidad, aunque los cambios rápidos son poco probables debido a la enorme inversión en la infraestructura tecnológica presente. Bibliografía

PEERCY, P. S., “The drive to miniaturization”, Nature, vol. 406, núm. 6799, 31 de agosto de 2000, pp. 10231026. ITO, T. y S. Okazaki, “Pushing the limits of lithography”, Nature, vol. 406, núm. 6799, 31de agosto de 2000, pp. 1027-1031. KINGON, AI, J. P. Maria y S. K. Streiffer, “Alternative dielectrics to silicon dioxide for memory and logic devices”, Nature, vol. 406, núm. 6799 ,31 de agosto de 2000, pp. 1032-1038. DEVORET, M. H. y R. J. Schoelkopf , “Amplifying quantum signals with the single-electron transistor”, Nature, vol. 406, núm. 6799, 31 de agosto de 2000, p. 46.

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El desarrollo de la robótica. La perspectiva desde la visión humana Valentín Tyrsa* y Larisa Burtseva* En muchas películas y caricaturas hemos visto numerosos robots. Ellos son crueles o buenos. Los fusilan pero reviven de inmediato. Se parecen a la gente, hablan los lenguajes humanos, se trasladan a enormes velocidades. La fantasía delos escritores y los productores de las películas es inagotable. Los robots aparecen también en las películas documentales y programas televisados como los robots-electrosoldadores, los aviones autónomos, robots lunares y extraterrestres con ruedas.

* Instituto de Ingeniería, uabc.

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Karel Chapek pensaba primero nombrar a los trabajadores artificiales como “laborgza” (por la palabra en inglés labor), pero su hermano, el famoso pintor, le aconsejó llamar al hombre-autómata por la palabra robot, que procede de la palabra eslava robota, que significa el trabajo pesado. La palabra robot se habituó y resultó internacional. Pero, ¿por qué Karel Chapek, en su obra fantástica, dio al hombre-autómata el nombre especial de robot? Para contestar esta pregunta buscaremos el sentido de las palabras autómata y hombre.

gente de diversas edades, con frecuencia nos pregunta a nosotros, los autores que estamos asociados a los problemas de robótica, sobre los robots y sus posibilidades reales. La gente joven que se dedica a las investigaciones científicas nos pregunta sobre los problemas no resueltos de robótica. ¿Por qué los robots-electrosoldadores que funcionan en las cadenas de montaje automovilísticas no se parecen a los humanos? ¿Cuánto falta para que podamos ver a un robot caminando por la calle? Este artículo está dedicado a aclarar algunas de estas preguntas sobre los robots, así como el problema de la visión técnica que limita la perfección de los robots.

Autómata como un sistema

En la traducción del griego, la palabra autómata significa automotor. En relación con esto surgieron dos preguntas: ¿Qué significa la palabra automotor? y ¿Adónde se mueve? En cuanto a la primera pregunta, la palabra automotor significa que el objeto se mueve sin ayuda de nadie, por sí mismo. Entonces, el autómata tiene adentro una fuente de energía. La energía crea las fuerzas motrices. Las criaturas vivas producen, por sí mismas, la energía para su movimiento.

Procedencia de la palabra robot

La palabra robot se inventó y se llevó al diccionario por el escritor checo Karel Chapek (1890-1938). Este vocablo apareció en el año 1920 en la obra del teatro Los robots universales de Rossum (rur), que relata una insurrección de robots (los trabajadores artificiales).

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Ahora, tratemos de responder la segunda pregunta: ¿Adónde se mueve? En un rayo de luz solar que penetra dentro de un lugar oscuro podemos observar los granos de polvo que se mueven de manera caótica. Nosotros conocemos que esto es el movimiento browniano, el térmico, pero esto no es la vida. En el movimiento browniano las partículas muertas se mueven sin objetivo. Cualquier criatura viva se mueve en la dirección que necesita, hacia un objetivo, tiene un objetivo y planea su movimiento de modo adecuado al objetivo concreto. Por el objetivo puede considerarse la búsqueda de alimentación, la huida del peligro, etcétera. En este caso se encuentra un movimiento autoorganizado. El autómata hecho por un hombre realiza su movimiento según un programa que le puso el hombre. Junto con aquel programa, el autómata tiene alguna autoorganización. Pero aquí surge entonces otra pregunta más: ¿En qué consiste la autoorganización? El creador de la cibernética,1 un científico estadounidense llamado Norbert Wiener (1894-1964), en la década de los años

cuarenta del siglo xx descubrió y desarrolló el principio de la retroalimentación. Dicho principio consiste en que para hacer algún cambio en el estado de un sistema o de una máquina, se aprovecha la información obtenida en su medio ambiente; en el caso más simple, la información de la salida del sistema. Por tanto, se puede decir que la autoorganización consiste en escoger la dirección del movimiento en correspondencia con el objetivo escogido, así como con el principio de retroalimentación.

La cibernética es la ciencia que se ocupa de los sistemas de control y de comunicación en las personas y en las máquinas, estudiando y aprovechando todos sus aspectos y mecanismos comunes. El nacimiento de la cibernética se estableció en el año 1942, en la época de un congreso sobre la inhibición cerebral, celebrado en Nueva York, del cual surgió la idea de la fecundidad de un intercambio de conocimiento entre fisiólogos y técnicos en mecanismos de control. Cinco años más tarde, Norbert Wiener propuso el nombre de cibernética, derivado del vocablo griego kybernetes, que significa timonel, del cual deriva el verbo gobernar. La cibernética, en efecto, tiene que ver con la dirección y el gobierno, como en el control de un autómata.

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• Grado de libertad

El autómata tiene una característica importante: el número de direcciones de reaccionar posibles o, como lo dicen los físicos, los grados de libertad. Consideraremos como ejemplo, un equipo de aire acondicionado, en el cual el ventilador mueve el aire dentro del edificio, lo hace pasar a través de un mecanismo de enfriamiento o calentamiento y lo devuelve al edificio. La magnitud de la temperatura se fija por medio de un termostato colocado a la entrada del ventilador. Supongamos que la temperatura del aire dentro de un edificio es igual a 20 ºC. Si la temperatura del termostato es menor a 20 ºC, el ventilador deja pasar el aire a través de un mecanismo de calentamiento, pero si la temperatura es mayor a 20 ºC, trabaja el mecanismo de enfriamiento. En este caso se dice que el autómata tiene un grado de libertad. En los ejes de las coordenadas de temperatura y tiempo, el parámetro manejado se cambia a lo largo del eje de temperatura (espacio de las magnitudes de temperatura). Si además, el equipo de aire acondicionado debe mantener ciertas características del aire, por ejemplo, una determinada humedad, entonces se puede decir que funciona en dos sistemas de coordenadas: temperatura-tiempo y humedad-tiempo, por tanto, tiene dos grados de libertad: uno, que corresponde al espacio de temperatura, y el otro, que se refiere al espacio de la humedad. Entonces, el autómata es un sistema del control automático que contiene: a) una fuente de energía; b) un sensor para obtener la información sobre su posición en el “espacio” de la magnitud manejada; c) un dispositivo lógico con capacidad para percibir y procesar

las señales del sensor para realizar el principio de retroalimentación; y d) el medio del movimiento (un propulsor, y en el caso de que tenga movimiento propio, sería un robot).

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• Algunas singularidades del hombre como un sistema Desde el punto de vista de la cibernética, el hombre representa uno de los numerosos sistemas biológicos de control automático, pero es el sistema más perfecto. Esto es evidente por la enumeración de las características principales del hombre. El hombre reúne en sí, de manera armónica, los elementos y los principios de la mecánica, hidráulica, termodinámica, química, biología, electricidad, etcétera.

Él posee el intelecto, ya que puede pensar de manera creativa y trabajar, concibe el medio ambiente, acumula y reentrega sus conocimientos de generación en generación. El hombre no puede tener una vida pletórica sin trabajar, y por esto se diferencia de los animales. Las posibilidades creativas del hombre son inagotables. El humano posee sensibilidad a numerosos parámetros del medio ambiente: la gravedad, la luz, la presión atmosférica, la temperatura, la humedad, el movimiento del aire, los sonidos, los olores, el sabor de la comida y muchos más. La gente tiene los órganos sensoriales por medio de los cuales intercambia la información entre sí. El hombre posee la homeostasis –la propiedad de oponerse a los factores desfavorables del ambiente exterior, así como de preservar su sistema intrínseco de funcionamiento–, por cuya gracia se mantienen muchos parámetros vitales. Por ejemplo, el ritmo cardiaco, la frecuencia de respiración, la temperatura del cuerpo y muchos más.

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• Otra característica del hombre es la presencia de extremidades que poseen muchos grados de libertad. Su mano, junto con el brazo, posee 28 grados de libertad. Debido a esto, una mano, junto con los sentidos, puede ejecutar diferentes operaciones con la aguja de una máquina de coser, así como con el escalpelo, con las cuerdas de una guitarra y las teclas del piano, con el hacha y el azadón. En total, el hombre tiene más de cien grados de libertad.

Mundo de color

El analizador visual desempeña un papel especial en la vida del hombre. Por medio de él, un hombre ve los objetos iluminados por la luz alrededor de sí, distingue sus colores, concibe la variedad del mundo que lo rodea, se orienta en el espacio tridimensional. El analizador visual tiene el principal valor para el hombre ya que, mediante la visión, nosotros obtenemos más de 95% de la información acerca del mundo que nos rodea. Como conclusión podemos decir que, desde el punto de vista de la cibernética, el hombre es un sistema vivo, autónomo, multifuncional y autoorganizado. Los robots pertenecen a los sistemas antropomorfos del control automático, los cuales, según la opinión de los especialistas, deben ocupar una posición intermedia entre un autómata y un hombre. Por tanto, resulta claro porqué Karel Chapek dio a un hombre-autómata hipotético artificial el nombre de robot, aceptado con mucho gusto por los especialistas en el área del control automático, así como por los no especialistas.

Mecanización y automatización de la industria

Ante el comienzo del siglo xx la gente aprendió a aprovechar la energía del agua que cae y la energía del vapor para producir electricidad. Comenzó una etapa que, de modo condicional, encabezó la mecanización de la industria. La mecanización reemplazó la energía de los músculos de los animales y la gente por la energía de los mecanismos y las máquinas. Durante la primera mitad del siglo xx la parte del trabajo físico de la gente y de los animales en la industria y en el campo disminuyó de 90% hasta aproximadamente 10%. La gente empezó a manejar la fuerza mecánica y la energía y funcionó como eslabón de enlace entre las operaciones mecanizadas. En el comienzo de la década de los cincuenta, los países avanzados pusieron en marcha la automatización de la industria, pero hay un hecho curioso: las máquinasautómatas para la industria metal-mecánica en la construcción de maquinaria fueron creadas relativamente de manera fácil. Su productividad fue dos o tres veces más grande que las ordinarias. Los trabajadores-operadores de las máquinas, altamente calificados, se especializaban en la participa-

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• ción del proceso de producción. En el mismo tiempo y en la misma proporción creció la cantidad de los trabajadores mal calificados, que ejecutaban los trabajos rutinarios auxiliares, tales como la cargadescarga, la transportación y el almacenaje de las piezas, etcétera. Durante esta etapa comenzó la robotización de la industria.

Robots industriales

A los primeros robots los llamaban robotsmanipuladores. Éstos se componen de mecanismos con manos-manipuladoras mecánicas, que constan de muchos eslabones y son usados para servir y unir entre sí las máquinas-autómatas. En conjunto, tales robots poseen de 4 a 12 grados de libertad y se ponen en acción por una tracción hidráulica, neumática o eléctrica. Por lo regular, un operador-ajustador altamente calificado ajustaba un sistema de máquinas y los manipuladores dedicados para producir un artículo. Para elaborar un artículo diferente, el sistema tenía que reajustarse. Así surgieron las producciones automatizadas flexibles. Con la aparición de las computadoras de no muy alto precio, el reajuste de tales producciones se fue perfeccionando y recibió el nombre de instrucciones de los robots. Por medio de las instrucciones se introduce el programa correspondiente de control en la memoria de la computadora. Las instrucciones de este programa son realizadas por los electromotores de los robots-manipuladores durante la elaboración de los artículos.

Además, emplean a los robots para la ejecución de operaciones dañinas para la salud de la gente, así como las operaciones laboriosas: las operaciones con los materiales radiactivos, soldadura eléctrica, el pintado de productos, el estucado (enlucido, enyesado) de las paredes, pulimento de los pisos mármoles, etcétera.

Sistemas automatizados completamente

La robotización es uno de los componentes de la automatización por medio de la cual se realiza la integración de las máquinas en un sistema automatizado completamente, y en algunos casos autorregulado. Al nacer como una concepción de la producción, la automatización y la robotización tienen hoy mucho más valor que solamente la coordinación del funcionamiento de una fila de máquinas. En el presente, se llevan a cabo en todos los niveles de las empresas y la producción. La lista de las aplicaciones incluye, por ejemplo, el lanzamiento y pilotaje automático de aparatos voladores, la producción de los automóviles, el control de movimiento y elaboración de las rutas del transporte, el diagnóstico médico, el juego de ajedrez, la red internacional automática bancaria y otras cosas más.

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• Hay que mencionar que la ciencia moderna y la tecnología disponen de posibilidades enormes para la reproducción de las funciones humanas y la creación de dispositivos técnicos que representan tanto los análogos de los órganos humanos como sus sustitutos; éstos son, por ejemplo, los dispositivos de la recepción, de la conservación (la memorización), de la transmisión a larga distancia y la reproducción de audio, video, información numérica y la de texto. Asimismo, estos dispositivos se usan para hacer prótesis de las extremidades humanas perdidas. Durante los últimos años, los científicos aprendieron a incrustar chips en las materias vivas y conectarlos con las terminales nerviosas de las extremidades perdidas con el fin de manejar las prótesis por medio del cerebro del hombre. En las operaciones quirúrgicas sobre el corazón, desde hace mucho tiempo se usan los aparatos “pulmón-corazón”, que sustituyen a los órganos correspondientes, así como todo el sistema de circulación de la sangre que abastece al organismo del oxígeno durante toda la operación. Actualmente se ejecutan investigaciones exitosas en la construcción e inserción de un corazón electromecánico en el organismo humano, y aún se pueden dar muchos más ejemplos.

las propiedades del intelecto humano; los robots nunca “se cansan”, pues a diferencia de un hombre, ellos “trabajan” sin descanso. Sin embargo, al aprovechar los logros de la ciencia y de la técnica en las distintas áreas, un hombre está en condiciones de construir las máquinas y los dispositivos que realizan las funciones impropias al humano. Al padre de la aviación rusa, Nikolái Zhukovski (1847-1921), pertenece la frase siguiente: “El hombre volará apoyado no en la fuerza de sus músculos, sino en la fuerza de su intelecto”. Precisamente, debido a su intelecto, el hombre puede manejar su carro, volar al espacio, nadar bajo el agua, etcétera. Pero nosotros debemos tener en cuenta que la computadora no puede pensar por sí misma, el robot nunca podrá manejar el pincel como un pintor. Norbert Wiener exclamó: “¡Dejen, pues, al hombre todo lo humano, y a la máquina… todo lo de la máquina!”.2 2 Norbert Wiener, Dios y Golem, S. A.: Comentario sobre ciertos puntos en que chocan cibernética y religión, Siglo xxi, México, 1998.

Robot vs. ser humano

En este punto debemos precisar algo importante: ningún robot puede tener tantas propiedades multifuncionales como el humano. Los robots especializados en las funciones que realizan pueden superar esencialmente las posibilidades de los humanos. Por ejemplo, la velocidad de los cálculos de la computadora supera en mucho

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Robot y espacio

Desde hace mucho tiempo se ha observado que es más fácil organizar el funcionamiento productivo dentro de un espacio ordenado, en ausencia de los factores obstaculizantes. Es más conveniente cultivar un terreno de forma rectangular que de forma oblicua. La particularidad del funcionamiento del robot en el espacio ordenado consiste en que, en tal situación, en muchos casos no se requiere la introducción de la retroalimentación según la disposición de las piezas procesadas en el espacio. Por tanto, todos los procesos de la producción, que pueden ser ordenados, ya hace mucho son mecanizados y automatizados, desde la producción de los microesquemas electrónicos (chips), hasta la producción agrícola. La más difícil dirección en la automatización es la creación del robot móvil y autónomo para funcionar en el espacio desordenado. A los robots móviles pertenecen los robots para las investigaciones de los asteroides, de la Luna y de Marte, así como los diseñados para trabajar en las minas y bajo el agua, excavar el suelo, entregar los alimentos y la medicina en las clínicas, etcétera, así como el funcionamiento autónomo de los tractores en una hacienda agrícola.

La ciencia y la tecnología modernas han creado los medios perfectos radiotécnicos y de láser de la telecomunicación, de la localización y de la navegación para los misiles, las naves aéreas y las submarinas. La navegación de los medios de transporte terrestre y de superficie aprovecha uno de los inventos excelentes del siglo xx, la tecnología gps (Global Positioning System [Sistema de Posicionamiento Global, en español]), que usa el sistema de los misiles estadounidense llamado Navstar.3 Estos medios permiten a los robots realizar su movimiento en un ambiente donde están ausentes los obstáculos, pero para moverse sobre una superficie donde pueden encontrarse obstáculos, el robot móvil debe ver ante sí el panorama tridimensional, tal como lo hace el hombre. El robot debe rodear los obstáculos aprovechando el principio de retroalimentación.

Problema de visión técnica

En el comienzo de la década de los setenta fueron creados los sistemas “ojos-mano”, que funcionan bajo el control de una computadora. Éstos recibieron el nombre de robots integrales.4 Así llamado, “el ojo” se compone de una cámara ccdc (chargecoupled device camera), la cual permite obtener la imagen bidimensional plana del panorama, y por tanto, un robot integral con tal “vista”, resuelve algún círculo restringido

3 E. D. Kaplan (ed.), Understanding gps: Principles and Applications, Artech House Publishers, Boston, 1996. 4 R. Duda y P. Hart, Pattern Classification and Scene Analysis, A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, 1973.

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• de tareas relacionadas con el reconocimiento de imágenes bidimensionales (ver figuras 1, 2 y 3).5 Después de la creación del algoritmo de reconocimiento del panorama tridimensional por dos proyecciones,6 apareció una esperanza para crear los sistemas tridimensionales de visión para el robot móvil, pero estos sistemas no resultaron exitosos.7

Figura 1. El robot encuentra y lleva un objeto.

Figura 2. El robot lleva cierto libro.

Figura 4. Partes esenciales del ojo.

A. Ananiev, “Picture Gallery”, Örebro University, Suecia, 2000, en http://aass.oru.se/~aav/pictures.html 6 H. C. Longuet Higgins, “A computer algorithm for reconstructing a scene from two projections”, Nature, núm. 293, 1981, pp. 133-135. 7 T. Kanade, A. Yoshida, K. Oda, H. Kano y M. Tanaka, “A stereo machine for video rate dense depth mapping and its new applications”, Proceedings of the International Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 1996; T. Williamson y C. Torpe, “Detection of small obstacles at long range using multibaseline stereo”, Proceedings of the 1998 ieee International Conference on Intelligent Vehicles, Stuttgart, Alemania, 1998. 5

Figura 3. El robot "ve" una taza.

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• Según los datos del Mobil Robot Laboratory Carnegie Mellon University, las investigaciones para la creación de los sistemas de visión técnica para los robots móviles se siguen llevando a cabo hoy día en más de cien universidades del mundo y en más de cincuenta universidades de Estados Unidos.8

Representación del panorama 3D en el ojo humano

El ojo humano es un proyector vivo y, en opinión de los físicos, representa un milagro fisiológico.9 Y esto no es lo asombroso. La figura 4 muestra los principales detalles del ojo. A través del objetivo (el cristalino), el panorama tridimensional delante de los ojos se proyecta como una imagen esférica al fondo del ojo en la retina, la cual está constituida por unos 120 millones de bastones y 7 millones de conos, los cuales son los elementos que poseen la sensibilidad alos tonos blanco-negro y de color correspondientes. Por medio de estos sensores vivos la imagen se parte en 1.27.108 fragmentos (puntos), que en forma de señales eléctricas se introducen en la memoria operativa del hombre. De esta manera, nosotros obtenemos las coordenadas angulares de cada uno de los 1.27.108 puntos que se ubican en el campo visual del ojo.La cámara ccd mencionada anteriormente, representa un análogo completo del ojo humano con la siguiente diferencia: las mejores cámaras digitales tienen resolución 4095X2095= 1.68.107 pixeles, que es de un orden menor que la resolución del ojo humano. La imagen obtenida por la cámara ccd es bidimensional, plana, mientras que el analizador humano permite obtener una idea sobre los parámetros estereoscópicos del panorama.

Figura 5. El robot móvil con el sistema de la visión técnica.

Visión para el robot

Si se considera la visión como un proceso de recepción de la información, se ha concluido que el analizador humano de la vista, al mismo tiempo determina las coordenadas angulares y las distancias hasta todos los puntos del campo,10 por lo tanto, en el proceso de la observación ocurre la recepción del panorama y la transformación tridimensional irreflexiva análoga-digital de la misma. La frecuencia de este proceso es de aproximadamente diez veces en un segundo, que es suficiente para las aplicaciones técnicas, tales como un robot móvil (ver figura 5).

Kevin Dowling, “History of the mrl”, The Mobile Robot Laboratory Carnegie Mellon University-The Robotics Institute, en: http://www.frc.ri.cmu.edu/mrl/mrl-history. html. 9 R. Serway y R. Beichner, Física para ciencias e ingeniería, McGraw-Hill/Interamericana Editores, México, 2002. 10 V. E. Tyrsa, A. Sauceda Carvajal, L. P. Burtseva, J. Rivera Castillo y V. V. Tyrsa, “Navigation of spacecrafts and mobile robot”, Proceeding of the iasted International Conference “Robotics and Manufacturing”, Cancún, México, 2001, pp. 83-87. 8

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De todas estas observaciones se puede concluir que el sistema de la visión técnica del robot móvil debe crearse a imagen y semejanza del analizador visual humano. En el analizador visual del humano funcionan al mismo tiempo dos sistemas de medición de las distancias. El primer sistema es enfocado, entonces evalúa las distancias por el reenfoque del cristalino y funciona correspondientemente a la ecuación de la lente. El segundo sistema es binocular. Un ejemplo simple de la realización del sistema enfocado de la medición de la distancia es la escala de las distancias marcada sobre la lente del objetivo de una cámara fotográfica.

Si el hombre concentra su atención en algún objeto del campo, entonces en este punto coinciden los ejes de los dos ojos. Por la magnitud de la base entre los centros de los ojos y el ángulo de la vista de los ejes respectivamente a la base, ocurre la evaluación de la distancia hasta el objeto de modo binocular. El sistema binocular posee la sensibilidad al cambio de la distancia de 8 a 10 veces más alta que el enfocado.1 1 El 11V. V.Tyrsa, L. Burtseva, V. E. Tyrsa, I. Kalaykov y A. Ananiev, “Three-dimensional vision system”, Proceedings of spie International Conference “Optomechatronic Systems iii”, Stuttgart, Alemania, 2002, pp. 645-651.

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• sistema binocular que funciona en el régimen manual se emplea, por ejemplo, en los distanciómetros de artillería. El régimen automático del distanciómetro enfocado y del binocular, hasta ahora no ha sido llevado a cabo y representa un problema de ciencia y tecnología.

Conclusiones

El análisis de la tecnología de punta en la robótica indica que un paso nuevo y significativo en el acercamiento entre un robot y un humano ocurrirá cuando los esfuerzos colectivos de los científicos y los tecnólogos hayan creado el sistema tridimensional de visión técnica, cuando el intelecto artificial (la computadora), obtenga su propia visión artificial. A través de tal visión la computadora aprenderá a reconocer no sólo las imágenes bidimensionales, sino el panorama tridimensional ante el robot móvil sobre una superficie desordenada de Marte o de la Luna. Cuando el sistema “ojo-computadora” haya sido asegurado tanto como el analizador humano de la vista junto con el intelecto del hombre, en las carreteras de las ciudades y en los campos podremos ver lo que ahora sólo vemos en las películas fantásticas con la participación de los robots. Hay una cosa más que mencionar: Al investigar las propiedades ópticas del analizador humano de la vista obtuvimos una conclusión algo inesperada: el ojo humano no podría ser formado como un resultado de la evolución, sino creado de modo orientado hacia el objetivo. No podemos responder como ocurrió esto, pero es evidente que no es resultado de la evolución.

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Corrosión en soportes de tablero eléctrico Moisés Galindo Duarte,* Benjamín Valdez Salas* y Michael Schorr Wiener*

Los tableros con medidores de luz instalados en los hogares, con el paso del tiempo pierden resistencia y estabilidad debido a la corrosión. Nunca están de más las medidas preventivas para evitar el deterioro de estos equipos.

*Investigadores del Instituto de Ingeniería, uabc.

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• Corrosión de los soportes

Los

soportes para el tablero monofásico o polifásico instalados en casas habitación, tienden en muchos casos a perder la resistencia mecánica necesaria para cumplir su función en posición vertical. Estos soportes corren el riesgo de fallar estructuralmente y perder su estabilidad debido a la corrosión y, por ello, se deben tomar medidas preventivas. En este trabajo se mostrará la forma de aumentar la duración del soporte con una serie de recomendaciones para evitar y aminorar la corrosión.

El sistema El usuario de casas habitación requiere un suministro de energía eléctrica de 110 V o 220 V; este último es suficiente para atender los servicios con consumos muy diferentes, dependiendo de los hábitos de consumo de energía del usuario, cuya fluctuación puede ser de pocas decenas hasta varios miles de kwh mensual. La Comisión Federal de Electricidad (cfe) brinda el servicio por medio de una red de energía urbana, suburbana y rural. La división Baja California conecta al usuario con esta red de vía aérea a través de un tablero, para lo cual reglamenta un soporte con las características que se muestran en la Figura 1.

La corrosión aparece en aquellos tableros instalados varios años atrás, por consiguiente, las condiciones del suelo, agua, humedad, aire y tiempo los hacen perder su resistencia y fallar. En las figuras 2 y 3 se observa un caso típico de pérdida de resistencia mecánica en el tubo de acero galvanizado por corrosión en hendiduras. Para que esta corrosión tenga lugar, son suficientes el agua y el polvo que se acumulan en la parte inferior interna de soporte, lo cual es fácil debido a la ausencia del tapón en la parte superior. Si la instalación de dicho tapón se hace, permite que la vida útil del soporte se alargue. Otras veces este soporte falla en un tiempo más corto, debido a que el material es acero al carbono (material con el que se fabrican éstos) desnudo, y el ataque ocurre también en la parte externa de la base. En cualquiera de los casos, la mayoría de las veces el problema se ve agravado por la presencia de una tierra física, que consiste en una varilla de cobre de al menos un metro de longitud, la cual es enterrada en la zona aledaña a la base del soporte. Esta varilla, en condiciones de humedad, es capaz de generar un par galvánico, en donde el tubo de acero al carbono, galvanizado o pintado, presenta un comportamiento anódico y se disuelve mediante un proceso de corrosión.

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• Aislador de carrete con bastidor atornillado

Aislador de servicio con abrazadera

Soporte tubo de fierro galvanizado de 63.5 mm (mínimo) pared gruesa (cédula 40) o tubo negro protegido con dos capas de pintura anticorrosiva y tapón en la parte superior

*4.80 m si la postería está por la acera del mismo lado

Si el frente de la edificación está en el límite de la propiedad con la altura necesaria, se podrá utilizar para soportar la acometida

5.50 m si la postería está por la acera contraria

En áreas de costa, instalar tapa o caja protectora a prueba de humedad para medidor e interruptor

Frente límite de propiedad

Al centro de carga

Vista de frente

Vista de perfil

Figura 1. Especificación para tablero monofásico o polifásico con cargas de hasta 24 kW. Fuente: cfe, División Baja California, Departamento de Medición y Servicio, Mexicali.

Resistencia de un soporte corroído Al determinar el diámetro del tubo para soporte y el grosor de la pared de éste, es importante calcular su resistencia, para lo cual se toma en consideración la sección tubular íntegra y la resistencia a la ruptura del acero en kg/cm² versus las fuerzas actuantes, como el viento, empujes al tubo,

sismos, posibles jalones por maniobras, etcétera. Estas fuerzas provocan un momento flexionante sobre el tubo, el cual es mayor sobre su parte inferior, debido a que la distancia entre el punto donde se ejercen dichas fuerzas actuantes y la parte inferior del soporte, es mayor.

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Figura 2. Soporte fallido por corrosión.

Figura 3. Soporte que presenta falla por corrosión en la base.

Una propiedad de resistencia del tubo es el momento de inercia, el cual se obtiene con la siguiente fórmula: (D4- d4) π/64 donde D es el diámetro exterior y d el interior. Cuando la corrosión actúa en el exterior del tubo, el diámetro exterior disminuye. Cada milímetro de profundidad del efecto corrosivo disminuye el momento de inercia aproximadamente 35%, y ya estando muy corroído, tarde o temprano el esfuerzo sobre el tubo le hará caer.

soporte se encuentre sobre un jardín o lugar donde se tiene un ambiente húmedo. Con el tiempo, es importante revisar periódicamente el soporte; en caso de desgaste, hay que renovar de inmediato la protección. También se debe considerar la posibilidad de sustituir la estructura por otra que resista la corrosión; actualmente ya se utiliza el concreto reforzado, que evita el contacto del tubo con el suelo y disminuye el deterioro por corrosión sin afectar las propiedades de resistencia mecánica requeridas.

Conclusiones

Una forma de evitar la corrosión Para evitar las fallas en el soporte del tablero por causa de corrosión, se recomienda que, además de cumplir con las especificaciones que marca la cfe, se ponga especial cuidado en cubrir la parte inferior del tubo del soporte con material anticorrosivo, tales como brea, pinturas anticorrosivas, etcétera; además, se debe asegurar que el tapón superior no permita la entrada al agua y evitar que el

La corrosión provoca la falla en los soportes del tablero y en las estructuras con condiciones similares cuando se descuida su instalación o por la falta de mantenimiento. Una manera de atacar este problema es realizar una instalación adecuada de acero concreto y, desde un inicio, protegerla con pinturas o recubrimientos, a fin de contrarrestrar el efecto de la corrosión, sin olvidar su mantenimiento.

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•• El arca de Noé * José Manuel Berruecos **

Si dejamos a un lado los mitos y las metáforas bíblicas que alimentaron la imaginación de muchos de nosotros, llevar a la realidad la historia de Noé y su arca, puede ser una historia de proporciones descomunales.

* Una versión de este trabajo apareció publicado en la revista Humanidades, unam, 1998. **Facultad de Medicina, Veterinaria y Zootecnia, uabc. Ilustraciones tomadas del libro Primeros pasos, de Carlos L. Paddok, editado por la Agencia de Publicaciones México Central, A. C.

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acuerdo con la mitología judeocristiana, la humanidad estaba corrompida ante los ojos de Dios, entonces éste le ordenó a Noé que construyera un arca de madera resinosa y la dividiera en compartimientos. A pesar de sus 600 años de edad, (Gén. 7:6), Noé inició rápidamente su encargo. Según esta historia, el arca medía 300 codos de largo, 50 de ancho y 30 de alto (Gén. 7:1), lo cual, con el valor de 43.18 cm por cada codo, nos da 130 m de largo, 22 m de ancho y 13 m de alto. En la parte superior, la nave tenía en su techo un tragaluz. Si el arca fuera rectangular, con estas medidas se puede calcular que la superficie de cada uno de los tres pisos era de 2 660 m2. Lo más lógico sería que se imaginara con la forma de un rombo, por lo que se tendría la mitad del espacio estimado (1 430 m2). Y si se parte de este supuesto, se pasaría por alto que, para poder flotar, el área de corte horizontal se reduce en su parte inferior. Si el arca medía 13 m de alto, se puede suponer que cabían dos entrepaños separados de cuatro metros de alto, cada uno con capacidad en bodega de 5 720 m3 (343.2 t de alfalfa o 57 viajes de camión). Si uno de ellos se dejara sólo para el agua, serían también 5 720 m3 y quedaría un tercer piso para jaulas y alojamientos.

Para tener puntos de referencia, el arca es poco menos de la mitad de largo que el Titanic y dos terceras partes del ancho (270 x 28 m). En lo que sí mejoró la tecnología de nuestros tiempos, fue en el número de cubiertas, pues el Titanic tuvo nueve pisos, contra los tres del arca de Noé. Por otro lado, si comparamos este navío con la Santa María de Cristóbal Colón (21 x 6 m), dicha arca era poco más de seis veces en su largo y casi cuatro veces más ancha. Como es sabido, Noé tuvo que juntar las parejas de cada especie de aves, ganado y reptiles, y buscar alimento para él, su familia y los animales, para lo cual disponía de siete días. Tal vez acarrear los animales le fue fácil, pues seguían las órdenes de Dios, pero llenar las bodegas con alimentos debió ser una labor de gigantes.

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• Carlos Lineo (1707-1778), el gran biólogo sueco, enlistó en Systema Naturaea 4 236 especies de animales usando su famoso método de clasificación. Actualmente se conocen más de dos millones de especies, aunque Artropoda (insectos y bichos) representa 70% de ellas. Entre 4 500 y 6 000 son mamíferos. Vamos a suponer que tomó 10% de los mamíferos (600 especies, que en parejas representan 1 200 especies). De éstos, y para hacerlo más fácil en términos de la dieta, la mitad de las especies (300) son carnívoros y los otros (300) son herbívoros. Además, pueden ser divididos en chicos, medianos y grandes, con 100 especies de cada grupo (200 animales por tamaño).

Se puede hablar del consumo promedio diario para cada grupo, a fin de calcular las necesidades de alimentos requeridas para la travesía. Se asumiría que los herbívoros sólo comen alfalfa para evitar las dietas especiales de bambú, frutas y semillas. Se puede calcular un consumo diario de carne por animal grande, mediano y chico en 6 kg, 4 kg y 2 kg, respectivamente. Como hay 200 de cada grupo, serán 2 400 kg diarios de carne, equivalente al día de 12 canales de res de 200 kg, y para toda la travesía serían 4 380 canales. Haciendo caso omiso a la falta de refrigeración (equipo, combustible y máquinas), y si cada canal requiere 2 m3 de espacio, la bodega de carne tiene que ser de 8 760 m3, equivalente a un entrepaño y medio, la mitad de la capacidad del arca. El consumo de agua se va a calcular sólo con 325 días, pues los primeros 40 pudieron usarse para llenar los tinacos y, a la vez, darle de beber a los animales. El agua donde flotaba el arca era salada, pues se mezcló con la de mar, además de que debe haberse encontrado muy contaminada por la cantidad de cadáveres –producidos por el gran diluvio– que flotaban alrededor. El consumo de agua promedio por animal es de 6 litros, y ya que son 600, se necesitan 3.6 m3 diarios, lo que corresponde a 1 170 m3 de agua para todo el viaje (325 días sin agua de lluvia).

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• El área para las jaulas es de 20 m2, 10 m2 y 1 m2 para animales carnívoros grandes, medianos y pequeños, respectivamente, por lo que al multiplicar por 200 que hay en cada grupo, nos da 4 000 m2, 2 000 m2 y 200 m2 de espacio, siendo un total de 6 200 m2 (poco más de un piso). Como se puede ver, entre carne, agua y jaulas, las 300 especies carniceras ocuparían totalmente el espacio disponible. Sin embargo, el problema más complejo sería con los herbívoros, ya que los volúmenes de espacio requeridos para ellos son mayores. Para grandes, medianos y chicos se puede asumir 50 kg, 20 kg y 5 kg diarios de alfalfa, pues si bien el elefante requiere de 200 kg diarios de alfalfa, se compensa con otros animales que no requieren de tanto alimento. Así, se tiene un consumo total de los 200 animales de cada grupo, de 10 000 kg, 4 000 kg y 1 000 kg diarios (15 t), que para todo el viaje representarían 5 475 t (912 viajes de camión o 91 250 m3). En cuanto al consumo de agua, se puede calcular 30 litros por cabeza al día, lo que daría 18 m3 diarios y un total de 5 850 m3 para todo el viaje. El espacio para aloja-

miento es más crítico: 80 m2, 20 m2 y 10 m2 por cada animal de acuerdo con su talla, siendo un total de 22 000 m2 en jaulas y corrales. Si se suma con el área de carnívoros se necesitan 8 760 m3 para los canales, 7 020 m3 para el agua, 91 250 m3 para las pacas de alfalfa y 28 200 m2 en corrales y jaulas para los 1 200 animales. En el arca, al tanque de agua le faltaría un poco de espacio extra (hay 5 720 m3 y se requieren de 7 029 m3), por lo que empezaría a escasear unos 100 días antes de acabar el viaje. Solamente la mitad de la carne ocuparía el otro piso. Las pacas de alfalfa necesitarían 16 pisos más, sin contar las habitaciones de Noé y su familia. En resumen, el área requerida para los corrales y las jaulas de los 1 200 animales sería de 28 200 m2, lo que equivale a 20 pisos. Para almacenar la comida de todos ellos se requeriría de 100 000 m3, es decir, casi 18 pisos más, y un piso extra para el agua. Esto obliga a pensar que el arca era de 39 pisos o tres veces mayor. En el Titanic siete de sus pisos eran nada más para las jaulas y corrales. Se necesitaría enganchar el arca a otro Titanic y medio, sólo para llevar el agua y la comida. Visto de otra forma, Noé debió considerar menos de 1% de mamíferos carnívoros y herbívoros para poder hacer el viaje y, aunque apretados, tendrían comida, agua y espacio suficientes. Faltaría ver qué pasó con el resto de los animales. Lo que sí podemos pensar es que el mito de que el unicornio no entró al arca porque se quedó retozando, tal vez pueda ser sustituido por el pavor al hacinamiento que le provocó pensar en esa travesía.

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Protección anticorrosiva del acero con pinturas ricas en zinc Benjamín Valdez Salas* y Miguel Schorr Wiener * Las pinturas industriales y decorativas son de las más utilizadas para la protección de estructuras y equipos. Las civilizaciones antiguas (egipcia, fenicia, griega y romana) ya aplicaban pinturas producidas con grasas, aceites y pigmentos minerales. Luego del descubrimiento del petróleo se empezaron a manufacturar pinturas basadas en solventes derivados de éste. La gama actual de pinturas es muy variada, basada en agua o solventes, de acuerdo con las normas que evitan la contaminación del medio ambiente y mantienen la salud humana.

*Laboratorio de Corrosión y Materiales del Instituto de Ingeniería, uabc.

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corrosión es un problema permanente y crítico en la industria y la economía, que provoca daños severos por pérdida de tiempo de producción, deterioro de equipo y materiales, accidentes de trabajo, etcétera. La industria requiere de numerosas y variadas estructuras, equipos y maquinarias que deben funcionar con eficiencia y seguridad para asegurar el rendimiento económico de una empresa industrial. Los efectos de corrosión perjudican o interrumpen la secuencia industrial de producción, por lo tanto, se deben implantar métodos de prevención y protección para evitar la interacción de los materiales y estructuras con los factores corrosivos del medio ambiente. El uso de pinturas ricas en zinc es uno de los métodos útiles para resolver este problema.

Corrosión electroquímica

La corrosión es un proceso electroquímico durante el cual un metal se deteriora por reacción con elementos corrosivos del medio ambiente, como la humedad, oxígeno del aire o disuelto en el agua, gases contaminantes corrosivos producidos por plantas de energía y vehículos que queman combustibles fósiles. En este proceso la superficie del acero se cubre de óxido de hierro (herrumbre).

El acero al carbono es un material primordial para la construcción de puentes y estructuras, así como para la fabricación de vehículos, barcos, maquinarias y equipos industriales, debido a sus propiedades útiles: elevada fuerza mecánica, facilidad en el maquinado y un costo inferior en comparación con otros materiales metálicos o plásticos. Sin embargo, el acero presenta una gran desventaja: no es resistente a la corrosión atmosférica, por lo que se hace necesario proteger al acero para prevenir la corrosión y/o para aminorar su intensidad. La industria aplica dos métodos especiales para prevenir y/o proteger las estructuras y los equipos de acero contra la corrosión: las pinturas y recubrimientos, y la protección catódica.

Pinturas y recubrimientos

Existen varios tipos de pinturas y recubrimientos, los cuales se diferencian por su composición química, propiedades y espesores, como son las pinturas líquidas, las láminas de hule, las capas de plástico, el cemento para las tuberías de agua, entre otras. Las pinturas y los recubrimientos actúan como una barrera que impide la penetración de los elementos corrosivos hacia la superficie del acero, los cuales provocarán corrosión y herrumbre. La herrumbre absorbe la humedad, se desintegra, penetra humedad nuevamente, y el proceso continúa hasta la destrucción total del acero.

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• Protección catódica

Esta protección está basada en un mecanismo que llamamos de corrosión galvánica. Cuando dos metales como el hierro y el zinc, que tienen un potencial electroquímico distinto, están unidos por tornillos o soldaduras, el metal más activo – en este caso el zinc– se corroe mientras que el otro –hierro (o el acero)– no, pero esta no corrosión del acero tendrá lugar mientras el zinc esté presente, protegiéndolo, de manera que el zinc actúa como un ánodo protector de sacrificio. Otra técnica para otorgar protección catódica al acero mediante el zinc, es por inmersión del acero en un baño de zinc fundido, formando una capa de este material muy bien adherida al acero. Este proceso se conoce como galvanización.1 Esta técnica es muy cara, ya que se debe invertir energía eléctrica o térmica para mantener el zinc fundido, a una temperatura de 450 °C.

El mismo sistema protegido por una pintura rica en zinc.

En la figura 1 se muestran dos mecanismos de protección: del lado izquierdo, protección no catódica mediante una pintura común, y del lado derecho, protección catódica por una pintura rica en zinc, que actúa a la vez como barrera que impide al acceso de factores corrosivos. Para mayor referencia, véase Divulgare. Ciencia para todos, núm. 28, uabc, Mexicali, octubre-diciembre de 1999. 1

catódica

No catódica Pintura común (sistema pasivo) Fe Fe2+ + 2e

Capa protectora

Reacción debido al aire y la humedad

O2 + 2H2O + 4e FeO (OH)

4OH

Formación de:

Fe2+ + 2e No ocurre Zn (OH)2

SIN CORROSIÓN

CORROSIÓN

Pintura

Recubrimiento de pintura rica en zinc (sistema activo) Zn Zn2+ + 2e

Pintura

Fe (Acero)

Zinc

Zinc e

Fe (Acero)

Figura 1. En la figura del lado izquierdo se muestra una protección no catódica con pintura común, y en la figura de lado derecho se muestra la protección catódica y por recubrimiento con una pintura rica en zinc.

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• Pinturas ricas en zinc

Hace 150 años que se conoce el valor del zinc como elemento de protección anticorrosiva por el mecanismo de protección catódica descrito anteriormente. El uso de zinc metálico en polvo en la formulación de pinturas, es un desarrollo de las últimas décadas. El zinc se agrega a varios tipos de polímeros orgánicos, por ejemplo, vinil, epoxy, uretano, poliamida, hule colorado, y conjuntamente con un aglomerante, forma una pintura de tipo primario que al solidificarse constituye una capa sólida protectora. También se utilizan pinturas ricas en zinc a base de compuestos inorgánicos de tipo

silicato. El zinc se debe agregar en gran cantidad para asegurar un contacto físico con el acero que se protege. En caso de una ruptura o fractura en la capa protectora, el polvo de zinc cercano a la rotura provisionará de protección catódica al acero. Con el transcurso del tiempo el zinc se cubre con una capa adicional de óxido de hidróxido de zinc, lo cual constituye una protección adicional. En el cuadro 1 se muestra el contenido total de sólidos, de pigmentos y de polvo de zinc y varios estándares de la astm (American Society of Testing and Materials) aplicados en la manufactura de estas pinturas.

Cuadro 1. Características de una pintura primaria rica en zinc tipo II (orgánica). Steel Structures Painting Council (sspc). Características bajo especificaciones sspc 20X80P

% en peso

Sólidos totales en el recubrimiento (astm d-2369)

Pigmento presente en los sólidos totales (astm d-2371)

Total de polvo de zinc en el pigmento (astm d-521)

Total de polvo de zinc en los sólidos totales

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• Aplicación y recursos

Las pinturas ricas en zinc de un componente, que vienen listas para su uso, se pueden aplicar con pincel, brocha, rodillo, rociado a presión o por inmersión, sobre piezas pequeñas en el taller o grandes estructuras al aire libre, luego de una preparación de la superficie del acero, que consiste básicamente en una limpieza mecánica para remover la herrumbre. Existen diferentes tipos de pinturas en zinc especiales que se pueden aplicar sobre aceros levemente herrumbrados. Las propiedades de las pinturas ricas en zinc y sus formas de aplicación se presentan en el cuadro 2.

Cuadro 2. Propiedades de la pintura rica en zinc. •Producto unicomponente, una capa, primario y superior. •Aplicación: Brocha, rodillo, pistola a presión, rocío electrostática. •Densidad: 2.67 kg/l. •Sólido seco: 80% por peso, 38% por volumen. •Resistencia térmica: 150 ºC a-40 ºC. •Color: Gris (zinc). •Tiempo de secado: 5 minutos al tacto, seco al final de 48 horas. •Cobertura: 4 m2/kg para una película de 40 m. •Punto de ignición: 50 ºC. •Aplicación de segunda capa: Luego de 2 horas; 48 horas, otro tipo de pintura. •Vida en anaquel: Ilimitada.

Sistema de tanques, tuberías y llaves corroídos.

Los usos de este tipo de pintura anticorrosiva son múltiples: En estructuras marinas fijas y móviles, como en puentes colgantes de acero, maquinarias y equipos en puertos marinos, boyas flotantes ancladas, navíos de carga, pasajeros y pesqueros. Se usa en todo tipo de vehículos: plataformas de autos, camiones, autobuses, tractores, maquinarias agrícolas. También en equipos de plantas industriales: tanques tuberías, válvulas, bombas, torres que sostienen cables de electricidad y equipos en estaciones de transferencia.

Bibliografía FONTANA, M. G., Corrosion Engineering, 3a. ed., McGraw-Hill Book Co., 1986. GENESCA, J., Más allá de la herrumbre, Fondo de Cultura Económica, México, 1994. STEEL Structures Painting Council, Zinc Rich Primers Specifications.

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El vapor de agua de los campos geotérmicos, ¿no es agua? Margarito Quintero Núñez*

* Instituto de Ingeniería, uabc. Correo electrónico: maquinu@iing.mxl.uabc.mx

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acuerdo con algunas autoridades gubernamentales, el vapor extraído de campos geotérmicos como Cerro Prieto, en Baja California; Los Azufres, en Michoacán; Los Humeros, en Puebla, y Tres Vírgenes, en Baja California Sur, no es considerado agua. Bajo esta premisa, la Comisión Federal de Electricidad (cfe) no está obligada a pagar a la Comisión Nacional del Agua (Conagua) la extracción de miles de toneladas de agua en forma de vapor, porque no se extrae agua, sino vapor endógeno. Esta declaración se sustenta, asimismo, en la Ley federal de derechos en materia de aguas nacionales, emitida en 1990, y que en uno de sus artículos expone “que cuando un usuario explota un recurso que no tenga competencia –es decir, que no hay otro usuario que lo requiera de igual forma– no existirá cobro”. Tal vez por eso en ningún lugar bajo explotación del recurso geotérmico de la cfe existen otras formas de explotación como son los usos no eléctricos de la geotermia, tales como: la crenoterapia (baños con fines medicinales), secado de frutas, calefacción y refrigeración, usos de calor en diversidad de procesos, etcétera.

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Al retomar el criterio considerado para la exención de pago por uso de agua, es importante mencionar que la composición básica del agua (H2O) se mantiene inalterada independientemente de su estado físico (líquido, sólido o gaseoso); la única diferencia que sí existe entre cada uno de éstos es su contenido de energía, pero, al parecer, la burocracia mexicana ignora los principios de la física, para con ello omitir un pago justo y obligatorio pues, como mexicanos respetuosos de la ley, debemos pagar el consumo de agua, cualquiera que sea su estado físico. La crítica no es a la ley, sino a la interpretación burocrática que se hace de la misma, al basarse en un criterio totalmente erróneo e incongruente con la ciencia, y que demuestra el total desconocimiento de nuestros legisladores. Un caso que viene a colación es el de la Universidad Autónoma de Baja California (uabc) que está exenta del pago por el consumo de agua, de acuerdo con la Ley orgánica, en la cual se omite el consumo porque cuando dicha ley fue creada, el agua disponible era muy abundante en proporción al tamaño de la ciudad en ese tiempo, y los recursos económicos de esta universidad eran muy escasos. Qué bueno que en ese último caso la ciencia no fue “reinventada”, porque entonces, como académicos, nuestra imagen quedaría en entredicho. Desafortunadamente, con acciones y legislaciones como éstas, Conagua se ve notablemente afectada, pues con el pago del consumo de agua extraída por la cfe podría subsanar sus finanzas.

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¡Dorados en Mulegé! Alberto Tapia Landeros*

* Dirección General de Investigación y Posgrado, uabc.

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Los

pescadores norteños soñamos a menudo con los grandes peces del sur: marlines, velas, gallos y ¡dorados!, y la única forma de realizar esos sueños es ir en su busca. El verano pasado acompañamos a buenos amigos que llevan 15 años visitando el sur del mar de Cortés en esta época del año, particularmente para coincidir con la migración de uno de los miembros más espectaculares de la ictiofauna golfina: el dorado. Tiempo atrás, pescadores del vecino país del norte le llamaban exclusivamente mahimahi, que es como lo nombran en Hawai, pero cada vez más estadounidenses y europeos acuden a los mares semitropicales mexicanos, así como a los mares tropicales de Centro y Sudamérica, en sus aventuras de pesca deportiva, las cuales incluyen invariablemente a esta especie, cuyo nombre científico es Coryphaena hippurus. En nuestro idioma, todos los pueblos latinoamericanos lo llaman simplemente dorado, y poco a poco los sajones han ido cambiando de mahi-mahi a dorado, rebautizando a Coryphaena con su nombre en castellano. Es evidente que su color dominante, el amarillo o dorado metálico, es el origen de este nombre. Aunque el azul y verde están presentes en este pez maravilloso, al ser humano le ha impactado más el caliente y tropical tono de su cuerpo esbelto y veloz.

El dorado existe en todos los mares templados del planeta. Es una de esas pocas especies que son la misma en cualquier agua, a diferencia, por ejemplo, del pez vela, que tiene una especie en el océano Pacífico y otra en el Atlántico. Muy poco se sabe de la biología del dorado, pero ya se investigó que un ejemplar de 15 kg –un poco más de 30 libras–, y que es considerado un trofeo, tiene apenas un año de edad, lo que quizá lo convierte en el pez de más rápido crecimiento en agua salada.

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Esta foto muestra dos cosas: un mar picado y un dorado luchando por soltarse.

Además, los dorados pelean por zafarse del anzuelo con mayor vigor que otras especies; de hecho, ésta es otra de las características que lo hacen el favorito de la mayoría: su forma de pelear, pues al estilo de marlines y velas, el dorado salta por encima de la superficie marina en muchas ocasiones, cabeceando para tratar de desengancharse, proporcionando un espectáculo dramático, lleno de violencia y acción. Por esta razón, marineros con experiencia evitan utilizar señuelos con anzuelos de tres picos, pues cuando un dorado es atrapado, su comportamiento es tan violento que los dos picos restantes y los de otros anzuelos del señuelo constituyen un peligro para cualquiera a bordo al saltar y coletear con gran fuerza en cubierta tratando de escapar, por ello, solamente se usan señuelos con anzuelos sencillos o dobles, como las tradicionales plumas de troleo.

La travesía

A mediados del verano de 2002 visitamos el histórico oasis de Mulegé, en Baja California Sur. Descubierto por el padre Juan María de Salvatierra en 1701, fue el asiento de la

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El autor con un dorado de buen tamaño.

• misión Santa Rosalía de Mulegé, nombre que más tarde adoptaría la explotación minera francesa de El Boleo, dando nacimiento al pueblo de Santa Rosalía, cuna de los auténticos cachanillas. Mulegé vive del turismo, la pesca y cultivos domésticos de frutales. Mangos, papayas, granados, dátiles, higos, olivos y cítricos crecen en sus huertos, muchos de los cuales datan desde la época misional. Pitahayas silvestres dulces y agrias rodean el oasis de palmeras nativas, y datileras traídas por los misioneros. A mediados de la década de los años cincuenta, el legendario Ray Cannon popularizó este estuario al pescar enormes róbalos negros (Centropomus nigrescens), especie propia de manglares y agua dulce, de gran tamaño, y que eran pescados con fisga (arpón) por los nativos. Según averiguamos durante nuestra estancia, los róbalos negros casi han desaparecido del oasis de Mulegé. Todavía estaba oscuro cuando encendieron el motor de nuestra panga, larga, ancha y estable, para enfilar hacia fuera del estuario. Después de unos 15 minutos, José Luis Romero, guía y lanchero que nos transportó, apagó

el motor e instaló sabikis en nuestras cañas. Este invento japonés consiste en atar a una línea principal tres o cuatro diminutos señuelos hechos de pluma, que semejan pequeños camarones. Con un plomo en la punta final, se suben y bajan casi tocando el fondo marino. Cuando pasa una escuela de macarelas muerden los señuelos casi al mismo tiempo, y entonces es posible sacar de tres a cuatro macarelas de 15 a 20 cm de largo cada una, ¡vivitas y coleando! La panga lleva un tanque con bomba de recirculación para carnada viva, donde se guardan los peces para ser usados como cebo más tarde, así como toldo abatible, tubos para las cañas, hielera integrada, radio y otros accesorios y aparatos que no tienen lanchas como las de San Felipe, por ejemplo. Durante los meses de julio y agosto, corrientes del sur entran hasta casi medio golfo, y en ellas vienen algunos picudos, marlines y velas, así como la nueva generación de dorados del océano Pacífico. Para detectarlos, se instalan señuelos en las cañas, preferentemente plumas de colores con anzuelos dobles o sencillos. Se alejan de la panga unos 50 m y se jalan con el bote.

Bastó el ataque de un solo dorado para despintar este curricán de superficie.

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El barrilete se distingue del bonito por sus puntos grises del pecho. Los sudcalifornianos lo comen en machaca.

En nuestra travesía, pronto los carretes de las cañas empezaron a “chillar”, señal de que algún pez fue enganchado, y el guía paró el motor. Cruzamos un cardumen de barriletes (Euthynnus lineatus), un túnido (de la familia de los atunes) de carne negra y que pelea en el fondo. (A diferencia del dorado que salta del agua, el barrilete se sumerge lo más profundo que puede. Algunos le llaman también bonito, pero el verdadero bonito [Sarda velox] de carne blanca y sin los puntos grises que los barriletes tienen, vive preferentemente en el océano Pacífico norte, y no es muy común en la costa de Baja California).

Esbelto y acuadinámico, el dorado es un potente nadador que gusta de acrobacias en el aire.

Posteriormente, el guía corta tiras de los flancos del barrilete para carnada, amarra el resto del cuerpo colgando de la panga, para que su olor atraiga a otros peces en las cercanías, y se deja la embarcación a la deriva. Se atan anzuelos # 5/0 directamente a la punta de la línea y se engancha una macarela viva de la boca. En otra caña se ceba con tira de barrilete y se ofrecen a la corriente. En nuestro caso, casi inmediata mente, ambos ofrecimientos fueron atacados por dorados.

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Misión de Santa Rosalía de Mulegé.

¡Qué fuerza tiene un dorado! Salta, nada en la superficie cortando el agua, se clava y, cuando empieza a cansarse, nada de lado dando vueltas a la embarcación, ofreciendo la mayor resistencia posible antes de vencerse. En Mulegé el arreo favorito es el carrete Penn 4/0 con línea de 50 libras, pero en mi caso, saqué dorados de hasta 36 libras con equipo pesado de troleo (arrastre con lancha) con línea de 60 libras en carrete 6/0. La mayoría los capturé con carrete 3/0 y línea de 40 libras y, para probar, lancé un curricán de superficie y anzuelo sencillo con un carrete de bobina fija (spinner) tamaño 90, cargado con línea de 30 libras, equipo estándar en Ensenada para pescar jurel, bonito y barracuda, o en San Felipe para pescar cabrillas y curvinas. Francamente sentí que el único dorado que saqué con este equipo ligero estuvo a punto de romper la línea, aunque no lo logró. Estadounidenses se atreven a pescar dorado hasta con línea de 20 libras, pero mientras sacan uno, los que usan 50 libras pueden sacar hasta tres. Con esta reflexión esperamos ubicar

objetivamente al lector en la mejor decisión sobre el equipo que requiere llevar al golfo sureño cuando de pescar dorados se trata. Los dorados resultaron tan voraces, que en dos ocasiones mi compañero de panga, Gilberto Gallegos, y este escribano, pescamos el mismo dorado, pues se había tragado tanto su carnada como la mía. En la otra panga, en dos ocasiones también un dorado mordió los anzuelos de Javier Jiménez, Andrés Camou y su guía… ¡tres carnadas atacadas por el mismo pez!; eso es voracidad. A las nueve de la mañana el viento arreció y el mar se picó, pero para entonces ya habíamos completado nuestras cuotas diarias y regresamos a puerto. Nos deleitamos con filetes de dorado al mojo de ajo, empapelado, empanizado, a la veracruzana y en ceviche, pues de los peces de agua salada, su carne es de las más sabrosas. Definitivamente, pescar dorados en Mulegé en esa forma y durante meses del año adecuados, es garantizar el éxito del pescador deportivo.

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NOVEDAD EDITORIAL Este libro es un

homenaje a un hombre que hizo de la filosofía no una profesión sino un estilo de vida. Horst Matthai Quelle (Hannover, 1912Tijuana, 1999) llegó a Baja California para enseñarnos a pensar sin ataduras, sin ideologías. Pronto su cátedra dejó de ser una clase y se volvió un espacio para el diálogo y la amistad, un lugar para poner a prueba nuestras ideas más anacrónias.

Informes: Departamento de Editorial uabc, Av. Reforma #1375, Col. Nueva, C. P. 21100, Mexicali, B. C., tel./fax (686) 552-1056, de 8:30 a 13:30 y de 15:00 a 18:00 horas. E-mail: publicaciones@uabc.mx

Publicaciones de la uabc

Desarrollo industrial y polarización espacial en Tijuana, Baja California, habla sobre el crecimiento urbano de Tijuana en el periodo reciente, impactado por la localización de la industria maquiladora y que se aborda desde la perspectiva de la globalización.

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E ste libro es básicamente el curso de física i para estudiantes

de la carrera de oceanología de la Facultad de Ciencias Marinas de la uabc, y que consiste en los conceptos básicos newtonianos hasta la capacitación necesaria para ingresar como aprendiz en algunos de los grupos de investigación oceanográfica y meteorológica de la facultad.

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