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Nanotecnología: la próxima revolución logística

01/09/2004

Microsensores para la gestión y el control de las mercancías a lo largo de toda la cadena de suministro; microetiquetas inteligentes regrabables; técnicas de empaquetado que permitan la localización, inspección y monitorización en tiempo real de cada envase y su contenido; la automatización de envíos de cualquier producto; y un transporte más rápido y seguro. Así será la logística, según los expertos, en un plazo no superior a diez años gracias a una ciencia que está dando sus primeros pasos: la nanotecnología.

En este instante, en cientos de laboratorios públicos y departamentos de investigación privados de todo el mundo se está trabajando a una escala casi invisible. Una escala que el ojo humano no está preparado para percibir pero que existe. La escala del nanómetro (nm) o, lo que es lo mismo, la unidad de longitud equivalente a la millonésima parte de un milímetro. En cada nanómetro caben entre tres y cinco átomos. Es la enorme capacidad de lo muy pequeño.

La nanotecnología, término acuñado en 1974, consiste en la generación de máquinas, estructuras y reactores a escala nanomolar molecular, atómica y subatómica y tiene potencial para cambiarlo todo. En esta nanoescala, la física, la química, la biología, la ciencia de materiales, la simulación con ordenador y la ingeniería convergen. La nanotecnología unida a las Tecnologías de la Información (TI) y a la biotecnología conforman los tres desarrollos científicos esenciales de los últimos 15 años.

Las tres ciencias juntas apuntan ya hacia posibilidades que lo más optimistas califican de casi infinitas, entre las que destacan: el aumento de las capacidades de almacenamiento de datos; la creación de materiales diez veces más resistentes que el acero pero mucho más ligeros; medios de transporte con mayor seguridad y menor consumo; computadoras y sistemas de transferencia de datos mil veces más rápidos que los actuales; la mejora de la eficacia terapéutica y la reducción de la toxicidad de los fármacos; la fabricación de sistemas de diagnóstico a través de moléculas complejas; la creación de sensores minúsculos de muy bajo precio capaces de controlar multitud de parámetros, que harán más precisos y seguros muchos procesos industriales; los electrodomésticos inteligentes; los suministros de energía; la fabricación de sistemas de extracción de contaminantes tanto del agua como del aire; las técnicas de construcción de edificios; la manufactura de tejidos... En definitiva, una revolución científica y tecnológica que tiene en la logística una de sus puntas de lanza.

I+D

Desde enero de 2000, los gobiernos han empleado más de 2.200 millones de euros para financiar diferentes investigaciones relacionadas con la nanotecnología. En 2002, sólo el Gobierno de los Estados Unidos aprobó dedicar 465 millones de euros. Japón ha invertido cifras similares, y la Unión Europea ha asignado 1.300 millones de euros para uno de sus programas marco entre los años 2002 y 2006. Según la National Science Foundation (NSF), el mercado total para productos y servicios de nanotecnología será, en el año 2015, de 1,1 billones de euros.

Las posibilidades, aún incipientes, de esta nueva tecnología han despertado también el interés privado, desde inversores de capital riesgo a grandes compañías, como IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi, Mitsubishi, NEC, Corning, Dow Chemical o 3M, que han lanzado ya iniciativas significativas en este campo. Solamente la multinacional Samsung ha tenido a un equipo de más de 500 personas dedicado a desarrollos basados en nanotecnología, lo que da una idea del interés que estas investigaciones despiertan. Con todo, los científicos llaman a la cautela.

Pedro Miguel Etxenike, premio Príncipe de Asturias 1998 de Investigación Científica y Técnica, asegura que “"potencialmente, la nanotecnología ofrece posibilidades inmensas, pero, en realidad, no sabemos dónde llegaremos. No soy partidario de un excesivo optimismo en lo referente a sus aplicaciones”". Aún así, añade, “"es cierto que de algunas disfrutaremos en menos de dos años, como las pantallas ultraplanas de teléfonos móviles o los sistemas de almacenamiento magnético o magnetoóptico"”.

La nanotecnología está en su infancia, pero un esbozo de su proyección futura y de lo que puede dar de sí se vislumbra dadas las enormes inversiones que se están dedicando a su investigación, al menos en el ámbito internacional. En cuanto a la posición española, el conocimiento sobre las microtecnologías se encuentra por debajo de la media, siendo muy inferior a los niveles que presentan países como Alemania (tercero tras EE UU y Japón), Francia o el Reino Unido.

La logística del mañana

Son dos las actividades logísticas en las que se espera que la nanotecnología tenga un mayor impacto: la gestión de mercancías y la identificación y pago en grandes superficies. En este sector, al igual que en el del transporte, tal y como asegura Cristina Arilla, coautora de uno de los estudios más completos sobre el futuro de la nanotecnología en España, "“ocurre a la inversa que en otros campos, ya que es la industria la que está potenciando los nuevos desarrollos. En esta línea, también se ha observado que en el tema de gestión y seguridad de mercancías las capacidades industriales son altas, aunque no tanto las científicas”".

En este estudio sobre “Microtecnologías y microsistemas” realizado por el Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (OPTI) con la participación de la ASCAMM (Asociación Catalana de Empresas de Moldes y Matrices), fundación privada sin ánimo de lucro cuyo objetivo es la mejora de la competitividad de las empresas por la vía de la innovación y el desarrollo tecnológico, no sólo se analiza el presente y futuro de las aplicaciones industriales de la nanotecnología, también se establece un calendario con los principales hitos.

El punto de partida, en palabras de los autores de dicho informe, está claro: "“La tecnología de los microsistemas ha abierto nuevos campos de I+D y novedosos mercados de aplicación, presentándose como una ciencia multidisciplinar y horizontal a todos los sectores industriales. En este sentido, en los próximos años, las microtecnologías se introducirán de manera directa (desarrollo de microsistemas) e indirecta (incorporación de microsistemas en productos) en todo el tejido industrial español”".

En cuanto a la repercusión en el sector de la logística y el transporte ya se están dando los primeros pasos y se esperan, según este estudio, importantes avances antes de 2010, como, por ejemplo, la identificación y el control de las mercancías y de las ventas en las grandes superficies y en los almacenes mediante la incorporación de microcircuitos y microsensores, o la miniaturización progresiva de las microetiquetas identificadoras (micro-tags). Sin embargo, será en el periodo 2011-2015, cuando, para los analistas, se introducirán los mayores cambios.

El control inteligente

Los sistemas de gestión y seguridad de mercancías del futuro estarán entonces marcados por la incorporación de microetiquetas inteligentes. El desarrollo de nuevos e innovadores sistemas de empaquetado permitirá la localización, el control y el seguimiento a lo largo de toda la cadena de suministro del producto y del envase y la permanente monitorización en tiempo real de su contenido.

La rotulación con microetiquetas basadas en sistemas de identificación por radiofrecuencia (RF) reemplazará en su totalidad a las etiquetas de códigos de barras y a las tarjetas magnéticas, posibilitando además la aparición de nuevas aplicaciones en todos los sectores industriales.

Se establecerán las etiquetas RF regrabables como un sistema de logística muy eficaz, utilizado de manera generalizada para identificar, controlar y pagar productos en grandes superficies. Se espera que a largo plazo se extrapole a otras áreas como la automatización de envíos de cualquier producto o la gestión de cartas, paquetes postales, equipajes, etc. evitando así problemas de entregas y extravíos, y reduciendo tiempos improductivos en la cadena de suministro.

Según el informe elaborado por OPTI y por la fundación ASCAMM, para que esto sea una realidad, "“en primer lugar, se requerirá de una reducción de los costes unitarios y la estandarización de las microetiquetas, de tal forma que todos los sistemas sean capaces de leer las mismas tarjetas”".

Tales microsistemas, además de optimizar la logística de las empresas fabricantes, garantizarán la calidad de los productos entregados, aportando una información completa y veraz referente a la cadena de suministro de interés también para el consumidor. Esta trazabilidad ofrecerá a los productores un factor de seguridad al permitirles retirar del mercado determinados lotes en caso de considerarlo necesario.

Los microsistemas supondrán novedosos avances en el sector agroalimentario, sobre todo en lo que a la seguridad se refiere, ya que los llamados envases inteligentes además de proporcionar la información de la cadena de suministro (fabricante, país de origen, manipulación, historial de la cadena de frío…), aportarán un alto valor añadido al envase mediante la monitorización de su contenido, informando sobre el estado actual en el momento de la compra y si se encuentra en buen estado para ser consumido.

En caso de deterioro del alimento, los envases inteligentes serán capaces de actuar mediante la absorción del oxígeno, aguas de condensación o dióxidos de carbono, o la incorporación de sustancias microbianas para mantener la calidad nutritiva de los alimentos envasados y prolongar el periodo de conservación de los mismos.

Almacenamiento y transferencia de datos

Otra actividad en la que la nanotecnología tiene un prometedor futuro es en la relacionada con el almacenamiento y la transferencia de datos, en donde la investigación se dirige actualmente al incremento de la velocidad de las comunicaciones y al aumento de las capacidades de acopio de información. La fibra óptica se impondrá de forma generalizada, a medio plazo, como medio de transferencia, gracias a la superación de las limitaciones actuales de la electrónica implicada en las comunicaciones.

La sustitución de los componentes electrónicos por optoelectrónicos, basados en sistemas microoptoelectromecánicos (MOEMS), ofrecerá una alta precisión en el alineamiento posicional y angular de la señal, tales como microespejos, interruptores ópticos, microfiltros, etc. Se generalizará la tecnología de multiplexación por longitud de onda (DWDM) que permitirá aumentar la cantidad de información emitida por una fibra óptica.

Esta tecnología está basada en un proceso mediante el cual diferentes emisores de luz, cada uno con una longitud de onda distinta, acoplan sus señales (multiplexación) que son enviadas en un único haz. En su destino se realiza la operación inversa, la desmultiplexación, y las diferentes señales son separadas para poder acoplarse a sus respectivos receptores.

En referencia a la capacidad de almacenamiento de la información, gracias a las mejoras aportadas por la evolución de las microtecnologías en los cabezales de lectura y escritura de datos en los discos, será posible aumentar el valor de densidad de bits del límite paramagnético. Dicho límite actualmente está condicionado por las temperaturas de funcionamiento normales, que repercuten negativamente en la capacidad de almacenaje de información para un mismo tamaño de disco.

Los analistas señalan, para avalar la solvencia de estas previsiones, cómo cada vez se consiguen valores de densidades de bits mayores, y esperan superar en los próximos años la densidad de 100 Gbits/pulgada2. En esta línea se inscribe el último logro de la multinacional IBM que ha desarrollado un sistema de almacenamiento de datos 20 veces superior al sistema magnético existente hoy día.

El avance de IBM

Los científicos de IBM, comandados por el Premio Nobel Gerd Binnig, han conseguido una densidad de almacenamiento de un billón de bits en una pulgada cuadrada (1 pulgada = 2,54 cm) mediante una innovación en el campo de la nanotecnología, lo que auguran dejará para la historia a los tradicionales instrumentos magnéticos o electrónicos para almacenar los datos. Esta asombrosa densidad de acopio, capaz de acumular 25 millones de páginas de texto impresas en una superficie similar a la de un sello de correos, ha sido alcanzada a través de un proyecto que recibe el nombre de Millipede (milpiés).

El resultado es una versión a escala nanométrica de las antiguas tarjetas perforadas. Además, utiliza menor energía que los sistemas tradicionales y es reescribible. Gerd Binnig ha señalado, tras la publicación de sus investigaciones, que “frente a las tecnologías actuales de almacenamiento, que pueden estar acercándose a sus límites, este descubrimiento nanomecánico es potencialmente válido para un incremento mil veces superior a la densidad de almacenamiento de datos actual”. Un paso concreto y tangible que muestra las posibilidades que la nanotecnología tiene.


 


Más pequeño todavía

Sectores con mayor impacto de aplicación de la nanotecnología:
 

  • Agroalimentario: será uno de los más beneficiados con su uso, gracias a la creación de nuevos sistemas que permitirán la trazabilidad, el control y una mayor información de los productos con el objetivo final de aumentar la calidad y seguridad alimentaria.
  • • Automotriz y transporte: estos dos sectores han adoptado en mayor medida la miniaturización de sistemas, tanto en el ámbito mecánico como en el electrónico. La importancia de las microtecnologías radica en que, gracias a su aplicación, se podrán reducir y solventar problemas como la demanda de una mayor seguridad, calidad, fiabilidad, economización de los sistemas, confort y respeto por el medio ambiente.
  • Biomedicina: el uso de las microtecnologías en esta área ya viene siendo habitual en aparatos como los marcapasos o los audífonos. Las tendencias vienen determinadas por su utilización en nuevas aplicaciones como los sistemas de diagnosis automáticos y de análisis, monitorización y control del paciente, administradores automáticos de medicamentos, órganos artificiales, cirugía mínimamente invasiva, etc.
  • Defensa y espacio: la aplicación de las microtecnologías en este ámbito tendrá especial relevancia para el aumento de la seguridad, fiabilidad y disminución de costes de mantenimiento de los aparatos, la adecuación para trabajar en condiciones extremas y la reducción del tamaño de los dispositivos.
  • Electrónica de consumo y domótica: las posibilidades que pueden aportar las microtecnologías en estos campos pueden ser muy diversas, destacando aquellas orientadas a la reducción de las dimensiones de los aparatos electrónicos, el aumento de sus funciones y la mejora de las existentes, la incorporación de sistemas de comunicación, la seguridad y el confort en el hogar, el desarrollo de aparatos y equipos para servicios asistenciales, la disminución de los costes, la gestión de los edificios…
  • Energético: las microtecnologías mejorarán la acumulación y transformación de la energía, así como el control y el rendimiento de las instalaciones y unidades energéticas.
  • Logístico: los microsistemas ayudarán al control y a la gestión logística de las mercancías tanto en el ámbito de las grandes superficies o de los centros de almacenamiento y distribución, como en lo referente al control de los transportes nacionales e internacionales.
  • Medioambiental: en este campo tendrán gran peso los sensores y los microactuadores que permitan determinar parámetros climáticos, detectar sustancias nocivas, así como mejorar el rendimiento de los sistemas que operen con energías renovables.
  • Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC): los sistemas miniaturizados, el aumento de las capacidades de almacenamiento, la velocidad de acceso a la información y la transferencia de datos juegan un significativo papel en el crecimiento del sector de las TIC, a la vez que en la electrónica de consumo. El estudio “Microtecnologías y microsistemas” aborda un área tecnológica muy incipiente con escasa consolidación industrial y científica, pero que se encuentra en continua expansión, siendo muy importante para el futuro desarrollo industrial de nuestro país.



Fuente: estudio "“Microtecnologías y Microsistemas"” realizado por el Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (OPTI) con la participación de la ASCAMM (Asociación Catalana de Empresas de Moldes y Matrices)".



La materialización de la nanotecnología

Hasta el año 2005:
Se incorporarán en todas las gamas de automóviles microsensores y microactuadores de bajo coste que permitirán aumentar la seguridad, el confort, la comunicación con el exterior y el rendimiento, así como disminuir el grado de contaminación (por ejemplo, control de la presión de los neumáticos, sistema antivuelco, catalizadores más precisos, diagnóstico de averías on-line...).
Se desarrollarán microrrelés que posibilitarán la reducción del tamaño de los equipos electrónicos.
Se fabricarán cabezales de impresión de tinta de mayor precisión (calidad fotográfica profesional) destinados al gran público.


Del año 2006 al 2010:
En el sector logístico: En grandes superficies y almacenes se podrá identificar, controlar y pagar los bienes de consumo mediante la incorporación en éstos de microcircuitos y microsensores. Los microsistemas para la detección de parámetros físicos del usuario a escala biométrica (iris, huellas dactilares, etc.) posibilitarán la identificación del usuario en tarjetas inteligentes, cajeros, documentos electrónicos… La lectura de las diferentes señales recibidas por sensores de aceleración y de rotación incorporados a los teléfonos móviles y a las agendas electrónicas dará la posición dentro de un edificio y de grandes superficies e indicará posibles caminos a un destino (LPS o Local Position System).
En el sector tecnológico:
Los productos serán híbridos, compuestos de microcomponentes fabricados con diferentes tecnologías, que serán microensamblados (módulos multichip). Se desarrollarán herramientas que harán posible la producción seriada con tolerancias por debajo de la micra. La nanoestructuración de materiales permitirá el diseño de nuevas capas sensoras para aplicaciones específicas. Se emplearán ampliamente los nanopolvos en la fabricación de micropiezas.
En el sector de las TIC:
Las cabezas de lectura y escritura operarán en sistemas de almacenamiento más allá del límite superparamagnético (60-100 Gbits/pulgada2). Los aparatos móviles de comunicación disminuirán de peso, volumen y concepción debido a la incorporación generalizada de nuevos microcomponentes (microcondensadores, microbobinas, microinterruptores, filtros miniaturizados...) de tecnología RF MEMS. Será generalizado el uso de componentes optoelectrónicos basados en tecnologías MOEMS (microespejos...) en las redes de fibra óptica para comunicaciones mediante multiplexación por longitud de onda.
En el sector agroalimentario: La seguridad e información alimentaria aumentará por la incorporación de etiquetas inteligentes y microsensores en los envases para la monitorización on-line del estado de los alimentos que contienen (cadena de frío, caducidad y contaminación bacteriana...).
En el sector energético: Las pilas de combustible de tamaño reducido (basadas en combustibles líquidos) serán una alternativa a las baterías químicas para aparatos móviles.
En el sector medioambiental: La incorporación de los microsistemas en los aparatos de control permitirá realizar exámenes más exhaustivos de los procesos industriales para disminuir la emisión de vertidos y conseguir una mayor reutilización de éstos.
En el sector automotriz y del transporte: La utilización conjunta de microsistemas para la visión inteligente, de sistemas anticolisión e inerciales y del GPS en el automóvil harán posible la conducción automática segura. Se eliminará el cableado para la transmisión de datos de los microsistemas distribuidos por el vehículo a su centralita electrónica mediante tecnología wireless (principalmente RF).
En el sector de la electrónica de consumo y la domótica: Los electrodomésticos incorporarán microsistemas para ser más eficientes y reducir el consumo de energía sin una penalización excesiva de costes.
En todos los sectores: La incorporación de sensores de intensidad de luz, temperatura, humedad, olor y otros, al igual que el desarrollo de nuevos materiales con propiedades específicas, proporcionará la creación de nuevos productos más inteligentes.

año 2011 al 2015 En el sector logístico: La miniaturización progresiva de las microetiquetas identificadoras (micro-tags), el aumento de sus prestaciones, la reducción del coste y la mejora en las antenas de emisión/detección facilitarán la gestión de flotas, mercancías, equipajes y viajeros.
En el sector energético: Se generalizará el uso de las pilas de combustible en el automóvil y en el hogar que incorporarán microsistemas para el control de los distintos parámetros que influyen en su funcionamiento.
Fuente: estudio “"Microtecnologías y microsistemas” del OPTI y de la ASCAMM".