SISTEMA DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

DALYA JULIETH GALVIS PARADA

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS

PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

BUCARAMANGA

2015

SISTEMA DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

AUTORA

DALYA JULIETH GALVIS PARADA

Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el tiacutetulo de

Ingeniera Mecatroacutenica

DIRECTOR

Dr Sc Ing ANTONIO FAUSTINO MUNtildeOZ MONER PhD

SEMILLERO DE INSTRUMENTACIOacuteN Y CONTROL

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS

PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

BUCARAMANGA

2015

iii

Nota de Aceptacioacuten

Director Antonio Faustino Muntildeoz M

Jurado Carlos Alberto Rey S

Bucaramanga Junio 11 de 2015

iv

Eacuteste logro va dedicado a mi persona

favorita mi heacuteroe mi ejemplo a

seguir mi papito Nada hubiera sido

posible sin ti

v

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las

personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso

asiacute como en el transcurso de mi vida

Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo

necesario para ir construyendo el camino que llevo

A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme

preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio

que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido

mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus

sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier

reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y

lograr que tuviera una excelente vida te amo

A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como

bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender

cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo

mejor de eacutel en cada instante

A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos

los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo

pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas

A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por

haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y

sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio

A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz

A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta

desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos

ustedes gracias y mil gracias

vi

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIOacuteN 1

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2

22 JUSTIFICACIOacuteN 3

3 OBJETIVOS 5

31 OBJETIVO GENERAL 5

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5

4 MARCO TEORICO 6

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y

CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16

461 Nanoestructuras baacutesicas 18

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24

471 EL TRANSISTOR CNT 24

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas

top-down 41

5 DISENtildeO METODOLOGICO 43

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO

EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44

521 Esfera de Bloch 44

522 Qubits 45

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

SISTEMA DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

AUTORA

DALYA JULIETH GALVIS PARADA

Trabajo de grado presentado como requisito para optar por el tiacutetulo de

Ingeniera Mecatroacutenica

DIRECTOR

Dr Sc Ing ANTONIO FAUSTINO MUNtildeOZ MONER PhD

SEMILLERO DE INSTRUMENTACIOacuteN Y CONTROL

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA

FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS

PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA

BUCARAMANGA

2015

iii

Nota de Aceptacioacuten

Director Antonio Faustino Muntildeoz M

Jurado Carlos Alberto Rey S

Bucaramanga Junio 11 de 2015

iv

Eacuteste logro va dedicado a mi persona

favorita mi heacuteroe mi ejemplo a

seguir mi papito Nada hubiera sido

posible sin ti

v

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las

personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso

asiacute como en el transcurso de mi vida

Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo

necesario para ir construyendo el camino que llevo

A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme

preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio

que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido

mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus

sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier

reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y

lograr que tuviera una excelente vida te amo

A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como

bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender

cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo

mejor de eacutel en cada instante

A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos

los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo

pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas

A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por

haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y

sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio

A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz

A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta

desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos

ustedes gracias y mil gracias

vi

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIOacuteN 1

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2

22 JUSTIFICACIOacuteN 3

3 OBJETIVOS 5

31 OBJETIVO GENERAL 5

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5

4 MARCO TEORICO 6

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y

CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16

461 Nanoestructuras baacutesicas 18

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24

471 EL TRANSISTOR CNT 24

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas

top-down 41

5 DISENtildeO METODOLOGICO 43

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO

EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44

521 Esfera de Bloch 44

522 Qubits 45

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

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Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

iii

Nota de Aceptacioacuten

Director Antonio Faustino Muntildeoz M

Jurado Carlos Alberto Rey S

Bucaramanga Junio 11 de 2015

iv

Eacuteste logro va dedicado a mi persona

favorita mi heacuteroe mi ejemplo a

seguir mi papito Nada hubiera sido

posible sin ti

v

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las

personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso

asiacute como en el transcurso de mi vida

Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo

necesario para ir construyendo el camino que llevo

A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme

preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio

que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido

mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus

sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier

reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y

lograr que tuviera una excelente vida te amo

A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como

bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender

cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo

mejor de eacutel en cada instante

A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos

los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo

pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas

A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por

haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y

sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio

A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz

A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta

desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos

ustedes gracias y mil gracias

vi

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIOacuteN 1

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2

22 JUSTIFICACIOacuteN 3

3 OBJETIVOS 5

31 OBJETIVO GENERAL 5

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5

4 MARCO TEORICO 6

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y

CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16

461 Nanoestructuras baacutesicas 18

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24

471 EL TRANSISTOR CNT 24

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas

top-down 41

5 DISENtildeO METODOLOGICO 43

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO

EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44

521 Esfera de Bloch 44

522 Qubits 45

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

8 BIBLIOGRAFIA

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

iv

Eacuteste logro va dedicado a mi persona

favorita mi heacuteroe mi ejemplo a

seguir mi papito Nada hubiera sido

posible sin ti

v

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las

personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso

asiacute como en el transcurso de mi vida

Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo

necesario para ir construyendo el camino que llevo

A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme

preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio

que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido

mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus

sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier

reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y

lograr que tuviera una excelente vida te amo

A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como

bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender

cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo

mejor de eacutel en cada instante

A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos

los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo

pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas

A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por

haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y

sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio

A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz

A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta

desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos

ustedes gracias y mil gracias

vi

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIOacuteN 1

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2

22 JUSTIFICACIOacuteN 3

3 OBJETIVOS 5

31 OBJETIVO GENERAL 5

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5

4 MARCO TEORICO 6

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y

CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16

461 Nanoestructuras baacutesicas 18

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24

471 EL TRANSISTOR CNT 24

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas

top-down 41

5 DISENtildeO METODOLOGICO 43

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO

EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44

521 Esfera de Bloch 44

522 Qubits 45

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

8 BIBLIOGRAFIA

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

v

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto de grado no habriacutea sido posible sin la presencia e influencia de todas las

personas a las que agradezco de corazoacuten el haber estado a mi lado durante eacuteste proceso

asiacute como en el transcurso de mi vida

Primordialmente agradecerle a Dios por haberme dado la fortaleza energiacutea y todo lo

necesario para ir construyendo el camino que llevo

A mi familia por su constante apoyo y amor por ser una base en mi vida por cuidarme

preocuparse por miacute por demostrarme que la familia es lo maacutes fuerte lindo y satisfactorio

que existe en eacuteste mundo pero especialmente a mi papito Freddy Galvis quien ha sido

mi motor mi guiacutea el que en momentos de desaliento me llena de energiacutea quien con sus

sabias palabras me hace afrontar cualquier obstaacuteculo y salir adelante frente a cualquier

reto que se me presente A eacutel quien hizo tantos sacrificios por querer lo mejor para miacute y

lograr que tuviera una excelente vida te amo

A mi novio Jairo Bermuacutedez agradecerle por apoyarme y estar tanto en los malos como

bueno momentos durante esta etapa universitaria Por su suma paciencia al entender

cuando le daba prioridad a mis proyectos y actividades acadeacutemicas y por brindarme lo

mejor de eacutel en cada instante

A Veroacutenica Galeano por brindarme una amistad sincera y porque me hizo maacutes llevaderos

los asuntos acadeacutemicos gracias a su compantildeiacutea y a los momentos agradables que me hizo

pasar Amistades como la suya son pocas y uacutenicas

A mis amigos y compantildeeros por ser un apoyo en eacutesta locura en la que nos metimos por

haber compartido todos los momentos de alegriacuteas desespero estreacutes enojos eacutexitos y

sonrisas tras noches enteras de pasar en el laboratorio

A mi director de proyecto de Grado Doctor Antonio Faustino Muntildeoz

A todos los que se me escapan en eacutestos momentos y saben que a mi memoria le gusta

desactivarse a raticos a todos ellos que hicieron de miacute una mejor persona a todos

ustedes gracias y mil gracias

vi

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIOacuteN 1

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2

22 JUSTIFICACIOacuteN 3

3 OBJETIVOS 5

31 OBJETIVO GENERAL 5

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5

4 MARCO TEORICO 6

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y

CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16

461 Nanoestructuras baacutesicas 18

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24

471 EL TRANSISTOR CNT 24

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas

top-down 41

5 DISENtildeO METODOLOGICO 43

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO

EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44

521 Esfera de Bloch 44

522 Qubits 45

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

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Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

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Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

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Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

8 BIBLIOGRAFIA

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

vi

TABLA DE CONTENIDO

1 INTRODUCCIOacuteN 1

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION 2

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA 2

22 JUSTIFICACIOacuteN 3

3 OBJETIVOS 5

31 OBJETIVO GENERAL 5

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS 5

4 MARCO TEORICO 6

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN 8

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN VENTAJAS DE LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIOacuteN 11

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING 12

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING 14

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA 15

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR NANOACTUADOR Y

CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL) 16

461 Nanoestructuras baacutesicas 18

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT 24

471 EL TRANSISTOR CNT 24

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA 28

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten) 30

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo 33

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR 35

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con nanopartiacuteculas 40

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea para las teacutecnicas

top-down 41

5 DISENtildeO METODOLOGICO 43

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO

EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 43

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN 44

521 Esfera de Bloch 44

522 Qubits 45

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

8 BIBLIOGRAFIA

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

vii

523 Estados de Bell 46

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 47

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y experimentos de

cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor 50

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 51

6 RESULTADOS 53

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A

ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA 53

611 Modelo del circuito 54

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-

CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE

COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA

DE DISENtildeO TOP-DOWN 59

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos 74

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA POR EL MEacuteTODO DE

FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON

CAPACIDAD GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN 76

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO 91

641 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL NANOSISTEMA 79

642 Dualidad onda partiacutecula 79

643 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES 84

65 SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-NANOACTUADOR)

BASADOS EN LOacuteGICA FUZZY iexclERROR MARCADOR NO DEFINIDO

7 CONCLUSIONES 97

8 BIBLIOGRAFIA 98

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

8 BIBLIOGRAFIA

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identificacioacuten y control de bioprocesos por clonacioacuten artificial IEEE Transactions on

Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

viii

LISTA DE TABLAS

Paacuteg

TABLA 4-1 COMPARACIOacuteN ENTRE TRANSISTORES MOSFET Y DISPOSITIVOS NANOELECTROacuteNICOS 16

TABLA 4-2 PROPIEDADES DE LOS NANOTUBOS 21

TABLA 4-3 PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO 22

TABLA 5-1 ESTADOS DE BELL QUE REPRESENTAN EL ENTRELAZAMIENTO DE DOS QUBITS 47

TABLA 6-1 ATENUACIOacuteN DE LA SENtildeAL EN VARIOS OBJETOS [33] 74

TABLA 6-2 DISTANCIA VS POTENCIA 75

TABLA 6-3 VALOR DE VERDAD NAND [8] 85

TABLA 6-4 TABLA DE VERDAD NOR [8] 86

TABLA 6-5 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA MUTABLE NAND ndash NOR [8] 87

TABLA 6-6 CAMBIO ARMOacuteNICO BINARIO [8] 89

TABLA 6-7 SALIDAS DE LOS OPERADORES MUTABLES CON SUS MUTACIONES RESPECTIVAS [8] 89

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

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Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

ix

LISTA DE FIGURAS

Paacuteg

FIGURA 4-1 ONDAS INTERRUMPIDAS 10

FIGURA 4-2 EJEMPLOS DE ONDAS ALTERNAS A DIFERENTES FRECUENCIAS 10

FIGURA 4-3 MODELO DE ONDA INTERRUMPIDA ALTERNA 11

FIGURA 4-4 DESCRIPCIOacuteN DEL PROCESO DE ELECTROHILADO 13

FIGURA 4-5 UBICACIOacuteN DE LA MEMBRANA CON NANOHILOS PARA LA ELECTROESTIMULACIOacuteN EN LOS MUacuteSCULOS 14

FIGURA 4-6 ESTRUCTURAS DE FULLERENE 18

FIGURA 4-7 NANOTUBOS DE CARBONO SWNT 20

FIGURA 4-8 NANOTUBO ENROLLADO 23

FIGURA 4-9 PUNTOS CUAacuteNTICOS 23

FIGURA 4-10 REPRESENTACIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE UN SB-CNTFET 26

FIGURA 4-11 ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL MOSFET - CNT 26

FIGURA 4-12 COMPUERTAS LOacuteGICAS BINARIAS BASADAS EN TRANSISTORES CNT 28

FIGURA 4-13 EL TRANSISTOR MOSFET 30

FIGURA 4-14 EL MODELO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE A UNA ISLA METAacuteLICA DEacuteBILMENTE ACOPLADO A DOS

ELECTRODOS METAacuteLICOS EN EL CUAL ES APLICADO UN VOLTAJE 31

FIGURA 4-15 (A) EL REacuteGIMEN DE BLOQUEO DE COULUMB Y (B) SUPERACIOacuteN DEL BLOQUEO DE COULUMB

APLICANDO UN VOLTAJE SUFICIENTEMENTE ALTO 31

FIGURA 4-16 TIPOS DE FUNCIONAMIENTO 34

FIGURA 4-17 HARDWARE EVOLUTIVO 36

FIGURA 4-18 CURVAS DE SATURACIOacuteN PARA EL 2N2222 [8] 38

FIGURA 4-19 RECTA DE CARGA PARA EL TRANSISTOR EN SATURACIOacuteN [8] 39

FIGURA 4-20 RECTAS DE RETARDO SEGUacuteN LA IC [8] 40

FIGURA 4-21 PROPAGACIOacuteN DE LAS ONDAS P Y S [21] 41

FIGURA 4-22 TEacuteCNICAS DE FABRICACIOacuteN 42

FIGURA 5-1DIMENSIONES DEL MODELO 43

FIGURA 5-2 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR MEDIO DE LA ESFERA DE BLOCH [17] 45

FIGURA 5-3 REPRESENTACIOacuteN DE UN QUBIT POR DOS NIVELES ELECTROacuteNICOS EN UN AacuteTOMO 46

FIGURA 5-4 METODOLOGIacuteA DE CLONACIOacuteN PROPUESTA 48

FIGURA 5-5 EL MECANISMO ELITISTA 49

FIGURA 5-6 CLUSTERIZACION 50

FIGURA 5-7 SENtildeAL ORIGINAL DEL NANOSENSOR 50

FIGURA 6-1 NANOHILOS CRUZADOS CON CONEXIONES RANDOacuteMICAS 54

FIGURA 6-2 UN DISPOSITIVO AND ALEATORIO PARA PAQUETES CON UN ANCHO DE 3 55

FIGURA 6-3 AGRUPACIOacuteN DE PLEXORES CON N=4 Y S=34 [26] 56

FIGURA 6-4 UN EJEMPLO DE LA FORMULACIOacuteN DE UN DISENtildeO DE CIRCUITO [26] 58

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

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Systems Man and Cybernetic V 19 No 2 58-76 1998

x

FIGURA 6-5 UN CIRCUITO SIMPLE [26] 58

FIGURA 6-6 EJEMPLO DE CIRCUITO BASADO EN DATOS CUAacuteNTICOS 59

FIGURA 6-7 EJEMPLO DE CIRCUITO DE ELIMINACIOacuteN DE INFORMACIOacuteN QUE GENERA INCERTIDUMBRE 59

FIGURA 6-8 EJEMPLO DE CONCEPTO FUNCIONAL DE FREGE 60

FIGURA 6-9 DIAGRAMA PARA LA INFORMACIOacuteN DE LOS CIRCUITOS 61

FIGURA 6-10 TIPOS DE QUBITS DE ACUERDO AL TIPO DE INFORMACIOacuteN 63

FIGURA 6-11 REPRESENTACIOacuteN GEOMEacuteTRICA DE UN QUBIT 63

FIGURA 6-12 MOVIMIENTO DEL SPIN DE UN ELECTROacuteN [13] 64

FIGURA 6-13 COMPUERTAS CUAacuteNTICAS 65

FIGURA 6-14 OBSERVACIOacuteN DE LOS PROCESOS F1 Y F2 66

FIGURA 6-15 REGLAS DE POSIBILIDADES DE DOS PROCESOS DE OBSERVACIOacuteN 66

FIGURA 6-16 EJEMPLO DE INCLUSIOacuteN Y EXCLUSIOacuteN DE POSIBILIDADES 68

FIGURA 6-17 PROPIEDADES DE UN MATERIAL DE ACUERDO A SU ESCALA [3] 69

FIGURA 6-18 TAMANtildeO DEL MATERIAL [25] 69

FIGURA 6-19 ESCALA HACIA ABAJO [28] 70

FIGURA 6-20 NANOMATERIALES 70

FIGURA 6-21 BARRA NANOMAGNEacuteTICA DE 200NM X 40NM 25NM DE GRUESO CON UN BIT ALMACENADO POR

ELEMENTO ESTO CORRESPONDERIacuteA A UNA DENSIDAD DE ALMACENAMIENTO DE 27 GBIR POR PULGADA

CUADRADA [31] 72

FIGURA 6-22 FACTOR N PARA DISTINTOS ENTORNOS [33] 74

FIGURA 6-23 CIRCUITO LOacuteGICO GENERAL 76

FIGURA 6-24 ESTADOS CUAacuteNTICOS [17] 81

FIGURA 6-25 DESCRIPCIOacuteN ESQUEMAacuteTICA DE LA ESTRUCTURA DEL CNT 82

FIGURA 6-26 CIRCUITO OPERADOR EVOLUTIVO NAND Y NOR [8] 85

FIGURA 6-27 CIRCUITO OPERADOR LOacuteGICO NOR [8] 86

FIGURA 6-28 SIacuteMBOLO OPERADOR LOacuteGICO MUTABLE NAND NOR [8] 87

FIGURA 6-29 CIRCUITO DE ACOPLE DE NIVEL LOacuteGICO [8] 88

FIGURA 6-30 CIRCUITO CEacuteLULA MADRE ELECTROacuteNICA [8] 90

xi

LISTA DE ANEXOS

Paacuteg

ANEXO 1 NANOTECNOLOGIacuteA BIOSEGURIDAD Y BIOEacuteTICA 109

xii

RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigacioacuten y el desarrollo de una nueva metodologiacutea el

desarrollo de modelos nanotecnoloacutegicos de acuerdo a una metodologiacutea de disentildeo

implementacioacuten de recubrimientos y mantenimiento para la captura transformacioacuten

almacenamiento y extraccioacuten de datos de un electroestimulador con

nanoinstrumentacioacuten fabricada por electrohilado Eacuteste proyecto de investigacioacuten incluye

un electroestimulador inteligente que utiliza electrodos y aplica una metodologiacutea basada

en la clonacioacuten artificial de nanosensores y nanocontroladores automaacuteticos extendida a

equipos biomeacutedicos con transmisioacuten inalaacutembrica por membrana de peliacutecula delgada

asociadas a las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten

PALABRAS CLAVE Algoritmos de simulacioacuten clonacioacuten de sensores y controladores

corrientes de electroestimulacioacuten disentildeo electrohilado impulsos eleacutectricos medicioacuten a

nanoescala simulacioacuten teacutecnica Top-Down teoriacutea cuaacutentica

1

1 INTRODUCCIOacuteN

La nanotecnologiacutea se ha establecido como prioridad en el aacuterea de la investigacioacuten de

muchos paiacuteses debido al gran auge de fabricacioacuten de estructuras y dispositivos a nivel

molecular con el fin de sanar tratar o recuperar partes del cuerpo del ser humano a partir

de investigaciones

El meacutetodo de electrospinning permite mediante la electroestaacutetica la formacioacuten de fibras

en la escala de los nanoacutemetros con un fluido cargado con un campo eleacutectrico Eacutesta

cantidad de fibras obtenidas en el colector van a una membrana a escala nanomeacutetrica

para ser utilizada actualmente en muacutesculos con fines terapeacuteuticos mediante la

electroestimulacioacuten

Brasileiro et Al definen la electroestimulacioacuten como la accioacuten de estiacutemulos eleacutectricos

terapeacuteuticos aplicados sobre el tejido muscular a traveacutes del sistema nervioso perifeacuterico a

condicioacuten de su integridad Este impulso eleacutectrico produce potenciales de accioacuten sobre las

ceacutelulas excitables como lo hace el cerebro Esto es la accioacuten emitida por el cerebro se

propaga a gran velocidad hasta alcanzar la terminacioacuten axoacutenica donde la liberacioacuten del

neurotransmisor acetilcolina genera cambios en el interior de la ceacutelula resultando en la

contraccioacuten muscular El uso de la electroestimulacioacuten es muy extendido en el campo de

la rehabilitacioacuten y del acondicionamiento fiacutesico tanto deportivo como esteacutetico [25]

Para el presente documento se desea disentildear una membrana basada en nanotecnologiacutea

con la ayuda del conocimiento de las ceacutelulas madres bioloacutegicas que orientan la

implementacioacuten de una ceacutelula madre electroacutenica basada en las compuertas loacutegicas para

generar los circuitos que permitiraacuten el funcionamiento de la membrana mencionada

anteriormente a partir de los procesos de clonacioacuten de sensores y del hardware evolutivo

las ecuaciones que regiraacuten el comportamiento de los sistemas nanotecnoloacutegicos a trabajar

estaraacuten basadas en la teoriacutea cuaacutentica y se realizaraacute la simulacioacuten del sistema

nanotecnoloacutegico basado en la loacutegica fuzzy

2

2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACION

21 DEFINICIOacuteN DEL PROBLEMA

La electroestimulacioacuten muscular es una rama fisioterapeacuteutica en la cual se hace pasar

electricidad por el cuerpo humano La electricidad provoca el fenoacutemeno natural de la

excitacioacuten del nervio a lo que las fibras musculares responden con una unidad de trabajo

una sacudida que sumada a otras a una cierta frecuencia provocaraacute una contraccioacuten La

electroestimulacioacuten muscular es pues el medio de imponer a las fibras musculares un

trabajo y eacutestas progresan gracias al trabajo que realizan

Actualmente en gran parte del mundo se estaacute presentando la moda de la utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten tanto para fines terapeacuteuticos como para el deporte y hasta la esteacutetica

Sin embargo no sobra decir que eacutesta teacutecnica tiene tanto ventajas como desventajas

contraindicaciones que llegan a resultar problemaacuteticas para los pacientes o personas que

la usen como en el caso de los electrodos o de la acupuntura que son los medios invasivos

en la piel que se utilizan actualmente para practicar eacutesta teacutecnica

Las personas que tienen prohibido utilizar un electroestimulador son todas aquellas que

tienen marcapasos sufren de epilepsia tienen la piel lesionada por cualquier tipo de

herida poseen tumores o metaacutestasis tienen varices muy pronunciadas tienen trombosis

poseen procesos hemorraacutegicos tienen fiebre alteraciones de la sensibilidad enfermedad

cardiaca o arritmia a las embarazadas tampoco se puede usar en el trayecto de la arteria

caroacutetida ni usar si tiene hernia en abdomen o regioacuten inguinal

Ademaacutes el uso de electroestimuladores musculares tiene efectos secundarios diversos en

personar con tendencias a ciertas patologiacuteas como la mala circulacioacuten en miembros

inferiores por lo que no es recomendable esta forma de entrenamiento alternativo El uso

de electrodos de electroestimulacioacuten pueden ser causa de arantildeitas en las pernas

Existen en el mercado variados equipos de electroestimulacioacuten que aplican generalmente

teacutecnicas invasivas por electrodos yo agujas ademaacutes presentan desajustes que obligan a

calibraciones frecuentes por desviaciones de tiempos de pulso y reposo en el momento

de controlar las frecuencias lo que impide una correcta utilizacioacuten de la

electroestimulacioacuten y podriacutea en algunos casos causar lesiones asimismo la mayoriacutea de los

3

equipos existentes por utilizar medios invasivos para la transmisioacuten de los impulsos

provocan al entrar en contacto con la piel irritaciones o quemaduras estas pueden ser

quiacutemicas o por calor generado las cuales pueden ser superficiales y en algunos casos

alcanza la dermis

El presente proyecto sistema de electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

electrohilado pretende resolver y responder varias preguntas relacionadas con el

problema planteado iquestCoacutemo desarrollar el disentildeo de un sistema de electroestimulacioacuten

que no utilice medios invasivos para la electroterapia iquestQueacute medios disponibles con la

aplicacioacuten de nanomateriales permitiriacutea generar los impulsos eleacutectricos de

electroestimulacioacuten con utilizacioacuten de membrana iquestCuaacuteles seriacutean los procedimientos del

meacutetodo de fabricacioacuten por electrospinning de los nanohilos y su insercioacuten en la membrana

generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten iquestQueacute modelos de sistemas

nanotecnoloacutegicos nanosensor-controlador-nanoactuador permitiriacutea regular el reacutegimen de

terapia de acuerdo a las especificidades de esta teacutecnica de tratamiento de discapacidades

motoras

22 JUSTIFICACIOacuteN

El acelerado desarrollo de los sistemas inteligentes la tecnologiacutea dedicada a la medicina a

lo largo de los uacuteltimos antildeos ha impulsado el desarrollo de aplicaciones con alta interaccioacuten

con el mundo externo que funciona en diferentes ambientes y con autonomiacutea en la

realizacioacuten de sus acciones Los sistemas de electroestimulacioacuten abarcan ramas desde la

terapia el deporte y la esteacutetica donde en la primera rama se desea impulsar maacutes

investigaciones proyectos tecnologiacuteas y maacutes que ayuden a los pacientes a recuperar

tratar y demaacutes los muacutesculos que se encuentran lastimados limitados o que necesiten

terapia para su pronta recuperacioacuten

Los paradigmas de desarrollo de tecnologiacuteas que aplican la geneacutetica y la clonacioacuten artificial

en ingenieriacutea surgen como una alternativa para la construccioacuten de medios y sistemas de

alta precisioacuten que permitan dar cumplimiento a este tipo de exigencias combinando

tecnologiacuteas existentes como es la inteligencia artificial con el electrohilado y el disentildeo de

circuitos loacutegicos mutables

La justificacioacuten de la necesidad de la investigacioacuten tiene como antecedentes que en la

investigaciones de la UNAB en aacuterea de Bioequipos se han ejecutado varios proyectos

como las proacutetesis de mano y pierna un electroestimulador por acupuntura el

exoesqueleto mecatroacutenico entre otros la mayoriacutea han sido proyectos aprobados y

4

cofinanciados por Colciencias el presente proyecto se justifica porque estaacute orientado a

continuar las investigaciones en bioequipos y nanotecnologiacutea como parte de la

prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenieriacuteas Fisicomecaacutenicas en

sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingenieriacutea Biomeacutedica el Proyecto

FOSUNAB Proyectos del Doctorado en Ingenieriacutea Red Mutis de la Maestriacutea en Ingenieriacutea

y en los Programas de Ingenieriacutea Mecatroacutenica e Ingenieriacutea de Sistemas los resultados

contribuiraacuten con nuevos conocimientos para la electiva de profundizacioacuten en Aplicacioacuten

de Sistemas nanotecnoloacutegicos en Ingenieriacutea para las investigadores del Semillero de

Instrumentacioacuten y control y de la Especializacioacuten en Automatizacioacuten Industrial y del actual

pregrado de Ingenieriacutea Mecatroacutenica

Ademaacutes la nanotecnologiacutea se ocupa de adquirir desarrollar implementar evaluar y

controlar los materiales o componentes que trabajen a escala nanomeacutetrica con el fin

fundamental de generar progreso y valor permanente para la organizacioacuten que lo

produce usa o comercializa

Para los proyectos enfocados en nanotecnologiacutea se puede tomar decisiones teacutecnicas que

impliquen desarrollar transferir controlar o aplicar tecnologiacutea de materiales o productos

nanomeacutetricos Tambieacuten se pueden disentildear e implementar modelos productivos a partir

del uso de la nanotecnologiacutea Asimismo diagnosticar y proponer ideas de renovacioacuten o

actualizacioacuten tecnoloacutegica a escala nanomeacutetrica y que impliquen consideraciones eacuteticas o

econoacutemicas Igualmente formular ejecutar y participar en procesos de transferencia

tecnoloacutegica con estrategias de innovacioacuten y desarrollo

5

3 OBJETIVOS

31 OBJETIVO GENERAL

Disentildear sistemas nanotecnoloacutegicos de electroestimulacioacuten basados en modelos cuaacutenticos

y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning)

32 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS

1 Disentildear los circuitos de medicioacuten control y accionamiento (mecanismo

ejecutivo) a escala nanotecnoloacutegica

2 Generar los algoritmos de simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos

(nanosensor-controlador-nanoactuador) basados en la teoriacutea cuaacutentica las

relaciones de comportamiento de espinelectrones y los criterios de semejanza

por metodologiacutea de disentildeo Top-down

3 Realizar los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la

membrana con capacidad generadora de electroimpulsos para la

electroestimulacioacuten

4 Simular en Matlab el sistema nanotecnoloacutegico de electroestimulacioacuten basados

en modelos cuaacutenticos y de semejanza por tecnologiacutea de fabricacioacuten de

Electrohilado para verificar las condiciones de disentildeo

6

4 MARCO TEORICO

La electroestimulacioacuten es la teacutecnica que utiliza corriente eleacutectrica controlada en tiempo

forma y modo de aplicacioacuten para provocar contracciones musculares con el fin de

prevenir entrenar o tratar muacutesculos buscando un propoacutesito terapeacuteutico de

recuperacioacuten analgeacutesico yo gimnasia pasiva

Dicha teacutecnica se realiza por medio de un dispositivo llamado electroestimulador el cual

produce una serie de impulsos eleacutectricos con suficiente energiacutea para generar una

excitacioacuten en las ceacutelulas musculares yo nerviosas y de esta forma modificar su estado

habitual

En la actualidad existen empresas internacionales que han basado sus investigaciones en

la rama de la electroestimulacioacuten permitiendo asiacute una variedad de dispositivos para

prevenir entrenar o tratar los muacutesculos buscando una finalidad terapeacuteutica o una mejora

de su rendimiento Indudablemente en el comercio se consiguen electroestimuladores

creados por empresas norteamericanas Europeas Asiaacuteticas uno de esto casos CEFAR

compantildeiacutea sueca dedicada a la electroterapia desde hace maacutes de 30 antildeos Como es loacutegico

esta empresa posee estudios suficientes como la importancia del tipo de onda de su

duracioacuten de su amplitud y de su frecuencia esencial a la hora de obtener resultados

satisfactorios con la electroestimulacioacuten y garantizar la seguridad en su utilizacioacuten

La electroestimulacioacuten es una teacutecnica cuya funcioacuten es causar una contraccioacuten muscular

por medio de una corriente eleacutectrica la finalidad de esta estimulacioacuten es acoplar los

muacutesculos ya sea como meacutetodo para la prevencioacuten ejercitacioacuten o como una finalidad

terapeacuteutica o mejora en el rendimiento de los mismos

Esta teacutecnica ha sido utilizada con frecuencia y desde hace mucho tiempo ademaacutes de ser

maacutes manejada en el campo donde los pacientes se encuentran en rehabilitacioacuten debido a

que aporta significativos beneficios en las aacutereas de la prevencioacuten y el tratamiento de la

atrofia muscular la potenciacioacuten las contracturas el aumento de la fuerza para la

estabilidad articular la profilaxis de la trombosis y la estimulacioacuten de los muacutesculos

paralizados entre otros y tambieacuten para el tratamiento del dolor

Eacuteste proyecto contiene la teoriacutea metodologiacutea y disentildeo de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) y

surge a partir de una propuesta interna de investigacioacuten aprobada para el periodo 2014-

7

2015 titulada Disentildeo Modelacioacuten y Simulacioacuten de sistemas nanotecnoloacutegicos de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de fabricacioacuten de Electrohilado (Electrospinning) del

Grupo de Control y Mecatroacutenica GICYM cuyo investigador principal es el Prof ANTONIO

FAUSTINO MUNtildeOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el tiacutetulo de SISTEMA

DE ELECTROESTIMULACIOacuteN POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROHILADO

registrado en el semillero de Instrumentacioacuten y Control y aprobado como proyecto de

grado que incluye otros resultados cuyos resultados y alcances se constituyeron en

objetivos del proyecto mencionado

Entre los proyectos relacionados con electrospinning y la electroestimulacioacuten se

encuentra el titulado Prototipo automatizado para la implementacioacuten de la teacutecnica

ldquoelectrospinningrdquo en aplicaciones farmacoloacutegicas1 En este proyecto se disentildeoacute y construyoacute

un prototipo electromecaacutenico automatizado que controla las variables fiacutesicas que

intervienen en la produccioacuten de fibras de forma homogeacutenea y estaacutendar como resultado

final del proyecto ldquoDISENtildeO Y CONSTRUCCIOacuteN DE UN PROTOTIPO ELECTRO-MECAacuteNICO

PARA LA IMPLEMENTACIOacuteN DE LA TEacuteCNICA ldquoELECTROSPINNINGrdquo EN APLICACIONES

FARMACOLOacuteGICASrdquo financiado por Colciencias y la Fundacioacuten Cardiovascular de Colombia

Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripcioacuten del proceso que

realizan durante el proceso de electrospinning usando una fuente de alto voltaje el

sistema de inyeccioacuten los inyectores los posicionadores los sensores y la banda

transportadora Tambieacuten se tendraacute en cuenta de este proyecto la informacioacuten que se

tiene respecto al marco teoacuterico del electrohilado

Otro de los proyectos es el del Electroestimulador inteligente y sistema de clonacioacuten

artificial de sensores de movimiento y control adaptativo-predictivo por acupuntura con

agujas-electrodos y transmisioacuten inalaacutembrica evaluado en un disentildeo de prototipo

construido 2 La electroestimulacioacuten es desde hace mucho tiempo una herramienta de

terapia ocupacional la mayor parte de las patologiacuteas necesitan un tratamiento sensitivo

y un tratamiento motor (fortalecimiento yo estiramiento de los muacutesculos) Entre las

investigaciones que se realizan en el Laboratorio de Computo Especializado- LCE de la

UNAB por el Grupo de Control y Mecatroacutenica reconocido por Colciencias en este

proyecto de investigacioacuten sobre un electroestimulador inteligente que utiliza como

electrodos las agujas de acupuntura y aplica una metodologiacutea basada en la clonacioacuten

artificial de sensores y controladores automaacuteticos extendida a equipos biomeacutedicos con

transmisioacuten inalaacutembrica de las sentildeales eleacutectricas de electroestimulacioacuten De este proyecto

1 Monografiacutea de Jorge Humberto Rodriacuteguez Pacheco para optar al tiacutetulo de Especialista en Automatizacioacuten Industrial en la UNAB del

2010 2 Proyecto de Ing Esp(c) Edgar Mauricio Jaimes Moreno Joven Investigador COLCIENCIAS de la UNAB

8

se extraeraacute lo que representa la clonacioacuten artificial en ingenieriacutea ademaacutes el proceso de

clusterizacioacuten la loacutegica fuzzy que utilizaron y el hardware evolutivo que crearon

41 CORRIENTES DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

Son aquellas corrientes eleacutectricas que son capaces de generar actividad muscular dicho

en otros teacuterminos es una corriente que incita a los muacutesculos a contraerse

Las corrientes terapeacuteuticas son clasificadas seguacuten su frecuencia en

- Corrientes de baja frecuencia estas frecuencias no superan los 800 Hz

- Las Corrientes de frecuencia media que oscilan entre 800 y 5000 Hz Esta

frecuencia es utilizada por las ondas de interferencia y las corrientes rusas3

- Corrientes de alta frecuencia cuya frecuencia supera los 5000 Hz Dejan de

poseer efecto excitomotriz en forma gradual cuando se acercan a 10000

Hz

Parte de las corrientes de baja frecuencia son las corrientes dinaacutemicas que se caracterizan

por ser corrientes de electroestimulacioacuten muscular Las corrientes eleacutectricas actuacutean

directamente sobre la membrana celular del muacutesculo despolarizaacutendola activando de esta

manera el mecanismo contraacutectil El efecto maacutes importante es la capacidad de producir

excitacioacuten neuromuscular Independientemente del tipo de corriente utilizada para poder

producir una contraccioacuten muscular debe cumplir ciertos requisitos4

- Intensidad la intensidad del estiacutemulo debe alcanzar el umbral de

despolarizacioacuten de la fibra nerviosa Un estiacutemulo mayor a este valor no haraacute

que la contraccioacuten de esa fibra sea maacutes vigorosa pero si aumentaraacute la fuerza

de contraccioacuten del muacutesculo estimulado por mayor reclutamiento de unidades

motoras

- Tiempo de duracioacuten del impulso el impulso de estimulacioacuten debe tener la

duracioacuten suficiente para despolarizar la membrana y debe tener un ritmo de

ascenso suficiente

3 El objetivo de estas corrientes es buscar la potenciacioacuten muscular reduciendo al maacuteximo las molestias al

paciente Tomado de la paacutegina web httpwebcachegoogleusercontentcomsearchq=cacheaFmaahUMrQcJwwwmedesteticacomardocs001049Diadinamicasdoc+ampcd=1amphl=esampct=clnkampgl=co 4 Tomado de la paacutegina web mencionada en la nota anterior

9

- Frecuencia los fenoacutemenos de excitacioacuten neuromuscular aumentan a medida

que aumenta la frecuencia de corriente empleada hasta un valor determinado

(+- 2500 Hz) a partir de donde la respuesta va disminuyendo

En la electroterapia se puede clasificar las corrientes seguacuten la metodologiacutea el efecto que

genera la frecuencia y la forma

- Seguacuten metodologiacutea Todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro

meacutetodos regulables en los dispositivos existentes eacutestos son

- Pulsos aislados

- En trenes de pulsos o raacutefagas

- Frecuencia Constante

- Modulaciones o cambios constantes y repetitivos

- Seguacuten los efectos generados Al aplicar electroterapia en cualquiera de sus

dimensiones se buscan cambios o efectos de tipo

- Bioquiacutemicos

- Estiacutemulo sensitivo en fibra nerviosa

- Estiacutemulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular

- Aporte energeacutetico (el organismo absorbe la energiacutea y la aprovecha en

cambios metaboacutelicos)

- Seguacuten las frecuencias

- Baja Frecuencia

- Media Frecuencia

- Baja Frecuencia

- Seguacuten las formas existen diferentes formas de onda las maacutes utilizadas en la

medicina son

- Galvaacutenica ldquoLa corriente galvaacutenica es una corriente continua de valor

constante en el tiempo uacutetilrdquo5 Se encuentra constituida por 3 intervalos

- Tiempo de establecimiento es el tiempo que tarda la corriente en

establecer su valor maacuteximo La corriente empieza a circular y su

valor va aumentando poco a poco

- Reacutegimen permanente en este intervalo de tiempo la corriente ha

alcanzado su valor maacuteximo y permanece constante

5 httpwwwdemoxcomarcorr_galvanicascorrientes_galvanicashtm

10

- Tiempo de caiacuteda es el tiempo que demora la corriente en alcanzar

su valor de 0V desde el momento en que se decidioacute terminar con la

aplicacioacuten

- Interrumpidas galvaacutenicas Son aquellas ondas que se encuentran

conformadas por pulsos positivos o negativos pero en mismo sentido

poseen polaridad Los pulsos pueden ser de diferentes formas y

frecuencias asiacute como agrupados en trenes impulsos aislados modulados o

frecuencia fija

Figura 4-1 Ondas Interrumpidas6

- Alternas Reciben el nombre de alternas porque su caracteriacutestica

fundamental se manifiesta en el constante cambio de polaridad en

consecuencia no poseen polaridad La forma maacutes caracteriacutestica es la

sinusoidal perfecta de mayor o menor frecuencia Existen otras corrientes

cuya frecuencia no es la tiacutepica sinusoidal denominadas bifaacutesicas

Figura 4-2 Ejemplos de ondas alternas a diferentes frecuencias7

6 Tomado de la paacutegina web httpwwwmonografiascomtrabajos88electro-estimulador-muscularelectro-estimulador-

muscularshtml

11

- Interrumpidas alternas En este grupo entran un gran conjunto de

corrientes no bien definidas y difiacuteciles de clasificar pero que normalmente

consisten en aplicar interrupciones en una alterna para formar pequentildeas

raacutefagas o paquetes denominados pulsos Es muy frecuente encontrar estos

pequentildeos paquetes de alterna en magnetoterapia alta frecuencia

Figura 4-3 Modelo de onda interrumpida alterna

42 BENEFICIOS DE LAS TERAPIAS DE ELECTROESTIMULACIOacuteN

VENTAJAS DE LA ELECTROESTIMULACIOacuteN Y EL ELECTROSPINNING

Y SU EVOLUCIOacuteN

Las terapias de electroestimulacioacuten traen consigo consecuencias beneacuteficas para el

paciente algunas de eacutestas se resumen en los siguientes iacutetems 8

- Incrementos de volumen muscular por la mayor intensidad que se aplica desde

el inicio del programa

- Mayor regeneracioacuten tisular de gran ayuda en el caso de artrosis artritis yo

osteoporosis

- Acelerar los procesos de recuperacioacuten en caso de lesiones yo despueacutes de

actividades fatigantes por la coacutemoda reduccioacuten del aacutecido laacutectico y la posterior

recuperacioacuten de los microtraumatismos intramusculares provocados por el

entrenamiento (deportivo y fiacutesico) voluntario yo por el inducido por la EEM

Las siguientes son algunas de las ventajas de la electroestimulacioacuten

- Acelera los logros (disminucioacuten del porcentaje de grasa aumento de tono

incremento del volumen muscular aumento de la fuerza etc)

7 Tomado de la paacutegina web wwwmonografiascomtrabajos15reparacion-pcreparacion-pcshtml

8 Tomado de la paacutegina web httpwwwentrenamientosorgentrenamiento-fisicoitem70-fitness-y-electroestimulacion

12

- Incrementa la motivacioacuten y rentabiliza el tiempo

- Hace posible un trabajo de fuerza sin involucrar las articulaciones que revertiraacute

en mantener su ldquocapital oacuteseo-muscularrdquo

El teacutermino electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestaacutetico Se hizo uso de

eacutel por primera vez en 1994 pero la idea cientiacutefica es original de los antildeos 30 La patente

por el electrospinning se registroacute en el 1934 por Formhals Se describiacutea un dispositivo

experimental para la produccioacuten de filamentos de poliacutemero empleando un campo

electrostaacutetico

A lo largo de los uacuteltimos 20 antildeos pero maacutes significativamente los uacuteltimos antildeos se han

dedicado maacutes esfuerzos al electrospinning Esta tendencia podriacutea atribuirse al intereacutes

actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso

Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de maacutes de cincuenta

poliacutemeros entre disoluciones y poliacutemeros fundidos Esta cifra muestra el potencial que

este proceso estaacute generando Aun asiacute la comprensioacuten de los fundamentos del proceso es

auacuten muy prematura y la literatura relativa a la fiacutesica del proceso de electrospinning es

limitada

43 DESCRIPCIOacuteN DE LA TEacuteCNICA DE ELECTROSPINNING

Un campo electrostaacutetico lo suficientemente fuerte es aplicado entre dos polos opuestos

conformados por una aguja o sistema de inyeccioacuten y una placa metaacutelica o colector (el cual

estaacute a potencial 0) donde se depositan las fibras nanomeacutetricas formando un tejido con

textura color y densidad caracteriacutesticas

La disolucioacuten del poliacutemero previamente preparada se carga en una jeringa de inyecciones

que mediante un tubo de plaacutestico inerte se conecta a una aguja Una bomba de infusioacuten

o perfusioacuten unida al eacutembolo de la jeringuilla genera una presioacuten y un flujo constante que a

traveacutes del tubo se trasmite a la disolucioacuten del poliacutemero en la aguja Por el efecto de la

polarizacioacuten y la carga originadas por el campo eleacutectrico la solucioacuten es arrojada en forma

de jet hacia una superficie conductora conectado con tierra (por lo general una pantalla

metaacutelica) a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja Durante la creacioacuten del jet

el solvente gradualmente se evapora y el producto obtenido se deposita en forma de

manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diaacutemetros entre 50 nm y 10 μm

13

En el flujo electro-hidrodinaacutemico del jet las cargas son inducidas en el fluido a traveacutes de la

distancia de separacioacuten de los electrodos (punta de aguja y colector metaacutelico)

rompieacutendose la tensioacuten superficial a traveacutes del campo eleacutectrico y descomponieacutendose en

una tangencial (t) y una normal (n) formando el cono de Taylor

A medida que el jet adquiere una aceleracioacuten significativa su diaacutemetro disminuye en

magnitud finalmente el jet se solidifica convirtieacutendose en una fibra de medidas

nanomeacutetricas y presentaacutendose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet

La corriente sobre el jet proporciona la informacioacuten sobre la densidad de la superficie de

carga que es un paraacutemetro importante en el momento de determinar la estabilidad del

jet

La gota liacutequida estaacute sujeta el extremo de la aguja por su tensioacuten superficial hasta que la

repulsioacuten mutua de las cargas en la superficie de la gota es maacutes fuerte y provoca una

fuerza en sentido contrario a la contraccioacuten de la gota La superficie de la gota sufre

progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un

cono inverso llamado cono de Taylor El proceso de elongacioacuten llega a un liacutemite en el que

la concentracioacuten de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensioacuten superficial y da

lugar a un haz en la punta del cono El haz recorre varias trayectorias inestables durante

las cuales se alarga reduce su diaacutemetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica)

Figura 4-4 Descripcioacuten del proceso de electrohilado9

9 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

14

Figura 4-5 Ubicacioacuten de la membrana con nanohilos para la electroestimulacioacuten en los muacutesculos10

44 PARAMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING

Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diaacutemetro

de las fibras Esta variable depende en su mayor parte del tamantildeo del haz y de la

concentracioacuten de poliacutemero que eacuteste contenga Seguacuten los fundamentos fiacutesicos publicados

sobre el electrospinning no hay un consenso total del proceso que el haz sufre en el

recorrido entre la punta y el colector Puede ser o no que el haz se divida en maacutes haces y

que estos resulten en diferentes diaacutemetros de fibras En el caso de que no haya esta

particioacuten la viscosidad se convierte en una de las variables maacutes determinantes para el

diaacutemetro de las fibras

Cuando los poliacutemeros se disuelven la viscosidad de la disolucioacuten es proporcional a la

concentracioacuten de poliacutemero Por tanto cuanta maacutes alta sea la concentracioacuten mayor seraacute el

diaacutemetro de las fibras resultantes El voltaje tambieacuten es un paraacutemetro respecto al cual el

diaacutemetro de las fibras es directamente proporcional debido a que generalmente hay maacutes

disolucioacuten en el haz

Las fibras producidas por electrospinning a menudo presentan defectos como son los

poros y las aglomeraciones La literatura indica que la concentracioacuten de poliacutemero afecta la

formacioacuten de aglomeraciones de tal manera que cuanto maacutes concentrada en poliacutemero sea

la disolucioacuten para electrospinning menos aglomeraciones presentaraacuten las fibras Algunas

10 Tomado de la paacutegina web httpwwwehuesreviberpolpdfENE13duquepdf

15

investigaciones han desarrollado ideas de los paraacutemetros de los cuales depende la

formacioacuten de aglomeraciones

Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja

tensioacuten superficial Otros relacionan la baja concentracioacuten superficial en la concentracioacuten

de poliacutemero Cabe destacar que la tensioacuten superficial variacutea en funcioacuten del disolvente y por

este motivo el electrospinning no siempre es oacuteptimo a tensiones superficiales bajas

45 DIFERENCIA ENTRE MICROELECTROacuteNICO Y NANOELECTROacuteNICA

Las dos ciencias la microelectroacutenica como la nanoelectroacutenica son ramas de la electroacutenica

dedicadas al disentildeo y construccioacuten de circuitos integrados para cualquier aplicacioacuten Estas

pueden ser muy complejas o muy sencillas muy precisas o simplemente repetitivas de

operacioacuten en ambientes inhoacutespitos o ambientes cotidianos etceacutetera Siempre habraacute un CI

(circuito integrado) que se pueda disentildear y fabricar para cualquier aplicacioacuten y por lo

tanto encontramos CIs muy simples de soacutelo unos cuantos transistores hasta CIs de

millones de componentes como en un microprocesador de computadora personal

La diferencia entre estas dos ciencias son las siguientes la microelectroacutenica trabaja en

escalas milimeacutetricas o hasta en cuentos de nanoacutemetros se basa en las propiedades fiacutesicas

tradicionales de los elementos a macroescala es decir estos elementos funcionan basados

en corriente voltaje u en general como estos chips se basan en transistores estos deben

regirse a las propiedades tradicionales de los TBJ o los MOSFET Ademaacutes se basa en el

silicio como principal elementos de desempentildeo de los circuitos integrados

La nanoelectroacutenica trabaja en escalas nanomeacutetricas es decir centenas hasta unidades de

nanoacutemetro las propiedades fiacutesicas corresponden al mundo atoacutemico y subatoacutemico rige la

mecaacutenica quaacutentica y toda la electroacutenica tradicional desaparece aquiacute ya no existen

conceptos de voltaje o corriente como se los conoce estos en cambio aparecen bajo el

uso de campos eleacutectricos y magneacuteticos asiacute como fuerzas atoacutemicas Otra diferencia radica

en el uso de carbono y sustancias bioloacutegicas para crear estos elementos en siacute lo uacutenico

que tienen en comuacuten con sus antepasados electroacutenicos son los nombres porque en cierto

sentido pueden funcionar muy similar a un conmutador onoff hecho con un FET pero en

realidad son oro tipo de elementos

A continuacioacuten se realiza una comparacioacuten entre transistores MOSFET y nanoelectroacutenicos

utilizados para la creacioacuten de circuitos integrados

16

Tabla 4-1 Comparacioacuten entre transistores MOSFET y dispositivos nanoelectroacutenicos

CARACTERIacuteSTICASELEMENTO TRANSISTOR MOSFET

TRANSISTOR BASADO EN NANOTUBOS DE CARBONO

TRANSISTOR DE ELECTROacuteN UacuteNICO

Temperatura 0 a 80degC Desde temperatura ambiente

Desde temperatura ambiente

Ancho de banda En microcircuitos hasta 3GHz

En el orden decenas de TeraHertz

En el orden decenas de TeraHertz

Forma de activacioacuten Mediante corriente y voltaje

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Mediante la manipulacioacuten de la mecaacutenica cuaacutentica

Tamantildeo 40 millones por chip

14 gigas por chip 14 gigas por chip

Fuente miacutenima de alimentacioacuten

15 Voltios 05 Voltios 05 Voltios

Se basan en partiacuteculas Silicio Carbono Carbono

46 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICION DEL NANOSENSOR

NANOACTUADOR Y CONTROL INTELIGENTE (SMART CONTROL)

Los nanomateriales son atractivos por sus propiedades especialmente todos los que estaacuten

basados en las estructuras del carbono aquiacute se presentan los nanotubos y otras

estructuras que son los elementos baacutesicos de la nanoelectroacutenica y de los cuales se espera

a futuro aprovechar y explorar sus sorprendentes propiedades

Existen tres aacutereas interdependientes en la nanotecnologiacutea

1 Nanotecnologiacutea Huacutemeda (wet) es la ciencia que estudia los sistemas bioloacutegicos

que existen en el agua Las nanoestructuras de intereacutes a este nivel son los

materiales geneacuteticos membranas enzimas y otros componentes celulares la

nanotecnologiacutea permite demostrar que existen organismos vivos cuyas

funciones son reguladas por la interaccioacuten de estructuras a nivel nanomeacutetrico

2 Nanotecnologiacutea Seca (Dry) es la ciencia que se encarga de la fabricacioacuten de las

estructuras de carbono silicio y otros materiales inorgaacutenicos Esta ciencia se

basa en la fiacutesica y quiacutemica y sus aplicaciones principalmente sobre metales y

17

semiconductores mediante la interaccioacuten de los electrones sobre estos tipos

de materiales inorgaacutenicas son una gran promesa como elementos

electroacutenicos magneacuteticos y oacutepticos Muchas industrias buscan lograr desarrollar

nanoelementos que trabajen tanto a nivel orgaacutenico como inorgaacutenico

3 Nanotecnologiacutea Computaciones es la ciencia que modela y simula complejas

estructuras a nivel nano La gran capacidad de caacutelculo predictivo y analiacutetico es

criacutetico para un buen trabajo en la nanotecnologiacutea

El presente epiacutegrafe se enfoca en la nanotecnologiacutea Seca y en estructuras de carbono Las

nanopartiacuteculas pueden ser usadas para desarrollar materiales con propiedades uacutenicas El

carbono elemental es el elemento maacutes simple que se utiliza en nanotecnologiacutea Los

investigadores Robert F Curl Harold W Kroto en 1985 descubren el fullerene una

moleacutecula formada por 60 aacutetomos de carbono en forma de baloacuten de fuacutetbol a la que han

denominado C60 buckyball

En el antildeo 1990 Richard Smalley postuloacute que una estructura fullerene tubular debe ser

posible esto se debe a que los dos hemisferios del C60 estaacuten conectados entre siacute

mediante un tubo este estaacute formado por unidades hexagonales

Cada fullerene por ejemplo C60 C70 y C80 tienen las caracteriacutesticas del carbono puro

cada aacutetomo se enlaza con otros tres como el grafito la diferencia con el grafito es que las

moleacuteculas fullerene tienen 12 caras pentagonales con algunas caras hexagonales por

ejemplo buckyball tiene 20 caras hexagonales Un nanotubo es una estructura fullerene

con un nuacutemero atoacutemico elevado por ejemplo C100 C540 se puede afirmar que son

macromoleculares Un nanotubo de carbono puro forman cadenas de enlaces

hexagonales para formar cilindros coacutencavos estos materiales constituyen un nuevo tipo

de poliacutemeros en base a carbono puro En la siguiente figura se observa algunos nanotubos

basados en carbono que han sido producto de la investigacioacuten de estructuras fullerene

(carbono utilizado en nanotecnologiacutea)

18

Figura 4-6 Estructuras de Fullerene

Las estructuras a nanoescala son investigadas experimentalmente utilizando microscopios

electroacuten (SEM ndash scanning electroacuten microscopy ndash y SMT scanning tuneling microscopy) y

microscopios de fuerza atoacutemica (AFM) Estas herramientas se analizan maacutes adelante

461 Nanoestructuras baacutesicas

A continuacioacuten se describen las nanoestructuras baacutesicas entre las cuales se encuentran

los nanotubos de carbono y los puntos cuaacutenticos

4611 NANOTUBOS DE CARBONO

Estas estructuras tambieacuten son conocidas como SWCNT (single Wall carbono nanotubes) o

SWNT (single Wall nanotubes) a partir del antildeo 1990 se han realizado investigaciones en

torno a estos elementos

19

Los nanotubos de carbono consisten en capas de grafito muy parecidos a cilindros estas

estructuras ciliacutendricas tienen un diaacutemetro en torno a 1nm Ver la siguiente figura La

formulacioacuten molecular de un nanotubo uacutenico de carbono requiere que cada aacutetomo debe

ser colocado en el lugar correcto el mismo que tendraacute propiedades uacutenicas Un SWNT

basado en carbono puede ser de tipo metaacutelico o semiconductor esto ofrece posibilidades

interesantes para crear elementos circuitos y computadoras nanoelectroacutenicas

Los nanotubos de carbono son macromoleacuteculas de carbono Diferentes tipos de

nanotubos son definidos por el diaacutemetro longitud y estructuras mellizas en forma

adicional un nanotubo ciliacutendrico SWNT tambieacuten tiene muacuteltiples nanotubos (NWNT) con

cilindros dentro de los otros cilindros La longitud del nanotubo puede ser millones de

veces mayor que su diaacutemetro (la longitud de un nanotubo es de 1 a 2nm) En recientes

investigaciones para agrandar los nanotubos han llegado a longitudes de media pulgada

Los enlaces de carbono soportan a la perfeccioacuten las moleacuteculas de los nanotubos las que se

transforman en aloacutetropos con propiedades conductivas como conductividad termal

dureza robustez resistencia Los nuevos tipos de materiales de carbono estaacuten formados

de cadenas de carbono cerradas organizadas en base a doce pentaacutegonos y cualquier

nuacutemero de hexaacutegonos En SWNT el electroacuten libre que ha sido donado por cada aacutetomo de

carbono libre para moverse por toda la estructura dando como resultado la primera

moleacutecula con conductividad eleacutectrica de tipo metaacutelico Las altas frecuencias a las que

puede vibrar el enlace de carbono proporcionan una conductividad termal que es mayor

que la conductividad del diamante En el diamante la conductividad termal es la misma en

todas las direcciones en SWNT se conduce e calor por el eje del cilindro

20

Figura 4-7 Nanotubos de carbono SWNT

Los aacutetomos de grafito regular estaacuten colocados uno encima de otro sin embargo pueden

ser separados faacutecilmente Cuando se forman arreglos de carbono tipo bobina eacutestos llegan

a ser muy fuertes Los nanotubos de carbono tienen propiedades fiacutesicas muy uacutetiles por

ejemplo son cien veces maacutes fuertes y seis veces maacutes ligeros que las estructuras de

carbono normales los nanotubos son mucho maacutes resistentes que los materiales

conocidos son muy buenos conductores de la electricidad Los nanotubos de carbono

tienen la misma conductibilidad eleacutectrica que el cobre Los nanotubos son ligeros

teacutermicamente estables y quiacutemicamente inertes Los nanotubos son muy resistentes a las

altas temperaturas (hasta 1500 degC) los nanotubos son los mejores emisores de campo de

electrones

Los nanotubos son la moleacutecula ideal lo cual implica que estaacuten libres del degradamiento en

la estructura Las moleacuteculas de nanotubos pueden ser manipuladas por medios fiacutesicos y

quiacutemicos Como poliacutemeros de puro carbono los nanotubos pueden ser manipulados

mediante la quiacutemica del carbono en la tabla siguiente se proporcionan algunas

propiedades eleacutectricas y teacutermicas de los nanotubos

21

Tabla 4-2 Propiedades de los nanotubos

Comportamiento metaacutelico (nm) n-m es divisible por 3

Comportamiento semiconductor (nm) n-m no es divisible por 3

Quantizacioacuten de la conductancia n x (129kΩ) -1

Resistividad 10-4 Ωcm

Maacutexima densidad de corriente 1013 Am3

Conductividad teacutermica -2000 WmK

Transmisioacuten promedio en espacio libre -100 nm

Tiempo de relajacioacuten -1011 s

Moacutedulo de Young SWNT -1 TPa

Moacutedulo de Young MWNT 128 TPa

Maacuteximo esfuerzo de tensioacuten -30 Gpa

En la siguiente figura se observa un nanotubo enrollado Una de las capacidades de los

nanotubos es la conductibilidad eleacutectrica el carbono en estado natural tiene una pobre

conductibilidad eleacutectrica el nanotubo de carbono debido a que tiene enlaces con cilindros

de ejes perpendiculares proporciona la estructura de un verdadero metal Otro resultado

al enrollar una hoja de grafene (carbono especial para crear nanotubos) produce tubos

semiconductores que tienen alta conductibilidad muy similares al silicio Recientemente

se habla de que los nanotubos de carbono pueden emitir luz esto permitiriacutea el desarrollo

de elementos electroacutenicos fotoacutenicos

Los nanotubos de carbono se comportan como metales o semiconductores dependiendo

de su espiral Dependiendo de quien haya fabricado los nanotubos de carbono se pueden

utilizar sustancias metaacutelicas o semiconductores Sin embargo el campo magneacutetico coaxial

puede ser usado para convertir nanotubos metaacutelicos a semiconductores y viceversa

Dependiendo como las hojas se enrollen esto determina si los nanotubos son metaacutelicos o

semiconductores para cambiar las propiedades eleacutectricas de un nanotubo se puede

calibrar los niveles de energiacutea mediante un fuerte campo magneacutetico

Las propiedades electroacutenica de MWNT (multi Wall carbono nanotubes) son similares a los

de SWNT porque el acoplamiento entre los cilindros es deacutebil en los MWNT debido a la

cercaniacutea de la estructura electroacutenica en una dimensioacuten el transporte electroacutenico en tubos

metaacutelicos SWNT y MWNT ocurre en forma baliacutestica (sin dispersioacuten) sobre las grandes

distancias de los nanotubos permitiendo transportar altas corrientes con un miacutenimo

calentamiento Los fonones tambieacuten se propagan faacutecilmente en los nanotubos

La siguiente tabla representa las propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

22

Tabla 4-3 Propiedades fiacutesicas de los nanotubos de carbono

PROPIEDADES FIacuteSICAS DE LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Paraacutemetro Valor y unidad Observacioacuten

Unidad de longitud del vector

119860 = 3119886119888minus119888 = 249 Å 119886119888minus119888 = 144 Å es la longitud del carbono

Densidad de corriente gt 109 A cm2 1000 veces menor que la corriente en el cobre Mediciones

Conductibilidad termal 6600WMk Mayor conduccioacuten termal que cirstalizacioacuten

Moacutedulo de Young 1Tpa Una resistencia de material mucho maacutes fuerte que el acero

Movilidad 10000 a 500000 cm2 V-1 S-1 La simulacioacuten indica mayores a 100000 cm2 V-1 S-

1

Camino libre promedio (transporte Baliacutestico)

300-700nm semiconductor CNT 1000-3000 nm metaacutelicos CNT

Mediciones a temperature ambiente

Conductancia en el transporte Baliacutestico 119866 =

41198902

ℎ= 155120583119878

1

119866= 65 119896Ω

Es tres veces mejor que la estructura de un semiconductor

Paraacutemetro Luttinger g 022 Los electrones son correlacionados CNTs

Momento orbital magneacutetico

07119898119890119881minus1(119889 = 26119899119898) 15119898119890119881minus1(119889 = 5119899119898)

El momento orbital magneacutetico depende del diaacutemetro del nanotubo

23

Figura 4-8 Nanotubo enrollado

4612 Puntos Cuaacutenticos

Los puntos cuaacutenticos (QD) son cajas a escala nanomeacutetrica que permiten selectivamente

retener o liberar electrones Como se puede ver en la figura que viene

Los QD son un grupo de aacutetomos tan pequentildeos que al antildeadir o quitar un electroacuten estas

cambian sus propiedades de manera significativa los QD son estructuras de

semiconductores que confinan los electrones y hoyos en un volumen de 20 nm cuacutebicos

Estas estructuras son similares a los aacutetomos pero tienen un tamantildeo mayor usando

teacutecnicas a gran escala se los puede manipular y se los puede utilizar como compuertas

loacutegicas cuaacutennticas

Figura 4-9 Puntos cuaacutenticos

24

47 DISPOSITIVOS ELECTROacuteNICOS BASADOS EN CNT

En lo que sigue se analizaraacute una serie de dispositivos basados en los CNT Empezaremos

con el dispositivo maacutes estudiado en la actualidad el transistor CNT

471 EL TRANSISTOR CNT

Casi todos los transistores CNT son del tipo FET (los transistores de efecto de campo) con

configuraciones diferentes El desarrollo de los transistores de CNT (CNTFET) es un aacuterea

reciente de investigacioacuten mucho esfuerzo es invertido por muchas compantildeiacuteas para las

aplicaciones de los CNTFET fiables y de circuitos integrados basados en ellos La razoacuten es

que recientes configuraciones de CNTFET como MOSFET CNTFET a una temperatura

ambiente trabajan 20 veces maacutes raacutepido que el mejor transistor de oacutexido metaacutelico

complementario (CMOS) Se debe remplazar al CMOS el cual es utilizado en las modernas

computadoras sistemas de comunicacioacuten o dispositivos electroacutenicos Asiacute debido al mejor

desempentildeo de transistores CNTFET se espera que la tecnologiacutea del carbono en el futuro

reemplace mundialmente la tecnologiacutea del CMOS con base en el silicio Aunque el disentildeo

y la aplicacioacuten tecnoloacutegica de los CNTFET estaacuten en sus inicios el progreso de estos

elementos es sumamente raacutepido El primero CNTFET tiene una base de Si dopado encima

de esta se encuentra una capa de Si02 delgada sobre esta el semiconductor CNT con un

diaacutemetro de unos n (con un bangdap de 06 ndash 08 eV) terminado por dos electrodos

metaacutelicos (oro) con un espesor de 100-300 nm

El funcionamiento de este CNTFET es anaacutelogo al transistor MOSFET tipo p este primer

transistor rudimentario tipo FET basado en CNT simplemente consiste en un

semiconductor SWCNT ligado a dos electrodos metaacutelicos depositados en una fina capa de

dioacutexido de silicio todo este sustrato se deposita en una capa de silicio dopado que actuacutea

como compuerta (gate) Cuando el voltaje de compuerta (gate) es negativo la corriente

fuente-drenaje es casi constante la saturacioacuten indica que la resistencia del contacto de los

dos electrodos prevalece por encima de la resistencia del CNT que depende del voltaje de

compuerta (gate) Praacutecticamente para Vg = 0 el CNTFET estaacute en el estado ON y la energiacutea

Fermi se localiza cerca de la banda de la valencia si la longitud de enlace de banda es

comparable a la longitud L del CNT y si la distancia de la compuerta (gate) CNT es maacutes

corta que la distancia entre los dos electrodos una barrera se levanta en el medio del CNT

para los voltajes de compuerta (gate) positivos

25

Sin embargo un par de antildeos maacutes tarde se evidencioacute un transporte baliacutestico a temperatura

ambiente en los transistores de CNTFET con un desempentildeo mejorado basado en

nanotubos de mejor calidad con baja resistencia en los contactos

El TUBFET es un dispositivo que tiene los electrodos de Pt (platino) con un bandgap de 57

eV que es maacutes grande que la bandgap del CNT para que los portadores sean inyectados

en el CNT mediante un tuacutenel Una capa de polarizacioacuten forma en el electrodo-CNT una

interfaz hasta que la banda de valencia se alinee al nivel de la energiacutea de Fermi del

electrodo metaacutelico produciendo barreras poco profundas para los agujeros incluso

cuando ninguacuten voltaje de compuerta (gate) es aplicado La altura de estas barreras que

son causadas por la diferencia en el bandgap entre los CNT y los electrodos es controlado

por el voltaje de compuerta (gate) aplicado como sigue para Vg lt0 la banda de valencia

se divide para dos y se aplana hasta que se dpe lugar el aumento de la conductividad

como en un metal (pe a un valor constante de conductancia) y para Vg gt0 la banda de

valencia se dobla hacia abajo y la altura de la barrera para los agujeros aumenta

suprimiendo el transporte en el agujero entre los dos electrodos

Es interesante notar que el TUBFET es auacuten un transistor FET rudimentario tiene un tiempo

transversal de solo 01 ps que corresponden a 10 THz Para un CNT con una capacitancia

de aproximadamente 1nF el tiempo de RC resultante es 100GHz cuando R (la resistencia

en la compuerta del TUBFET) es del orden de 1-2 MΩ Sin embargo la resistencia R es

aproximadamente 10 kΩ para CNTFET con contactos de Pd (paladio) muestran el

transporte baliacutestico a la temperatura ambiente la frecuencia de trabajo es de

aproximadamente 10THz La ganancia del TUBFET es de aproximadamente 035 pero

puede aumentar maacutes allaacute de 1 reduciendo la capa de dioacutexido de silicio

Al contrario de los transistores anteriores que tienen un transporte difusivo (por difusioacuten)

el transistor CNTFET con contactos de paladio muestra un transporte baliacutestico a

temperatura ambiente La conductancia en el estado de encendido (ON) tiene como liacutemite

baliacutestico 4e2 h (e es la energiacutea del electroacuten y h es la constante de Planck) a temperatura

ambiente similar a los nanotubos metaacutelicos oacutehmicos La explicacioacuten reside en la supresioacuten

de la barrera de Schottky en la interfaz metal-CNT porque el paladio tiene una funcioacuten de

trabajo alta y una interaccioacuten moderada con el CNT Los portadores libremente inyectados

en la banda de valencia del semiconductor CNT estaacuten caracterizados por una conductancia

G la cual logra en el estado de conduccioacuten

Otro tipo de transistor de CNT desplegado en la siguiente figura es el transistor de barrera

Schottky (SB-CNTFET) que consisten en un nanotubo empotrado en una capa dieleacutectrica

que se crea entre la compuerta (gate) y la tierra y es terminado con dos electrodos de

metal que actuacutean como la fuente y el drenaje Al contrario de las configuraciones

26

anteriores donde la accioacuten del transistor se produce variando la conductancia del canal

en el SB-CNTFET esta accioacuten es causada por las variaciones en la resistencia del contacto

El cambio se controla mediante un tuacutenel que altera el voltaje en la compuerta superior

(top gate)

Figura 4-10 Representacioacuten esquemaacutetica de un SB-CNTFET

La conductancia del SB-CNTFET con finas capas de oacutexido en la compuerta gate sugiere una

conduccioacuten bipolar en contrate con todos los transistores CNT estudiados hasta ahora

donde la conductancia es unipolar

Figura 4-11 Esquema representativo del MOSFET - CNT11

Un transistor muy prometedor que imita un MOSFET normal tiene la fuente sumamente

dopada y la regioacuten del emisor sin compuertas Este MOSFET-CNT representado en la

anterior figura trabaja bajo el mismo principio que el SB-CNTFET denominado

modulacioacuten de altura de barrera a traveacutes del voltaje de compuerta (gate) Sin embargo el

caraacutecter bipolar de la conduccioacuten especiacutefico al Sb-CNTFET no existe en el MOSFET-CNT

debido al apto dopado de la fuente y el emisor y la barrera Schottky entre la fuente y el

canal ya no existe Esto porque en el estado encendido (ON) el MOSFET-CNT trabaja

como un SB-CNTFET pero con un voltaje cero o incluso con un voltaje negativo la

11 Fuente httpsenwikipediaorgwikiCarbon_nanotube_field-effect_transistor

27

corriente en estado encendido (ON) aumenta En el estado apagado (OFF) en el MOSFET ndash

CNT auacuten tiene una fuga de corriente pero es controlable el bandgap del CNT

Ademaacutes de los transistores FET basados en CNT los transistores de un solo electroacuten a

temperatura ambiente basada en CNT metaacutelico fueron recientemente reportados por los

investigadores Cuando el extremo de un AFM en modo de censar se coloca debajo sobre

una porcioacuten del CNT eacuteste crea dos bucles lo cual constituye don uniones que se notan

por forman dos barreras tuacutenel La estructura resultante consiste de una isla conductora

(el CNT) conectada por unas barreras tuacutenel a los electrodos de metal es un transistor de

electroacuten-uacutenico Las oscilaciones de conductancia tiacutepicas para el efecto de bloqueo de

Coulomb fue observado en tales estructuras

Todas las configuraciones de los transistores descritas anteriormente y nano transistores

son promovidos como los nuevos bloques de construccioacuten para los dispositivos de alta

densidad tales como memorias o procesadores La integracioacuten a teraescala implica un

ultra densidad de transistores de 1011 a 1012 transistores por centiacutemetro cuadrado bajo

consumo de energiacutea y alta velocidad Estos requisitos no pueden ser satisfechos por

transistores MOSFET que no sean CNT los cuales muestran algunos problemas en

aplicaciones de ultra alta densidad teniendo en cuenta los siguientes 1) la disipacioacuten

teacutermica 2) el consumo de energiacutea 3) la fluctuacioacuten de los paraacutemetros eleacutectricos y 4) las

fugas

Aunque los CNTFET estaacuten en su infancia se espera que ellos reemplacen los MOSFETs

existentes en la integracioacuten a teraescala asiacute como en la alta conductibilidad teacutermica y las

impresionantes densidades de corriente transportadas por los CNT En particular la

buacutesqueda de circuitos loacutegicos y memorias basados en CNT estaacute directamente ligada al

desarrollo de CNTFET Los primeros circuitos loacutegicos basados en CNTFET han usado un

semiconductor CNT con un bandgap de 07 eV los cuales estaban conectados por dos

electrodos de oro que actuaban como fuente y drenaje Un alambre de Al (aluminio) bajo

el semiconductor CNT el cual estaba cubierto con pocos nanoacutemetros de Al2O3

asegurando una buena capacidad de acoplamiento entre la compuerta y el CNT Este

transistor que tiene una transconductancia de 03 uS y una relacioacuten entre los estados de

encendido y apagado (ONOFF) superior a 105 a temperatura ambiente Al crear

integrados con una ganancia mayor que 10 y una corriente maacutexima de operacioacuten de 01

uA fue usada para demostrar que circuitos loacutegicos binarios baacutesicos como los inversores

(que convierten un uno loacutegico 1 en 0 y viceversa) NOR o flipflops funcionan

correctamente a nivel de nanoescala

28

Figura 4-12 Compuertas loacutegicas binarias basadas en transistores CNT

48 TRANSISTORES FET A NANOESCALA

El FET (transistor de efecto de campo) es un transistor cuya conducta es controlada por un

electrodo llamado compuerta La compuerta (gate) estaacute separada de esta regioacuten activa del

semiconductor llamado canal por un aislante o una regioacuten de deflexioacuten Los otros dos

terminales del FET llamados fuente y drenaje respectivamente terminan en el canal El

voltaje de compuerta modifica la resistencia del canal y asiacute se produce un transporte entre

la fuente y el drenaje Por consiguiente un FET es un genuino interruptor

Hay muchos tipos de transistor que pertenecen a la familia de los FET pero en lo que

sigue se analizaraacute al miembro maacutes ilustre de esta familia el MOSFET (el semiconductor

oacutexido-metaacutelico FET) El nombre MOSFET sugiere que la compuerta metaacutelica estaacute separada

de la regioacuten activa por un oacutexido que juega el papel de aislante Es un ejemplo tiacutepico una

regioacuten activa de Si dopada estaacute aislada de la compuerta metaacutelica por una capa de Si02 El

aislante tambieacuten podriacutea ser un dieleacutectrico Si3N4 o dieleacutectrico altamente permisivo como

en el caso de los CNTFET Los MOSFET se fabricaron originalmente con un canal-p (PMOS)

pero los subsecuentes transistores son canal n (NMOS) se encontraron que cambian de

estado (ONOFF) maacutes raacutepidamente que los PMOS Pueden combinarse ambos tipos de

MOSFET en el llamado transistor de muy bajo consumo de potencia que conserva la alta

velocidad de encendidoapagado del NMOS El transistor MOSFET es el dispositivo

electroacutenico maacutes simple y maacutes eficaz bastante faacutecil de fabricar comparado con otros

dispositivos activos como los transistores bipolares Debido a su simplicidad el CMOS era

seleccionado como un elemento importante en los circuitos integrados que impusieron la

reduccioacuten del tamantildeo de sus dimensiones a valores micromeacutetricos La longitud de la

compuerta de los MOSFET usada en el presente en los microprocesadores comerciales es

de 50-70 nm Ya se han demostrado que MOSFET con una longitud de compuerta de

29

15nm en investigaciones se esperan compuertas MOSFET que alcancen 9 nm en los

proacuteximos 10 antildeos La reduccioacuten de las dimensiones del tamantildeo del MOSFET incrementa la

densidad de los transistores y asiacute la complejidad y funcionalidad de los circuitos integrados

(ICs) se logra una densidad de transistores de 107 en un chip en circuitos integrados a

larga escala (VSLI) mientras que en ultra larga escala de integracioacuten (ULSI) hay maacutes de 109

transistores en un chip La tecnologiacutea de semiconductores es tan impresionante y barato

que en el 2002 el nuacutemero de granos de arroz producidos en un antildeo el precio de un grano

de arroz es igual al de 100 transistores

MOSFETs con las longitudes de compuerta (gate) de tamantildeo nano son en la mayoriacutea

utilizados en dispositivos nanoelectroacutenicos demostrando la ley de Moore la cual dice que

cada 15 antildeos desde 1970 el nuacutemero de transistores por circuito integrado de un chip

como en un microprocesador se duplicaraacute Otra versioacuten de la ley de Moore afirma que las

dimensiones de los CMOS se han reducido un 13 por antildeo lo que implica un aumento en

la velocidad de los dispositivos loacutegicos En particular para los microprocesadores esto

significa un aumento de la velocidad del reloj en un 30 por antildeo Como consecuencia por

ejemplo el costo por un bit de DRAM disminuye un 30 por antildeo debido a la reduccioacuten de

las dimensiones de los CMOS por el aumento del tamantildeo del chip y una mejora en la

tecnologiacutea La pregunta es por cuanto maacutes tiempo la ley de Moore seraacute vaacutelida El

problema es que si la longitud disminuye nuevos fenoacutemenos fiacutesicos apareceraacuten a nivel

nano-escala lo que impide el funcionamiento del MOSFET cuando la longitud de la

compuerta gate es soacutelo unos nm Las nuevas configuraciones de MOSFET convenientes

para el nivel nano-escala son necesarias y se presentaraacute a continuacioacuten

La funcioacuten de los transistores MOSFET puede entenderse analizando primero la

configuracioacuten simple llamada capacitor MOS Como se muestra en la siguiente figura el

capacitor MOS consiste en una compuerta (gate) de metal y cubierto de substrato el cuaacutel

es un semiconductor semi-dopado (normalmente p-Si) separado a traveacutes de una capa de

aislamiento (normalmente Si02 ) Cuando un voltaje gate negativo Vg es aplicado el

resultado campo eleacutectrico confina los huecos en la interfaz entre el semiconductor y el

aislador Al contrario los huecos son repelidos cuando Vg es positivo creando una regioacuten

de vaciamiento

30

Figura 4-13 El transistor Mosfet

El MOSFET representado en la figura anterior estaacute formado por dos diodos llamados la

fuente y el drenaje que abarca el condensador MOS los voltajes entre la fuente S y

drenaje D y entre el gate y la fuente que se denotan por VDS y VGS respectivamente

Entre las configuraciones maacutes utilizadas se encuentran el MOSFET SOI y DGFET

481 Transistores de electroacuten uacutenico (electroacutenicos simples) (uni-electroacuten)

Los dispositivos de un solo electroacuten y en particular el transistor de un electroacuten (SET)

estaacuten basados en los efectos producidos cuando se inyectan y extraen electrones

solitarios de una estructura de tamantildeo nano quantum como un nanocluster (arreglo de

puntos cuaacutenticos con propiedades similares) o un punto quaacutentico ambos denominados

geneacutericamente isla Por consiguiente la estructura rudimentaria de un dispositivo de un

solo electroacuten se representa por un inyector de carga (drenaje) una isla de nano-tamantildeo y

una carga en el colector (la fuente) el voltaje aplicado en la compuerta gate controla el

nuacutemero de cargas en la isla El inyector de carga y el colector son a menudo uniones de

tuacutenel metaacutelicos que consisten en estructuras de punto de contacto El efecto fiacutesico

principal relacionado al traslado de un uacutenico electroacuten desde el inyector a la isla es el

bloqueo Coulumb que consiste en la creacioacuten de un hueco en el espectro de energiacutea de la

isla que se localiza simeacutetricamente alrededor de la energiacutea de Fermi El hueco se produce

por la reestructuracioacuten de cargas dentro de la isla y se vuelve significante cuando el

cambio de potencial asociado es mayor que la energiacutea teacutermica Eth Como resultado el

electroacuten que viaja por un tuacutenel se detiene hasta que la energiacutea de carga sea compensada

La conducta del dispositivo de un solo electroacuten que es una isla metaacutelica deacutebilmente

acoplada a dos electrodos metaacutelicos puede entenderse del circuito equivalente dibujado

en la siguiente figura

31

Figura 4-14 El modelo del circuito equivalente a una isla metaacutelica deacutebilmente acoplado a dos electrodos metaacutelicos en el cual es aplicado un voltaje

En la figura anterior la isla es un nanocluster (grupo de puntos quaacutenticos con propiedades

similares) metaacutelico deacutebilmente acoplado (mediante una peliacutecula aislante delgada) a dos

electrodos metaacutelicos El conjunto compuesto de una peliacutecula aislante delgada y de un

electrodo metaacutelico es una unioacuten tuacutenel la que inyecta y extrae cargas de la isla Esta unioacuten

tuacutenel puede ser modelada como una configuracioacuten paralela formada por una resistencia

tuacutenel Rt y una capacitancia C la caiacuteda de voltaje en las dos uniones tuacutenel se denota por VD

y Vs y las capacitancias respectivas de los circuitos equivalente son por CD y Cs los

subiacutendices hacen referencia al drenaje y a la fuente respectivamente El reacutegimen de

transporte del electroacuten se llama bloqueo El reacutegimen bloqueo de Coulomb para el

conjunto fuente-isla-drenaje es ejemplificado en la siguiente figura Cuando un voltaje es

aplicado el voltaje umbral la energiacutea del vaciacuteo Coulumb es e2Ctot cercano al nivel de la

energiacutea de Fermi lo que suprime el tuacutenel entre los contactos El voltaje umbral permite

que exista un tuacutenel entre la fuente y el drenaje a traveacutes de la isla de esta forma se evita el

bloqueo de Coulumb como se muestra en la parte b de la siguiente figura Si Ctot es

bastante grande el efecto bloqueo de Coulumb se atenuacutea fuertemente y por uacuteltimo

desaparece y se necesita un voltaje umbral muy pequentildeo

Figura 4-15 (a) El reacutegimen de bloqueo de Coulumb y (b) superacioacuten del bloqueo de Coulumb aplicando un voltaje suficientemente alto

32

Si V gte2C (V= voltaje umbral para vencer bloqueo de Coulum b e= energiacutea del electroacuten

C= capacitancia total de la isla) y un electroacuten se encuentra en la isla para por lo cual n=1

(nuacutemero de orbitales) y la energiacutea Fermi aumenta por e2Ctot un nuevo hueco se forma

alrededor del nivel Fermi se cierra el tuacutenel de un electroacuten extra que ingrese o salga desde

la isla al drenaje es ahora prohibido a menos que se aplique un voltaje umbral aumente a

V gt3e2C Entre estos dos valores umbral ninguacuten electroacuten fluye a traveacutes de la estructura

hasta el electroacuten mediante el tuacutenel isla-disipador hasta que la isla regrese al estado n=0 y

el nivel Fermi en la isla disminuye y otro electroacuten pueda ingresar a la estructura este ciclo

es repetido varias veces

Si la resistencia tuacutenel en la unioacuten de la fuente es mucho mayor que en la unioacuten del drenaje

(si Rt = Rst gtgt RDt ) pero las capacitancias correspondientes son iguales la corriente a

traveacutes del conjunto fuente-isla-drenaje es controlada por el voltaje VD = V2 + ne Ctot que

decae a lo largo de la unioacuten del disipador El voltaje a traveacutes del drenaje disminuye en

pasos de e Ctot cada vez que el voltaje umbral del drenaje aumenta al incrementar los

valores n Entonces los saltos en la corriente estaacuten dados por

∆119868 = 119890119862119905119900119905119877119905 (1)

∆119868= salto de corriente e= energiacutea del electroacuten 119862119905119900119905= capacitancia total de la isla

119877119905= resistencia total de la isla

La caracteriacutestica I-V del conjunto fuente-isla-drenaje toma la forma especiacutefica de escalera

representada en la siguiente figura la cual refleja el efecto de cara en la isla Esta

sorprendente forma i-V que es una conducta macroscoacutepica de fenoacutemenos quantum soacutelo

ocurre cuando la energiacutea de carga Coulumb prevalece por sobre la energiacutea teacutermica y

cuando las fluctuaciones en el nuacutemero de electrones en la isla son lo bastante pequentildeas

para permitir la localizacioacuten de una carga en la isla Esta uacuteltima condicioacuten se cumple

cuando

119877119905 ≫ℎ

1198902 = 258 119896Ω (2)

Rt= resistencia total de la isla

H= constante de Planck

E= energiacutea del electroacuten

33

482 Metodologiacutea de clonacioacuten artificial a traveacutes del hardware evolutivo

4821 Metodologiacutea de la clonacioacuten

Las ceacutelulas madres se tomaran como un marco de referencia para la presente

implementacioacuten es interesante ver coacutemo estas ceacutelulas tiene mucho que ver con la

clonacioacuten de los sistemas bioloacutegicos De hecho esta es la base de cualquier mutacioacuten

genotiacutepica estructuralmente hablando Estas ceacutelulas tienen la posibilidad de mutar en

cualquier clase de ceacutelula del individuo del cual fue extraiacuteda y asiacute una vez completado el

tejido clonado se puede reemplazar por el tejido defectuoso

La idea de emular este comportamiento de las ceacutelulas madres en un sistema electroacutenico

puede ser la fuente de la metodologiacutea de disentildeo del circuito De esta forma y con el

modelo de Algoritmos Geneacuteticos se pueden tener las estructuras baacutesicas para el disentildeo de

una ceacutelula madre electroacutenica solucioacuten base para la implementacioacuten del circuito evolutivo

Finalmente con la FPGA y con base en el marco teoacuterico de este proyecto la finalidad

baacutesica es la de cambiar conmutacioacuten por mutacioacuten La base para esta solucioacuten es la

implementacioacuten de la ceacutelula madre electroacutenica

4822 La idea enfoque de las ceacutelulas madres en el disentildeo

El cambio de los bloque loacutegicos configurables por bloque loacutegicos mutables soluciona el

problema de la interconectividad que es una de la principales falencias de las FPGA y

ademaacutes proporciona una solucioacuten a los problemas ya planteados Estos bloques loacutegicos

mutables estaacuten conformados por unidades estructurales llamadas ceacutelulas madres

electroacutenicas Estas ceacutelulas madres electroacutenicas mutan por una variacioacuten del circuito a

traveacutes de un algoritmo geneacutetico que buscaraacute un fenotipo de cuatro bits por bloque loacutegico

En analogiacutea con lo que son las ceacutelulas madres el nucleacuteolo seraacute un microcontrolador el cual

es el que contiene la informacioacuten geneacutetica Todas las unidades estructurales estaraacuten

comunicadas con el medio o el exterior a traveacutes de otro micro y una interfaz con el usuario

y el sensor

48221 Hardware evolutivo

34

El hardware evolutivo es una herramienta necesaria para la implementacioacuten de la

clonacioacuten artificial en ingeniera las razones que fundamentan esta afirmacioacuten son varias

una de las maacutes importantes radica en la necesidad de aprendizaje del sistema es

evidente que el equipo desarrollado sea sensor o controlador va a funcionar por una

cantidad de tiempo indeterminado que en la mayoriacutea de los casos se espera que sea un

tiempo prolongado Debido a esta situacioacuten es necesario prever que las condiciones en

las que fue educado el dispositivo cambian o evolucionan adicionando nuevas variables

al proceso lo que requeririacutea una adaptacioacuten del clon a su nuevo ambiente

La adaptacioacuten que es requerida no se puede lograr utilizando la metodologiacutea que se

aprecia en la siguiente figura (a) en donde se observa que el aprendizaje soacutelo ocurre en un

primer momento y que el proceso de ejecucioacuten o funcionamiento no es modificado en

ninguna etapa La siguiente concepcioacuten es permitirle al dispositivo la reeducacioacuten por

medio de un aprendizaje que no necesariamente sea constante pero si perioacutedicamente

lo que facilitaraacute la adaptacioacuten a nuevos cambios en el medio en el cual el clon trabaja esta

metodologiacutea se observa en la siguiente figura (b)

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

Inicio

Medio Aprendizaje

Funcionamiento

Modifica el

a b

Figura 4-16 Tipos de funcionamiento

Para la implementacioacuten de un dispositivo o clon que aprenda perioacutedicamente es posible

que se haga de dos formas off-line o on-line la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon llevarlo a un laboratorio o unidad de aprendizaje e introducirle

los nuevos paraacutemetros viacutea software o hardware el gran problema de esta concepcioacuten es

que ciertamente se induciraacuten tiempos muertos en el funcionamiento del clon es decir el

dispositivo estaraacute fuera de funcionamiento cada vez que sea necesario (o el mismo

dispositivo lo pida) un reaprendizaje la totalidad de este tiempo seraacute dada por la rapidez

con la cual los encargados de realizar esta labor la cumplan incluyendo factores humanos

al proceso de aprendizaje especiacuteficamente a los tiempos de los mismos

35

En el aprendizaje On-line pasa todo lo contrario el dispositivo activa su funcioacuten de

aprendizaje cada cierto periodo de tiempo y lo ejecuta paralelamente a su

funcionamiento evitando el tener que detener el proceso en el cual el clon forma parte

posterior a un tiempo de aprendizaje el clon puede modificar su estructura (Hardware

evolutivo) para ya sea permitir la entrada de una nueva configuracioacuten que el mismo pueda

suplir o modificar totalmente su estructura

En este caso en particular se desea implementar el uso del aprendizaje On-line para lo

cual se ha estudiado muy de cerca el uso de ceacutelulas madres electroacutenicas que al igual que

sus homologas en la biologiacutea estas ceacutelulas pueden convertirse en cualquier otro tipo de

ceacutelulas dentro del cuerpo y a replicarse en una cantidad auacuten indeterminada de veces lo

que ha conllevado a los investigadores a interesarse en este de comportamiento y en

ahondar en su estudio y evidentemente iniciar todo tipo de debates en el tema

afortunadamente las ceacutelulas madres que en esta investigacioacuten se utilizan distan

sustancialmente de la poleacutemica eacutetica y moral pero aportan una valiosa informacioacuten para

el desarrollo de sistemas de alta tecnologiacutea cerrando una nueva brecha entre la ciencia

bioloacutegica y la ciencia tecnoloacutegica

La ceacutelula madre es una unidad de procesamiento loacutegico digital la cual debido a su

estructura puede modificar su comportamiento gracias a la inclusioacuten de una entrada

denominada entrada de mutacioacuten esta ceacutelula madre a diferencia de su homoacuteloga en la

naturaleza no es capaz de replicarse a siacute misma esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseeraacute el software para exigir la generacioacuten de nuevas ceacutelulas madres

Para la implementacioacuten de este paradigma es necesario contar con elementos que

permitan una raacutepida y flexible configuracioacuten en hardware para lograrlo se utiliza cualquier

tipo de dispositivo loacutegico programable en este caso en especiacutefico se utiliza un FPGA (Field

Programmable Gate Array)

49 PROCESO DE CLONACIOacuteN DEL SENSOR

Dentro de la liacutenea de estudio de circuitos loacutegicos digitales es importante conocer los

operadores que intervienen en ellos lo cual permitiraacute la homologacioacuten de funciones de

una ceacutelula madre a un circuito electroacutenico

El disentildeo de circuitos digitales entre los paradigmas ya propuesto se conocen los disentildeos

de compuerta AND y OR y sus correspondientes inversores NAND y NOR con estos

operadores baacutesicos se puede disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes

36

(OR AND XOR NOT) por lo que estas 2 compuertas se pueden llamar las compuertas

base de toda la loacutegica digital

Centrando la atencioacuten en las compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importantes

de estos operadores es que uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir

las entradas de sentildeal del otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute

en la implementacioacuten de estas dos compuertas

La idea de emular el comportamiento de los sistemas bioloacutegicos a resultado en muchos

campos de la tecnologiacutea para este disentildeo se tomaraacute como base las ceacutelulas madres

Para este disentildeo se implementara una FPGA SPARTAN3 de XILINX que es muy comercial y

de faacutecil acceso El primer paso consiste en modelar la ceacutelula madre en la FPGA debido a la

sencillez del ejemplo se trabaja en la modalidad squematic del software proporcionado

por la compantildeiacutea desarrolladora esta visualizacioacuten nos ayuda a observar y analizar de una

mejor manera la ceacutelula madre

Posterior a esta seleccioacuten es necesario implementar una compuerta NOR y compuerta

NAND dentro del mismo circuito en este caso en especial se trabajaraacuten compuertas de 2

entradas para lograr el funcionamiento del circuito como ceacutelula madre se debe

incorporar una 3 entrada la cual funcionaraacute como operador loacutegico mutable entre la NAND

y la NOR El circuito se puede apreciar en la siguiente imagen

Figura 4-17 Hardware evolutivo

37

Como se puede observar la ceacutelula madre puede trabajar tanto como NOR o NAND

dependiendo de su entrada de operador loacutegico mutable lo que permite al implementar

una amplia cantidad de estas ceacutelulas el desarrollo de una alta variedad de aplicaciones

asiacute como igual nuacutemero de arreglos loacutegicos

4911 Proceso de Clonacioacuten del sensor

Para esta implementacioacuten se tomaraacute como referencia la metodologiacutea de disentildeo de las

PAL (arreglo loacutegico programable) maacutes precisamente la usada en las FPGA (arreglo

loacutegico de compuertas programable en el campo) orientada a un disentildeo en el que se

cambia la conmutacioacuten implementada en las matrices de interconexioacuten por mutacioacuten de

compuertas loacutegicas

El disentildeo de circuitos digitales basados en las compuertas loacutegicas AND OR y sus

correspondientes inversores NAND y NOR con estos operadores baacutesicos se puede

disentildear cualquier clase de los circuitos loacutegicos existentes centrando la atencioacuten en las

compuertas NAND y NOR la caracteriacutestica maacutes importante de estos operadores es que

uno o cualquiera de los dos es el resultado de negar o invertir las entradas de sentildeal del

otro es por esto que el disentildeo del circuito evolutivo se enfocaraacute en la implementacioacuten de

estas dos compuertas Sustentando lo anterior en el hecho de que en los laboratorios que

se realizan en disentildeo de circuitos digitales los resultados son los esperados con respecto a

los que implementan compuertas AND OR y sus respectivos operadores negados en la

salida Para lograr el resultado se tomara como base de modelo a seguir en el disentildeo la

teoriacutea o el conocimiento citado de las ceacutelulas madres base para la clonacioacuten de tejidos

vivos

4912 Matemaacutetica del disentildeo de la compuerta loacutegica mutable NAND-NOR

Sabiendo ya que ante una entrada loacutegica de un cero en el transistor de mutacioacuten el

circuito se comporta como una compuerta loacutegica NAND

Tomando las curvas caracteriacutesticas del 2n2222 figura 4-18 indica los posibles puntos de

trabajo del transistor

38

Figura 4-18 Curvas de saturacioacuten para el 2n2222 [8]

Seguacuten los paraacutemetros de un disentildeo digital

a La impedancia de entrada debe ser alta

b Admitancia de salida paraacutemetro igual o cercano a cero

c Consumo de corriente lo maacutes bajo posible para evitar calentamiento que puede

degenerar los componentes del circuito

d La rapidez de respuesta debe ser otro paraacutemetro a tener en cuenta

e Debe ser sencillo a la hora de implantarse

Con estos paraacutemetros de disentildeo se puede empezar el anaacutelisis

Para este disentildeo la seleccioacuten de la corriente de saturacioacuten lo maacutes pequentildea posible dentro

del rango que el dispositivo otorga en sus hojas caracteriacutesticas de la corriente de colector

de saturacioacuten

Por este hecho se tomaraacute como referencia la una corriente igual a 1mA que es una de las

curvas que se puede observar

La recta de carga para el circuito en este caso seriacutea la siguiente figura 4-19

39

Figura 4-19 Recta de carga para el transistor en saturacioacuten [8]

Seguacuten la figura 4-19 y las siguientes ecuaciones para el transistor en conmutacioacuten

La sentildeal de entrada de un transistor de conmutacioacuten es una sentildeal cuadrada que variacutea de 0

a 5 voltios Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturacioacuten con lo cual la

tensioacuten en la salida seraacute muy proacutexima a cero Aquiacute ya no se cumple que Ic = BIb pues

aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector

En el circuito se tiene

Isat = VccRc = 5v5000 = 1 mA (3)

Ibsatmiacuten = IcsatB aquiacute se estaacute en el liacutemite entre activa y saturacioacuten

Ibsatmiacuten = IcsatB = 1mA100 = 100 microA (4)

Para garantizar la saturacioacuten

Ibsat gt 3Ibsatmiacuten --gt Ibsat gt 3x100 = 300microA (5)

Rbmaacutex = (Ve-Vbe)Ibmiacuten = (5-06)20160 = 21 kohmios (6)

Cuando la sentildeal de entrada tenga el valor de cero voltios el transistor entraraacute en corte y la

tensioacuten de la sentildeal de salida seraacute igual a la tensioacuten de alimentacioacuten 5 voltios ---gt Vce = Vcc

= 5 v

40

Seguacuten estas ecuaciones la resistencia necesaria para que haya una corriente de 1mA es de

5Kohms

En la hoja de caracteriacutesticas dice que una corriente de 01 micro amperio polariza la base y

el transistor entra en la zona de saturacioacuten esto da un valor de resistencia seguacuten la

ecuacioacuten de corriente Rc= 5 k

Ahora los caacutelculos de la corriente de base para que el transistor trabaje en saturacioacuten

seguacuten la curva caracteriacutestica y reglas de disentildeo de una razoacuten de diez a uno para la

corriente colector con respecto a la de base Pero para asegurar la saturacioacuten de todos los

componentes se tomaraacute un valor por encima de la corriente de base miacutenima de saturacioacuten

igual a 3Ibminsat Este paraacutemetro arroja los valores siguientes

Rb = 5v 03 mA = 17 k para el valor comercial se tomoacute 20k y que experimentalmente dio

mejores prestaciones

Pero antes tomar tal valor es necesario atender otras curvas caracteriacutesticas del dispositivo

Figura 4-20 Rectas de retardo seguacuten la Ic [8]

Como se puede ver en la figura 4-20 el retardo del dispositivo depende de la corriente de

colector para este caso se obtendraacute un retardo de 50nseg

492 Clonacioacuten artificial para proacutetesis mecatroacutenica de piel artificial con

nanopartiacuteculas

41

El objetivo fundamental en la deteccioacuten y registro de la sentildeal en la piel artificial

proveniente de la aplicacioacuten de nanopartiacuteculas las ondas que se producen en la

membrana son las ondas de cuerpo P y S La onda P se produce por el cambio de volumen

y la onda S por el cambio de la forma de la piel La onda P se propaga produciendo en el

material dilatacionesndashcompresiones a lo largo de la direccioacuten de propagacioacuten La onda S se

propaga produciendo en el material desplazamientos perpendiculares a la direccioacuten de

propagacioacuten En la figura 4-21 se puede observar estas propiedades de las ondas P y S

Figura 4-21 Propagacioacuten de las ondas P y S [21]

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el movimiento producido por las ondas

de la piel artificial

- Sensores extensometricos que miden el movimiento de un punto de la

membrana relativo a otro punto

- Sensores inerciales los cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento deacutebil con la

membrana)

493 Nanomanufactura y aplicaciones industriales de la nanotecnologiacutea

para las teacutecnicas top-down

Los procesos de manufactura para la nanotecnologiacutea comprenden baacutesicamente un solo

aspecto las teacutecnicas de fabricacioacuten sin embargo estas no poder ser realizadas sin los

debidos procesos de caracterizacioacuten de los materiales la cual implica la determinacioacuten de

tamantildeo forma distribucioacuten y propiedades mecaacutenicas y quiacutemicas de estos

42

Figura 4-22 Teacutecnicas de fabricacioacuten

Teacutecnicas Top Down

Estas teacutecnicas implican el proceso en el cual se tiene una pieza de un determinado

material del cual se extrae una nanoestructura removiendo el material restante Lo

anterior puede ser logrado mediante la litografiacutea y la ingenieriacutea de precisioacuten teacutecnicas que

han sido mejoradas en la industria en los uacuteltimos 30 antildeos

- Ingenieriacutea de precisioacuten

En general la ingenieriacutea de precisioacuten estaacute referida a la industria microelectroacutenica

produccioacuten de chips de computadora y precisioacuten oacuteptica para lectores laacuteser utilizados en

una variedad de productos como son discos duros y reproductores de CD y DVD

- Litografiacutea

Implica el modelado de una superficie a traveacutes de la exposicioacuten a la luz para que los iones

o electrones y las subsecuentes capas del material produzcan el dispositivo deseado La

habilidad para modelar los dispositivos a nivel manomeacutetrico es fundamental en el

desarrollo de la industria de tecnologiacutea de la informacioacuten

43

5 DISENtildeO METODOLOGICO

51 DISENtildeO DE LOS CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y

ACCIONAMIENTO (MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA

NANOTECNOLOacuteGICA

En la siguiente figura se presentan las etapas correspondientes al procedimiento de

dimensionamiento del modelo con el fin de que se tenga una explicacioacuten breve del

proceso

Figura 5-1Dimensiones del modelo

Conversioacuten del modelo de

acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica (flujo de datos)

Ajuste del modelo de

acuerdo a los criterios de

escalonamiento nanomeacutetrico

seguacuten los principios

fiacutesicos

Aplicacioacuten de las propiedades en

sistemas termofluiacutedicos y termodinaacutemicos

Adquisicioacuten de sentildeales de

nanoinstrumentacioacuten se

transfiere por comunicacioacuten inalaacutembrica

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento incluye sistema

de diferencia fuzzy conversioacuten a genoma (coacutedigo

geneacutetico) aplicacioacuten de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las etapas anteriores

44

52 DISENtildeO DE LOS ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS

NANOTECNOLOacuteGICOS (NANOSENSOR-CONTROLADOR-

NANOACTUADOR) BASADOS EN LA TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS

RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE ESPINELECTRONES Y LOS

CRITERIOS DE SEMEJANZA POR METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-

DOWN

Desde el surgimiento de las comunicaciones analoacutegicas y la posterior incorporacioacuten de las

comunicaciones digitales a eacutestas el principal objetivo es que deben disponer de esquemas

que ofrezcan transmisiones seguras y eficientes En la buacutesqueda de estos objetivos se ha

tenido que recurrir a ciencias como la informaacutetica las telecomunicaciones la mecaacutenica

cuaacutentica etceacutetera con el fin de integrar nuevas ramas para el surgimiento de las

comunicaciones cuaacutenticas

El esquema baacutesico de las comunicaciones cuaacutenticas se basa en el entrelazamiento entre

un par de partiacuteculas Al principio dicho entrelazamiento solo era visto como una propiedad

muy fina de la mecaacutenica cuaacutentica pero recientemente la informacioacuten cuaacutentica ha

demostrado la tremenda importancia de esta propiedad para la formulacioacuten de nuevos

meacutetodos de transmisioacuten y algoritmos de informacioacuten

521 Esfera de Bloch

La esfera de bloch constituye una manera de visualizar y representar geomeacutetricamente el

estado de un qubit simple De acuerdo con esta perspectiva el vector l0gt corresponde al

polo norte de dicha esfera mientras que el vector l1gt se ubica en el polo sur es decir

como si se tuviera un 0 o un 1 loacutegico

Si se elige un fotoacuten los vectores |0gt oacute |1gt pueden representar una de dos posibles

polarizaciones Tambieacuten se puede elegir el electroacuten de un aacutetomo para representar uno de

dos posibles valores de energiacutea su estado base (es la energiacutea maacutes baja posible) y un

estado excitado (cualquier otro valor de energiacutea) Esto semejando un giro en el spin del

electroacuten ya sea dirigido al polo norte o polo sur y de igual forma se obtendriacutea uno de los

valores del qubit |0gt oacute |1gt

45

Figura 5-2 Representacioacuten de un qubit por medio de la esfera de bloch [17]

Un uso que se da a la esfera de Bloch es mediante las compuertas cuaacutenticas La compuerta

Hadamard es una de las compuertas que maacutes se utiliza Ejemplificando con la figura

anterior el cambio en la salida de un qubit simple corresponde en la compuerta a la

rotacioacuten y reflexioacuten de la esfera La operacioacuten Hadamard es soacutelo una rotacioacuten sobre el eje

Y con un aacutengulo de 90ordm y la reflexioacuten se daraacute sobre el plano X-Y

Las compuertas loacutegicas pueden implementar una excitacioacuten del electroacuten con una

exposicioacuten de luz con ciertas longitudes de una que lo coloquen en su estado base o

estado de excitacioacuten con ello lograr un giro en su spin y que obtenga uno de los dos

estados |0gt oacute |1gt posibles se puede representar por medio de la esfera de Bloch el giro

que realizariacutea y estado que tomariacutea

522 Qubits

Los qubits son el elemento fundamental para el tratamiento de la informacioacuten cuaacutentica

Sus propiedades son independientes de como sea tratado ya sea con el spin de un nuacutecleo

o de la polarizacioacuten de un fotoacuten Los dos estados baacutesicos de un qubit son |0gt oacute |1gt

ademaacutes el qubit se puede encontrar en un estado de superposicioacuten para producir

diferentes estados cuaacutenticos Dicha superposicioacuten de estados se representa como

|120595 gt = prop |0 gt + 120573|1 gt (7)

Donde α y β son nuacutemeros complejos Dicha expresioacuten cumple con las propiedades

probabiliacutesticas tratadas en el apartado de estados cuaacutenticos mencionados anteriormente

46

prop |0 gt + 120573|1 gt indica que el qubit es un estado entrelazado o que estaacute en

superposicioacuten La ecuacioacuten indica que esta superposicioacuten de estados genera la funcioacuten de

onda que permitiraacute conocer la probabilidad de hallar una partiacutecula en el espacio

Un qubit puede existir en un estado continuo entre |0gt oacute |1gt hasta ser medidos una vez

medidos se tiene un resultado probabiliacutestico

En el modelo atoacutemico (figura 8-3) el electroacuten puede existir en cualquier de los dos estados

llamados ldquotierrardquo o ldquoexcitadordquo y que corresponden a |0gt oacute |1gt respectivamente Lo

anterior se puede hacer incidiendo luz sobre el aacutetomo con una energiacutea apropiada y con

una duracioacuten apropiada de tiempo es posible mover un electroacuten del estado |0gt al estado

|1gt y viceversa

Figura 5-3 Representacioacuten de un qubit por dos niveles electroacutenicos en un aacutetomo

523 Estados de Bell

Los estados de Bell juegan un papel clave dentro de la ciencia de la informacioacuten cuaacutentica

pues representan los posibles estados de un entrelazamiento es decir el estado cuaacutentico

de dos qubits

La creacioacuten de estos estados se puede dar por medio de la utilizacioacuten de una compuerta

Hadamard y una CNOT que en conjunto conforman el siguiente circuito

47

Para demostrar la obtencioacuten del primer estado se introduciraacuten los qubits |0gt oacute |1gt en su

entrada respectiva al entrar el qubit |0gt a la compuerta Hadamard se obtiene

|0gt oacute |1gt

radic2 (8)

Y al entrar en accioacuten el segundo |0gt se obtiene

|00gt oacute |10gt

radic2 (9)

Ahora que ya se tiene este estado la compuerta CNOT daraacute como resultado lo siguiente

|12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt) (10)

El cual ya es definido como un estado de Bell Si se establece una tabla de verdad eacutesta

seraacute

Tabla 5-1 Estados de Bell que representan el entrelazamiento de dos qubits

Entrada Salida (Estado de Bell)

|00gt |12057300 gt = 1

radic2(|00gt + |11gt)

|01gt |12057301 gt = 1

radic2(|01gt + |10gt)

|10gt |12057310 gt = 1

radic2(|00gt - |11gt)

|11gt |12057311 gt = 1

radic2(|01gt - |10gt)

53 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

48

La metodologiacutea de clonacioacuten aquiacute propuesta permite la clonacioacuten de dispositivos como

sensores y controladores Este procedimiento se observa a continuacioacuten y se aprecia en la

siguiente ilustracioacuten

Figura 5-4 Metodologiacutea de clonacioacuten propuesta

El primer paso del proceso de clonacioacuten consiste en la recopilacioacuten de datos esta se

fundamenta en la seleccioacuten de una cantidad de muestras representativas del tipo de

dispositivo a clonar para colocar un ejemplo maacutes claro se puede tomar como referencia

las variables (en el ejemplo de un sensor) representativas en el proceso estas pueden ser

seleccionadas con la ayuda del experto o utilizando teacutecnicas de correlacioacuten para tal fin

seguido de esta seleccioacuten se procede a implementar el preprocesamiento de la sentildeal lo

que permitiraacute trabajar con unas sentildeales maacutes limpias y coherentes a la realidad

Realizado los dos primeros pasos los cuales consisten maacutes en una seleccioacuten y

preprocesamiento de las sentildeales se ejecuta la segunda etapa de clonacioacuten el primer paso

reside en crear los clusters para los valores de las entradas y salidas (independiente del

nuacutemero de estas lo que conlleva a ser una metodologiacutea multivariable) identificando sentildeal

por sentildeal entrada por entrada y salida por salida los clusters maacutes adecuados para cada

uno de ellos

49

La tercera etapa es la que tiene que ver maacutes con el trabajo propio de la investigacioacuten es

la seccioacuten en donde se buscan lo operadores geneacuteticos de ella se obtiene directamente el

sensor o el controlador clonado es un proceso iterativo y en el cual se pueden aplicar

diversas teacutecnicas las cuales se explicaran en los apartados de este documento

Finalmente el resultado obtenido con esta metodologiacutea son funciones de salida (para

problemas multiobjetivo) que contienen la informacioacuten solicitada por el disentildeador

La nanotecnologiacutea computacional utiliza 3 teacutecnicas inteligentes que son Loacutegica Fuzzy

Redes neuronales artificiales y algoritmos geneacuteticos

- Loacutegica fuzzy Es la agrupacioacuten de gran cantidad de datos generados por la

nanoinstrumentacioacuten en conjuntos borrosos (cluster fuzzy)

- Redes neuronales la estructura distribuida de la red neuronal y su

implementacioacuten en controladores neuronales (Smart controll nanodevices)

- Algoritmos geneacuteticos permite usar la propiedad de elitismo que garantiza

que las reproducciones yo aplicacioacuten de operadores geneacuteticos permitan

obtener un nuevo modelo de mayor robustez respecto a las perturbaciones

que puedan incidir del entorno en el que se aplica como por ejemplo el

campo eleacutectrico el campo magneacutetico entre otros

Figura 5-5 El mecanismo elitista12

12 Fuente Fuente Rasmus K Ursem Models for Evolutionary Algorithms and Their Applications in System Identification and Control

Optimization Department of Computer Science University of Aarhus Denmark 2003

50

531 Creacioacuten de los clusters difusos utilizando fuzzy c-mean y

experimentos de cauterizacioacuten a partir de las sentildeales del nanosensor

Se encuentran los respectivos clusters de cada sentildeal estos clusters tienen una

representacioacuten en conjuntos difusos por lo que un valor V1 se puede representar en n

Valores de pertenencia donde n es el nuacutemero de clusters de la variable en mencioacuten

Figura 5-6 clusterizacion13

Extraccioacuten de reglas mediante algoritmos de tipo laquoGridraquo

Las teacutecnicas de identificacioacuten basadas en algoritmos de tipo laquoGridraquo realizan una particioacuten

de tipo matricial o rejilla de los datos de entrada para estructurar el espacio y obtener la

base de reglas que soporte el sistema difuso

Figura 5-7 Sentildeal original del nanosensor

13 Fuente Lache Salcedo -I Investigacioacuten de nuevos prototipos de sensores de viscosidad y sistema de control por clonacioacuten artificial

basados en teacutecnicas de inteligencia artificial Proyecto Joven Investigador Colciencias 2006

51

54 SIMULACIOacuteN EN MATLAB DEL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

iquestPor queacute crear los prototipos en escala pequentildea

Por su pequentildeo tamantildeo y portabilidad

Por la cantidad y calidad de los datos

El consumo de potencia es bajo

Analizadores completos

Nuevas funciones

A continuacioacuten se muestra el proceso de disentildeo del concepto simulacioacuten construccioacuten

ensamblaje y producto final para los casos de construccioacuten de prototipos basados en nano

y micro fabricacioacuten

El anterior proceso de manufactura de un prototipo basado en nanotecnologiacutea parte

principalmente del concepto de la idea que surge a traveacutes de una necesidad o de una

innovacioacuten posteriormente eacutesa idea se vuelve en especificaciones limitaciones detalles

que pasan a ser un disentildeo la idea hecha papel dibujo boceto Luego se pasa a realizar

52

las respectivas simulaciones que tendraacuten una revisioacuten para ver si se va por un buen

camino si la simulacioacuten arroja resultados deseados que resuelven la problemaacutetica del

concepto inicial

Cuando la simulacioacuten pasa la prueba de la revisioacuten inicia el proceso de fabricacioacuten del

prototipo Al finalizar la etapa de fabricacioacuten se procede a probar el prototipo fabricado y

su respetiva revisioacuten para descartar errores Al pasar por la segunda etapa de revisioacuten se

continuacutea con la etapa de empaquetado donde se juntan todas las piezas del prototipo

para obtener el producto final Luego se realiza una uacuteltima revisioacuten y si pasa las pruebas

se consigue el prototipo final basado en nanotecnologiacutea

53

6 RESULTADOS

61 CIRCUITOS DE MEDICIOacuteN CONTROL Y ACCIONAMIENTO

(MECANISMO EJECUTIVO) A ESCALA NANOTECNOLOacuteGICA

Como la industria de semiconductores contempla el final de la Ley de Moore ha habido

un intereacutes considerable en materiales y dispositivos nuevos Tecnologiacuteas tales como

interruptores moleculares y matrices de nanocables de carbono ofrecen una ruta de

acceso para la ampliacioacuten maacutes allaacute de los liacutemites de las CMOS convencionales La mayoriacutea

de estas tecnologiacuteas estaacuten en las fases de exploracioacuten todaviacutea a antildeos o deacutecadas desde el

momento en que van a ser actualizadas De acuerdo con ello el desarrollo de

herramientas y teacutecnicas de software para la siacutentesis de la loacutegica sigue siendo especulativa

Sin embargo para algunos tipos de las nuevas tecnologiacuteas podemos identificar los rasgos

generales que probablemente incidiraacute sobre la siacutentesis Por ejemplo las matrices de

nanocables son disentildeadas en manojos firmemente campales Por consiguiente muestran

lo siguiente

1 Un alto grado de paralelismo

2 Control miacutenimo durante el montaje

3 Aleatoriedad inherente a los esquemas de interconexioacuten

4 Las altas tasas de defectos

Las estrategias existentes para la siacutentesis de la loacutegica de matrices de nanocables se basan

de esquemas de encaminamiento similares a los utilizados para arreglos de compuertas

programables en el campo Estos se basan en la evaluacioacuten y programacioacuten

interconectadas del circuito despueacutes de la fabricacioacuten

Se describe un meacutetodo general para la siacutentesis de la loacutegica que explota tanto el

paralelismo y los efectos aleatorios del auto-ensamblaje obviando la necesidad de dicha

configuracioacuten posterior a la fabricacioacuten Eacuteste enfoque se basa en el caacutelculo con flujos de

bits paralelos Los circuitos se sintetizan a traveacutes de la descomposicioacuten funcional con

estructuras de datos simboacutelicos llamados diagramas multiplicativos de momento binario

La siacutentesis produce disentildeos con componentes paralelos aleatoriamente - y las operaciones

AND y multiplexacioacuten - que operan en los flujos de bits Estos componentes son faacutecilmente

54

implementados en matrices de nanocables travesantildeos Se presentan los resultados de la

siacutentesis de los puntos de referencia de los circuitos que ilustran los meacutetodos Los

resultados muestran que la teacutecnica es eficaz en disentildeos con matrices de nanohilos de

aplicacioacuten con un equilibrio medido entre el grado de redundancia y la precisioacuten de la

computacioacuten

611 Modelo del circuito

La discusioacuten de la siacutentesis se enmarca en teacuterminos de un modelo conceptual para las

matrices de nanocables Las conexiones entre los alambres horizontales y los verticales

son al azar Sin embargo se supone que estas conexiones son casi de uno a uno es decir

casi todos los hilos horizontales se conecta a exactamente a un hilo vertical y viceversa

Este es un atributo especiacutefico de tipos de matrices de nanocables controladas durante el

autoensamblaje

Figura 6-1 Nanohilos cruzados con conexiones randoacutemicas14

6111 Flujos de bits paralelos

El meacutetodo de siacutentesis implementa computacioacuten digital en forma de flujos de bits paralelos

Se refiere a un conjunto de nanocables paralelos como un paquete El ancho del paquete

es equivalente a la cantidad de nanocables Su peso actual es el nuacutemero de unos (1)

loacutegicos en sus cables La sentildeal que lleva es un valor real entre cero y uno correspondiente

al peso fraccional para un haz de alambres de N cables si k de los cables es 1 entonces la

14 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

55

sentildeal es kN Entonces P(X= 1) denota la probabilidad de que cualquier cable dado en

paquete X lleva un 1

6112 Dispositivos aleatorios

Se implementa la computacioacuten con dos construcciones baacutesicas de nanocables AND`s

aleatorias y Agrupacioacuten de plexores Se describen estos soacutelo en teacuterminos conceptuales

Figura 6-2 Un dispositivo AND aleatorio para paquetes con un ancho de 315

Mezcla de AND aleatorio

Una mezcla AND tiene dos haces de cables N como entradas y un haz de cable N como la

salida Cada alambre en el haz de salida es en realidad la salida de una compuerta AND

que tiene una entrada desde el primer haz de entrada y el otro de la segunda La eleccioacuten

de queacute entradas se introducen en la compuerta AND es aleatoria

Se supone que la sentildeal transportada por el primer haz de entrada A es α que llevado por

el segundo haz de entrada B es b y que llevado por el haz de salida C es c A condicioacuten de

que los bits en el primer y segundo haz de entrada son independientes para un gran N se

puede suponer que

15 Fuente Weikang Q Jhon Backes Marc Riedel 2011

56

119888 = 119875(119862 = 1) (11)

119888 = 119875(119860 = 1 119886119899119889 119861 = 1) (12)

119888 = 119875(119860 = 1) 119875(119861 = 1) (13)

119888 = 119886 119887 (14)

Se ve que la mezcla AND en efecto realiza la multiplicacioacuten de las sentildeales transportadas

por los dos haces de entrada

Agrupacioacuten de plexores

Una agrupacioacuten de plexores tiene dos haces de cables N como sus entradas y un haz de

cables N como su salida Estaacute marcado con una razoacuten de seleccioacuten fija 0 lt s lt 1 El haz de

salida se compone de una seleccioacuten aleatoria de bits de sN desde el primer haz de entrada

y los bits (1-s) N de la segunda La eleccioacuten no se ordena maacutes bien se produce una

redistribucioacuten aleatoria

Se supone que la sentildeal llevada desde la primer entrada del haz A es α la realizada por la

segunda entrada del haz B es b y que llevado por el haz de salida C es c Para un largo N

se puede asumir que

119888 = 119875(119862 = 1) (15)

119888 = 119904119875(119860 = 1) + (1 minus 119904)119875( 119861 = 1) (16)

119888 = 119904119886 + (1 minus 119904)119887 (17)

Figura 6-3 Agrupacioacuten de plexores con N=4 y s=34 [26]

57

Se observa que la agrupacioacuten de plexores en efecto realiza una adicioacuten escalada dentro de

las sentildeales transmitidas por los dos haces de entrada

6113 Disentildeo de circuitos

El meacutetodo de siacutentesis produce un disentildeo de circuito que opera sobre los valores

fraccionarios ponderados realizados por los haces de cables El enfoque es anaacutelogo a la

formulacioacuten de una representacioacuten polinoacutemica de valor real de un circuito con la

multiplicacioacuten aritmeacutetica y la adicioacuten (En efecto se realiza la siacutentesis con datos

estructurados llamados diagramas de momento binario)

Por ejemplo considere un circuito con una tabla de la verdad booleana que muestra en la

parte superior derecha de la 4-10 Su salida γ se puede representar como

119910 = 119886 + 119887 minus 2119886119887

La evaluacioacuten de este polinomio para todos los valores booleanos de a y b da la correcta

salida Y booleana Se utiliza una mezcla de AND para la multiplicacioacuten y una agrupacioacuten de

plexores para la adicioacuten

Para un circuito con m entradas y n salidas se tienen paquetes de haces de entrada M y N

haces de salida (cada paquete que consiste en N cables paralelos) Para el caacutelculo todos

los cables en cada paquete de entrada se establecen en el valor de entrada booleana

correspondiente (por lo que todos los cables de cada haz se establecen en 0 o 1) Con

agrupacioacuten de plexores los cables son seleccionados al azar a partir de los paquetes

separados Como resultado los haces internos llevan flujos de bits aleatorios con

coeficientes fraccionarios

Se asume que la salida del circuito es directamente usado en la forma fraccional

ponderada Por ejemplo en aplicaciones de sensores un voltaje anaacutelogo podriacutea ser

utilizado para transformar un haz de salida de bits en un valor booleano Se supone una

cuantificacioacuten directa una sentildeal de salida mayor que o igual a 05 corresponde a 1 loacutegico

menos que esto corresponde a 0

58

Figura 6-4 Un ejemplo de la formulacioacuten de un disentildeo de circuito [26]

Figura 6-5 Un circuito simple [26]

La figura 4-11 ilustra la formulacioacuten Se usan los haces con un ancho de N=4 La tabla de la

verdad muestra en la parte inferior derecha el peso fraccional en los haces de salida Y

Para las entrada A=1 y B=0 se tiene que Y=34 el cual corresponde a un 1 loacutegico Para A=1

y B=1 se tiene Y=14 el cual corresponde a un 0 loacutegico Entonces el disentildeo del circuito

implementa la misma funcioacuten booleana como se muestra en la parte superior derecha de

la tabla de la verdad

59

62 ALGORITMOS DE SIMULACIOacuteN DE SISTEMAS NANOTECNOLOacuteGICOS

(NANOSENSOR-CONTROLADOR-NANOACTUADOR) BASADOS EN LA

TEORIacuteA CUAacuteNTICA LAS RELACIONES DE COMPORTAMIENTO DE

ESPINELECTRONES Y LOS CRITERIOS DE SEMEJANZA POR

METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO TOP-DOWN

El dimensionamiento parte de la conversioacuten del modelo de acuerdo a la teoriacutea cuaacutentica

(flujo de datos) que indica que la cantidad de informacioacuten de los datos se expresa en

[bits] mediante el uso de informacioacuten medida cantidad seleccionada por ejemplo

Figura 6-6 Ejemplo de circuito basado en datos cuaacutenticos

De esta manera la derivada en el tiempo de la cantidad de informacioacuten de datos produce

loacutegicamente en un flujo de informacioacuten de los datos medidos en [informacioacuten por

segundo] asiacute la informacioacuten de los datos se interpreta a que lleva a pedir cambios en los

sistemas del mundo real o en la conciencia El teacutermino de contenido de informacioacuten es por

lo general pertinente para el proceso de eliminacioacuten incertidumbre o opcionalmente a

un aumento en el orden de un sistema

Figura 6-7 Ejemplo de circuito de eliminacioacuten de informacioacuten que genera incertidumbre

Asiacute el contenido de la informacioacuten define la cantidad de trabajo provocada por la

recepcioacuten de un bit de informacioacuten a traveacutes de un mensaje de datos

60

- Se puede medir el contenido de informacioacuten de variables fiacutesicas [Joule por

info] pero la cantidad de trabajo no es tan faacutecil de estimar

- En vez de cantidad de trabajo se introduce el nuacutemero de eventos que

aparecen en un sistema estudiado (sistemas del mundo real o conciencia)

debido a la informacioacuten recibida

El [nuacutemero de estos excesos de eventos por info] I puede medir el impacto de un bit

de informacioacuten en el sistema estudiado

En teoriacutea se deberiacutea distinguir entre el nuacutemero de eventos que ordenan el sistema (utilice

un signo maacutes) y eventos que hacen maacutes caos en el sistema estudiado (signo menos)

El concepto maacutes elevado de conocimiento contiene las cualidades de la asignacioacuten la

clasificacioacuten y la filtracioacuten de los datos las entradas y las imaacutegenes de objetos de la

informacioacuten de los estados probables y sus transiciones de estado la interpretacioacuten de las

cadenas causales y sensibilidades sobre conjuntos de incertidumbres imaacutegenes de

informacioacuten de los estados y las transiciones en los enlaces del sistema de los objetos del

mundo real

Por lo tanto en general se puede hablar del contenido de informacioacuten conocimiento

El Concepto funcional Frege de origen imagen informacioacuten y accioacuten muestra que

- Oi es un conjunto de cantidades nominales en un objeto

- Pi es un conjunto de estados (observadores)

- Oslashi es un conjunto de cadenas sintaacutecticas (flujo de datos)

- Ii es un conjunto de imaacutegenes de informacioacuten de cantidades estatales

Figura 6-8 Ejemplo de concepto funcional de Frege

61

- aop= identificacioacuten

- apo= invasivo

- apΦ = proyeccioacuten de un conjunto de siacutembolos de anuncios en cadenas

sintaacutecticas

- aΦp = correccioacuten de la incertidumbre y la identificacioacuten

- aΦ I= interpretacioacuten origen de la informacioacuten

- aIΦ = lenguaje que construye la reflexioacuten

- aIo = relacioacuten de funciones y regularidad estructural

- aoI = verificacioacuten de la integridad

El flujo de informacioacuten de los datos y el contenido de la informacioacuten que permite

interpretaciones estructurales de los sistemas de informacioacuten complejos evaluacioacuten de

evaluaciones y la calidad del proceso de transmisioacuten y la informacioacuten en los sistemas de

informacioacuten parciales estaacute representado por la siguiente forma

1

1

1

1

2

2

IT

I

tt

ttI

dc

ba (18)

Figura 6-9 Diagrama para la informacioacuten de los circuitos

Cantidades de informacioacuten en la fiacutesica

Informacioacuten de potencia PI

tIttPI (19)

Debido a que el flujo de informacioacuten de los datos se expresa en la unidad [bits por

segundo] y el contenido de la informacioacuten en [eventos por bit] se deriva la unidad de la

potencia de la informacioacuten en [eventos exceso por segundo]

62

Informacioacuten de impedancia Z

ttZtI (20)

Informacioacuten de la Resistencia R

tRtI (21)

Informacioacuten Inductancia L

dt

tdLtI

(22)

Informacioacuten de la capacitancia C

dt

tdICt (23)

Ahora utilizando la transformada de laplace debido a la dependencia del tiempo de todas

las cantidades ttZtI que pueden utilizar todos los instrumentos conocidos de la

teoriacutea de circuitos eleacutectricos - Laplace Fourier o transformada z - y reescribir estas

cantidades por ejemplo en el dominio jw en el caso de la utilizacioacuten de la transformada

de Fourier de la siguiente manera

tLj

tZLjZ

tILjI

~

~

~

jICjj

jLjjI

jRjI

jjZjI

~

~

~

~

Tomando una pequentildea referencia de la informacioacuten de un cuanto

63

Figura 6-10 Tipos de qubits de acuerdo al tipo de informacioacuten

La definicioacuten de un qubit dice que

10 (24)

122 (25)

Y un simple qubit puede ser representado en una esfera de bloch

|120595 gt= cos (120579

2)| 0 gt + 119890119894120593 sin(

120579

2)|1 gt (26)

Figura 6-11 Representacioacuten geomeacutetrica de un qubit

64

Figura 6-12 Movimiento del spin de un electroacuten [13]

Los estados de superposicioacuten de un cuanto son los siguientes

11111 10 (27)

22222 10 (28)

11100100

1010

21212121

22221111

(29)

Y el registro de un cuanto de (n-qubits) es

1111101011000110100010002

1

102

110

2

110

2

1

23

(30)

Las compuertas cuaacutenticas del procesamiento de los qubits hacen referencia a unas

compuertas cuaacutenticas de qubit las compuertas de Toffoli las compuertas cuaacutenticas

universales y las compuertas cuaacutenticas de rendimientos en circuitos cuaacutenticos

65

Figura 6-13 Compuertas cuaacutenticas

Algunos ejemplos de compuertas cuaacutenticas son la compuerta de cambio de fase

1|1|

0|0|Z

O la compuerta de rotacioacuten

1|1|

0|0|

i

i

e

eT

O las compuertas NOT controladas

1011

1110

0101

0000

CNOT

El entrelazamiento cuaacutentico parte de los estados de la campana maacuteximamente

entrelazados

0 11 02

1 (31)

Tambieacuten de la paradoja EPR (Einstein Podolsky Rosen) y de la idea de Feynman

Aprovechar los fenoacutemenos QM como la superposicioacuten y el entrelazamiento de la

informaacutetica

Las funciones posibilidad de onda y el promedio de la informacioacuten implica realizar la

interpretacioacuten de los procesos con los que se esteacute trabajando como por ejemplo la

siguiente observacioacuten de dos procesos F1 y F2

66

Figura 6-14 Observacioacuten de los procesos F1 y F2

Interpretacioacuten

- Dos procesos de observacioacuten (externos) independientes de los pares 00 y

01 de dos variables de Y1 e Y2

- Debido a la divisioacuten de observacioacuten de (F1 F2) ambas variantes 00 y 01

son posibles en alguacuten momento

- Esto produce dependencias ocultas entre ambos en la observacioacuten del

proceso F1 y F2 (superposicioacuten de observaciones)

- El paraacutemetro de fase representa las dependencias ocultas entre ambos

procesos en las observaciones (composicioacuten de piezas de observaciones

superpuestas)

Las reglas de la posibilidad de dos procesos de observacioacuten

Figura 6-15 Reglas de posibilidades de dos procesos de observacioacuten

022121

21212

cos01002

01000

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(32)

67

122121

21212

cos11102

11101

yypyyp

yypyypyp

FF

FF

(33)

Consolidando las bases mencionadas anteriormente para realizar el caacutelculo de la

aplicacioacuten de un cuanto se tiene que

2

222 cos2 jeBABABAC (34)

2)(

)()(

))(cos()()(2)()()(

jyj

jBjA

jjBjAjBjAj

eypyp

yypypypypyp

(35)

0122122212

221222121

1100002

1100000

ypyypypyyp

ypyypypyypyp

FF

FF

(36)

0122122212

22122212

cos1100002

110000

ypyypypyyp

ypyypypyyp

FF

FF

(37)

2

2212221201110000

j

FF eypyypypyyp (38)

Las anteriores ecuaciones representan el resultados del caacutelculo de un cuanto utilizando las

bases de la interpretacioacuten la observacioacuten los estados de informacioacuten de un cuanto las

bases fiacutesicas de la cuaacutentica y demaacutes

Ahora utilizando la Regla de la posibilidad de inclusioacuten-exclusioacuten se obtiene

1121312121 NNn AAAPAAAPAAPAPAAAP (39)

68

N

NN

kji

kji

N

i

N

ji

jii

N

AAAPAAAPAAPAP

AAAP

1

21

1

1

21

(40)

Figura 6-16 Ejemplo de inclusioacuten y exclusioacuten de posibilidades

Para la segunda y tercera parte del dimensionamiento del modelo a nanoescala se habla

de un ajuste del modelo de acuerdo a los criterios de escalonamiento nanomeacutetrico seguacuten

los principios fiacutesicos y de la aplicacioacuten de las propiedades en sistemas termofluiacutedicos y

termodinaacutemicos el cual tiene bases en la informacioacuten a mencionar a continuacioacuten

Las propiedades de un material dependen del tipo de movimiento que sus electrones

puedan ejecutar que depende del espacio disponible para ellos Por lo tanto las

propiedades de un material se caracterizan por una escala de longitud especiacutefica

generalmente en la dimensioacuten nm

69

Figura 6-17 Propiedades de un material de acuerdo a su escala [3]

Si el tamantildeo fiacutesico del material se reduce por debajo de la escala de longitud que se veraacute

en la figura 8-14 sus propiedades cambian y se vuelven sensibles a tamantildeo y forma

Figura 6-18 Tamantildeo del material [25]

70

Figura 6-19 Escala hacia abajo [28]

Las propiedades quiacutemicas de los nanomateriales generan un incremento en el aacuterea de la

superficie que aumenta la actividad quiacutemica

- catalizadores

- La tecnologiacutea de ceacutelulas de combustible

Figura 6-20 Nanomateriales

- Las propiedades a granel se vuelven en gobernadas por las propiedades de

la superficie

71

- En el efecto mecaacutenico de un cuanto predominan las partiacuteculas que tienen

dimensiones comparables a la longitud de onda de los electrones dentro

del material

Como ventajas de la nanoescala se tiene

Propiedad Aplicacioacuten

Tamantildeo de la partiacutecula Dominio magneacutetico simple Maacutes pequentildeo que la longitud de onda de la luz Aglomeracioacuten suacuteper fina Mezcla uniforme de los componentes Propagacioacuten obstaculizada de las imperfecciones del enrejado Fluencia por difusioacuten mejorada

Grabacioacuten magneacutetica Vidrio de color Filtros moleculares Los nuevos materiales y recubrimientos Metales fuertes y duros Ceraacutemica duacutectil a temperaturas elevadas

Superficie mayor en el aacuterea de la relacioacuten de A V

Especiacutefica Capacidad caloriacutefica pequentildea Tinte sensibilizado

Cataacutelisis sensores Celdas solares Materiales de cambio teacutermico

Las propiedades magneacuteticas de los nanomateriales son la Fuerza de un imaacuten Los valores

de coercitividad y de magnetizacioacuten de saturacioacuten Estos valores aumentan con una

disminucioacuten en el tamantildeo de grano y un aumento en el aacuterea superficial especiacutefica de los

granos

- Imanes de alta potencia

- Almacenamiento de Informacioacuten

- Imaacutegenes meacutedicas

72

Figura 6-21 Barra nanomagneacutetica de 200nm x 40nm 25nm de grueso Con un bit almacenado por elemento esto corresponderiacutea a una densidad de almacenamiento de 27

Gbir por pulgada cuadrada [31]

Las propiedades mecaacutenicas de los nanomateriales son

- La resistencia a la fatiga aumenta con una reduccioacuten en el tamantildeo de grano

del material

- Reduccioacuten en el tamantildeo de grano rarr incremento vida de fatiga alrededor de

200 a 300

- Los materiales nanoestructurados son maacutes ligeros que los materiales de

conveccioacuten de resistencia equivalente Aeronaves pueden volar maacutes raacutepido

y maacutes eficiente (menor consumo de combustible)

Nanomateriales

Tamantildeo y forma de efectos

Nanoherramientas

SEM AFM teacutecnicas de fabricacioacuten

anaacutelisis y metrologiacutea de instrumentos

y software para la nanotecnologiacutea en la

investigacioacuten y el desarrollo

Nanodispositivos

Sistema completo con componentes nanoestructurados

que llevan a cabo seguacuten lo asignado las funcioacuten que no sea

de la manipulacioacuten de los nanoacutemetros Por ejemplo MEMS

73

Para el uacuteltimo paso que es la adquisicioacuten de sentildeales de nanoinstrumentacioacuten eacutestas se

transfieren por comunicacioacuten inalaacutembrica de la siguiente manera

Para una buena comunicacioacuten entre nodos hay que tener en cuenta los siguientes

paraacutemetros

- Sensibilidad del receptor

- Potencia de salida

- Sentildeal de frecuencia

- Medio de propagacioacuten de la sentildeal

En espacio libre sin ninguacuten tipo de sentildeal que interfiera o material tenemos la siguiente

expresioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 2 lowast log10(119891) minus 10 lowast 2 lowast log10(119889) + 2756 (41)

- Pd potencia de la sentildeal (dBm) a distancia d

- P0 potencia de la sentildeal (dBm) a distancia cero desde la antena

- f es la frecuencia de la sentildeal en MHz

- d es la distancia (metros) desde la antena

Es decir donde Pd es la potencia recibida (en dBm) para una potencia enviada P0 (en

dBm) a una frecuencia f (en MHz) y una distancia d (en metros) Como era de esperar a

medida que aumenta la frecuencia disminuye la sentildeal de potencia transmitida Por

ejemplo si la antena transmite a 0 dBm a 914 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de

la antena estaraacute alrededor de -52 dBm mientras si mantenemos la potencia de la sentildeal y

aumentamos la frecuencia a 2450 MHz la potencia de la sentildeal a 10 metros de la antena se

veraacute reducida a -60 dBm

En un espacio maacutes real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que

puede haber en su camino tenemos la siguiente ecuacioacuten

119875119889 = 1198750 minus 10 lowast 119899 lowast log10(119891) minus 10 lowast 119899 lowast log10(119889) + 30 lowast 119899 minus 3244 (42)

Cada material estaacute asociado a una constante de atenuacioacuten (dBm) (Nepersm)

Hay que tener en cuenta el aacutengulo en el que una sentildeal penetra en un objeto Por ejemplo

las divisiones comunes de las oficinas atenuacutean a 914 MHz alrededor de 15 dB

74

Tabla 6-1 Atenuacioacuten de la sentildeal en varios objetos [33]

Objeto Frecuencia de la sentildeal Atenuacioacuten de la sentildeal

Pared de particioacuten de 2 in 914 Mhz 15 dB

Piso de un edificio 914 Mhz 17 dB

Piso de un edificio 1-2 Ghz 23 dB

Pared interior de 4 in 1-2 Ghz 6 dB

Pared interior de ladrillo 1-2 Ghz 25 dB

Pared de yeso 1-2 Ghz 15dB

Cristal reforzado 1-2 Ghz 8 dB

621 Pruebas teoacutericas para determinar distancias entre nodos

6211 Pruebas en INDOOR

En un espacio real donde la sentildeal siacute estaacute afectada por otras y por materiales que puede

haber en su camino tenemos la ecuacioacuten (31) Teniendo en cuenta la siguiente tabla con

los factores que hay predeterminados para distintos entornos encontraremos los

resultados teoacutericos [33]

Figura 6-22 Factor n para distintos entornos [33]

Seguacuten el cuadro anterior se escoge el factor 3 ya que se va a comprobar los resultados

para las pruebas dentro de un edificio con puertas abiertas

119889 = 10 119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 3 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 3 lowast log10(10) + 30 lowast 3

minus 3244 = 7164119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

75

119875(119898119882) = 10minus7164

10 = 68 lowast 10minus8119898119882

Tabla 6-2 Distancia vs potencia

D(m) 17 25 27 29 31 32 33 34

Pd (dBm)

-7851 -8353 -8454 -8547 -8634 -8634 -872 -8759

Pd (mW)

14lowast 10minus8

44lowast 10minus8

35lowast 10minus8

28lowast 10minus8

229lowast 10minus8

2lowast 10minus8

19lowast 10minus8

174lowast 10minus8

La potencia miacutenima para transmitir vemos que se encuentra entre 34110minus10mW

y 73010minus11mW

6212 Pruebas en OUTDOOR

Como las siguientes pruebas son al aire libre escogeremos como factor n= 2

119889 = 4119898119890119905119903119900119904

119875119889 = (0119889119861119898 + 22119889119861119898) minus 10 lowast 2 lowast log10(2400119872119867119911) minus 10 lowast 2 lowast log10(4) + 30 lowast 2

minus 3244 = 4988119889119861119898

119875119898119882 rArr 119909119889119861119898 = 10log10119875(119898119882) rArr 119875(119898119882) = 10119909

10

119875(119898119882) = 10minus4988

10 = 102 lowast 10minus5119898119882

D(m) 8 12 16 20 24 32 36 40

Pd (dBm) -559 -599 -6192 -6386 -6544 -6794 -6897 -6988

Pd (mW) 10minus7

25610 114 lowast 10 64 41 285 16 126 102

La potencia miacutenima de transmisioacuten se encuentra entre 16010minus7 mW y 12610minus7mW

76

63 PROCEDIMIENTOS DE DISENtildeO DE MEMBRANA SENSITIVA OBTENIDA

POR EL MEacuteTODO DE FABRICACIOacuteN DE ELECTROSPINNING DE

NANOHILOS Y SU ENSAMBLE EN LA MEMBRANA CON CAPACIDAD

GENERADORA DE ELECTROIMPULSOS PARA LA

ELECTROESTIMULACIOacuteN

Se propone16 un modelo para la relacioacuten entre un modelo de matriz de ensamble y un

Modelo de Campo de Markov Random el cual estaacute basado en la probabiliacutestica de fallos de

hardware y fallos de sentildeales Dado el hecho de que las sentildeales loacutegicas en circuitos

digitales son 0 y 1 se puede demostrar que el modelo de matriz depende del conjunto y

el modelo de Markov campo aleatorio (MRF) tambieacuten Para demostrar este resultado se

debe construir primero que todo un modelo general de un circuito loacutegico Existen tres

formas de interconexioacuten de puertas loacutegicas combinatorias serie paralelo y expansiones

Desde esta perspectiva se puede construir un nuevo modelo de circuito loacutegico de la

siguiente manera La siguiente Figura muestra un circuito loacutegico general donde EN son

las entradas OUT son las salidas El circuito combinatorio en general se puede dividir en

muchas sub-etapas S1 S2 S (n)

Como se muestra en la siguiente figura las diferentes etapas estaacuten conectadas de una

manera en serie Dentro de cada etapa las compuertas se pueden conectar en paralelo o

una de una manera fanout Para las compuertas dentro de cada etapa soacutelo se tiene que

considerar algunas compuertas baacutesicas como lo son el inversor la compuerta NAND la

NOR la AND y la OR ya que otras compuertas se pueden construir utilizando estos

bloques de construccioacuten Para mantener la coherencia y la simplicidad en el caacutelculo de

matriz se puede usar la diagonal de una matriz de identidad (2) para describir una

topografiacutea donde una sentildeal loacutegica se transfiere directamente a traveacutes de una etapa

Tambieacuten podriacutea haber lsquoexpansioacuten de salidarsquo en cada etapa en la que una uacutenica salida

loacutegica estaacute conectada a varias compuertas

Figura 6-23 Circuito loacutegico general

16 Fuente Ensemble Dependent Matrix Methodology for Probabilistic-Based Fault-tolerant Nanoscale Circuit Design Huifei Rao Jie

Chen Changhong Yu Woon Tiong Ang I-Chyn Wey An-Yeu Wu and Hong Zhao Electrical and Computer Engineering Department

University of Alberta Canada

77

Se asume que hay n etapas de entradas a salidas y que el nuacutemero de compuertas en cada

etapa es gk 119896 isin 1 2 hellip 119899 Las entradas de cada etapa son

Primera etapa 1198830 = (11988301 11988302 hellip 11988301199050)

Segunda etapa 1198831 = (11988311 11988312 hellip 11988311199051)

helliphellip

N etapa 119883119899minus1 = (119883119899minus11 119883119899minus12 hellip 119883119899minus1119905119899minus1)

Las salidas finales son 119883119899 = (1198831198991 1198831198992 hellip 119883119899119905119899) donde 1199050 1199051 hellip 119905119899minus1 son los nuacutemeros de

las entradas de cada etapa 119905119899 es el nuacutemero de salidas

Desde el modelo del conjunto de matriz dependiente cada etapa puede ser representada

por una matriz Suponiendo que estas matrices son 1198601 1198602 hellip 119860119899 respectivamente La

matriz de todo el circuito es entonces 119860 = 119860119899 lowast 119860119899minus1 hellip hellip 1198602 lowast 1198601 A es una matriz de

2119905119899 lowast 21199050 donde las filas representan los valores de salida y las columnas representan los

valores de entrada

119860(119894 119895) =

sum sum hellip21199052

119894119899minus2sum sum 119860119899

2119905119899minus1

1198941(119894 1198941) lowast2119905119899minus2

1198942

21199051

119894119899minus1 119860119899minus1(1198941 1198942) hellip lowast 1198602(119894119899minus2 119894119899minus1) lowast

1198601(119894119899minus1 119895) (43)

Desde el modelo de MRF si se fija en la probabilidad marginal de las entradas y las salidas

se tiene que

119875(119883119899 = 119909119899119894 1198830 = 1199090

119895) = sum 119875(119883119899 = 119909119899

119894 119883119899minus1 = 119909119899minus11198941 hellip 1198831 = 1199091

119894119899minus1 1198830 =11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1

1199090119895 ) = sum 119875(1198830 = 1199090

119895 )11989411198942hellip119894119899minus2119894119899minus1 lowast 119875(1198831 = 1199091

119894119899minus1|1198830 = 1199090119895 ) hellip lowast 119875(119883119899 = 119909119899

119894 |119883119899minus1 =

119909119899minus11198941 ) (44)

Donde 119909119896119894 representa el primer valor del vector randoacutemicos 119883119896 119896 120598 012 hellip 119899 y

119894 120598 12 hellip 2119905119896 La segunda ecuacioacuten en (44) viene de la propiedad Markoviana por

ejemplo la probabilidad de que la etapa actual soacutelo dependa de sus fases vecinas

78

Comparando (43) con (44) se puede ver que el lazo izquierdo de ambas ecuaciones

indican la probabilidad de transicioacuten desde jth de la entrada de la primera etapa a la ith de

la salida de la uacuteltima etapa

A continuacioacuten se va a demostrar que estas probabilidades de transicioacuten son las mismas

y por lo tanto estos dos modelos (el disentildeo de la matriz y el disentildeo MRF) convergen

Se puede observar que en el lazo izquierdo de (43) y (44) ambos tienen las

multiplicaciones 21199051 lowast 21199052 hellip 2119905119899minus1 en la sumatoria Cada una de estas multiplicaciones

tiene ademaacutes n teacuterminos Lo que se necesita probar es que 119860119896(119894 119895) en (43) equivale a

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) para cualquier i j y k

Asumiendo que el paso k tiene las compuertas gk donde gk1 es el nuacutemero de las

compuertas normales tales como el inversor la NAND el NOR el AND o la compuerta OR

gk2 es el nuacutemero de la diagonal de la matriz identidad de la compuerta mencionada

anteriormente

119860119896 = (1198601198961⨂1198601198962 hellip ⨂119890119910119890(2) hellip ⨂1198601198961198921198961)119865 F representa la supresioacuten de algunas columnas

del producto tensor en la consideracioacuten de los casos en los que se producen expansiones

Como resultado

119860119896(119894 119895) = 1198601198961(1198941 1198941) lowast 1198601198962(1198942 1198942) hellip 1198601198961198921198961(1198941198921198961

1198941198921198961) = 119901119906 lowast 119902119907 (45)

O 0 cuando no hay propagacioacuten de la probabilidad de jth entrada a la salida ith del estado

k Aquiacute u es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ genera la salida 119894119898

119905ℎ cuando la

compuerta funciona erroacuteneamente V es el nuacutemero de compuertas donde la entrada 119895119898119905ℎ

genera la salida 119894119898119905ℎ cuando la compuerta funciona correctamente

Note que 119898 120598 12 hellip 1198921198961

Si no hay ninguna probabilidad de transicioacuten desde la entrada jth a la salida ith del estado k

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (44) equivale a cero por otra parte

119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) =

119875(1198831198961 = 11990911989611198941 |119883119896minus11) lowast 119875(1198831198962 = 1199091198962

1198942 |119883119896minus12) hellip 119875 (1198831198961198921198961= 1199091198961198921198961

1198941198921198961 |119883119896minus11198921198961= 119909119896minus11198921198961

1198951198921198961 )

(46)

79

Donde 119875(119883119896119898 = 119909119896119898119894119898 |119883119896minus1119898 = 119909119896minus1119898

119895119898) es la probabilidad de transicioacuten de entradas-

salidas de la compuerta m en el estado k De acuerdo al modelo MRF de varias

compuertas esta probabilidad = 11 + 1198901 119870119887119879fraslfrasl equiv 120572 si la entrada 119895119898

119905ℎ genera la salida 119894119898119905ℎ

cuando la compuerta actuacutea correctamente 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) En (46) equivale a

119886119906(1 minus 120572)119907 donde u y v son los mismos que los de (45)

Ahora se puede observar que 119860119896(119894 119895) en (44) equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (46)

si se trata 120572 como la probabilidad de una operacioacuten correcta y 1- 120572 como la probabilidad

de la operacioacuten incorrecta Desde estos resultados se puede concluir que 119860119896(119894 119895) en (43)

equivale a 119875(119883119896 = 119909119896119894 |119883119896minus1 = 119909119896minus1

119895) en (45) para cualquier i j y k

631 CARACTERIacuteSTICAS DEL NANOMATERIAL QUE SE UTILIZA EN EL

NANOSISTEMA

El nanomaterial se comporta en su forma de dualidad onda partiacutecula asimismo la

dualidad de onda partiacutecula hace referencia a la teoriacutea cuaacutentica y a la teoriacutea claacutesica de la

luz

6311 Dualidad onda partiacutecula

De acuerdo con la teoriacutea claacutesica de la luz eacutesta es una radiacioacuten electromagneacutetica que se

propaga por el espacio de forma ondulatoria por lo que se pueden estudiar los

fenoacutemenos que competen a la fiacutesica oacuteptica como la dispersioacuten difraccioacuten interferencia

etc Sin embargo existen dos fenoacutemenos que necesitaban incorporar nuevos conceptos

para poder darles una explicacioacuten la radiacioacuten de cuerpo negro estudiado por Max Planck

y el efecto fotoeleacutectrico por A Einstein Ambos cientiacuteficos mostraron que estos

fenoacutemenos se podiacutean explicar faacutecilmente si se supone que la energiacutea de la luz se halla

concentrada en paquetes discretos de energiacutea que fueron llamados cuantos

La energiacutea que estaacute contenida en un cuanto estaacute definida por la foacutermula

119864 = ℎ119907 (47)

Donde v es la frecuencia y h es la constante de Planck cuyo valor numeacuterico es

ℎ = 662607511990910minus34119895 119904

80

Los cuantos poseen una cantidad de movimiento P (el cual es definido en mecaacutenica claacutesica

como el producto de la masa por la velocidad)

119875 = ℎ119896 (48)

Pero

ℎ =ℎ

2120587

y k es el nuacutemero de onda

119896 =2120587

120582=gt 120582 =

2120587

119896

Entonces

119875 =ℎ

120582 (49)

Que define el momento de un cuanto

6312 Estados cuaacutenticos

De acuerdo a la teoriacutea de Planck el establecioacute que las moleacuteculas solo pueden tener

valores discretos de energiacutea En dados por la ecuacioacuten

En = nhv (50)

Donde n es un entero positivo denominado nuacutemero cuaacutentico Debido a que la energiacutea de

la moleacutecula solo puede tener valores discretos se dice que la energiacutea esta cuantizada

Cada valor de energiacutea es un estado cuaacutentico diferente

Ademaacutes se introdujo el concepto en el que explica que las moleacuteculas emiten o absorben

fotones pasando de un estado cuaacutentico a otro como se muestra en la siguiente figura

81

Figura 6-24 Estados cuaacutenticos [17]

A continuacioacuten se describe los elementos basados en nanotubos de carbono

Los CNT asiacute como los dispositivos electroacutenicos oacutepticos y NEMS (sistemas nano electro

mecaacutenicos) basados en ellos representan uno de los toacutepicos de mayor investigacioacuten en la

nanoelectroacutenica moderna Teoacutericamente los procesos tecnoloacutegicos experimentales

avanzados involucrados en el estudio de las propiedades de CNT y sus aplicaciones Los

CNT tienen una serie de sorprendentes caracteriacutesticas eleacutectricas teacutermicas oacutepticas y

mecaacutenicas que no se encuentran en otros materiales o prevalecen por encima de

cualquier material existente con caracteriacutesticas similares con poco orden de magnitud

Estas propiedades justifican el gran intereacutes en los dispositivos de CNT

Los CNT son cilindros vaciacuteos que pueden ser considerados como hojas enrolladas unas

encima de otras formando capas conceacutentricas de grafene Como se muestra en la

siguiente figura el grafene es una estructura en 2D de estructura tipo panal de abeja

formado por aacutetomos de carbono El CNT de una sola capa de grafito se llama CNT de pared

simple (SWCNT) denomina CNT multicapas (MWCNT) Muy a menudo las propiedades

fiacutesicas de SWCNT difieren significativamente de aquellos de MWCNT y por tanto debe

tenerse cuidado al escoger el tipo de CNT involucrado para una cierta aplicacioacuten

Dependiendo de coacutemo esteacuten enrolladas las capas de grafeno podemos conseguir CNT con

una conduccioacuten metaacutelica o semiconductora este se puede observar en la siguiente graacutefica

si el giro es entorno al eje x es un CNT semiconductor si el giro es entorno al eje y el CNT

es metaacutelico Esta posibilidad notable de enrollarse en cualquier direccioacuten (sea x o y) es

uacutenica para cualquier material conocido La manera en que una hoja se pliega se describe

por dos paraacutemetros chirality o vector C chilar (caracteriacutestica de un cristal o moleacutecula que

no puede ser suacuteper impuesta a su imagen reflejada) y el aacutengulo chiral (teta) El vector

chiral de un CNT el cuaacutel uno dos sitios cristalograacuteficos equivalentes estaacute dado por

82

119862 = 1198991198861 + 1198981198862 (51)

Y los ldquoardquo son vectores unitarios (de las paredes de las celdas) de la celosiacutea del grafene Y

los nuacutemeros n y m son enteros

Figura 6-25 Descripcioacuten esquemaacutetica de la estructura del CNT

El par de nuacutemeros enteros (nm) describen completamente el caraacutecter metaacutelico o

semiconductor de cualquier CNT En general un CNT es metaacutelico si n=m se transforman

en semimetaacutelicos sin n no es igual a m en la ecuacioacuten anterior En la mayoriacutea de

investigaciones se encontraron (nm) CNT metaacutelicos los tambieacuten llamados armchair CNTs

(brazos de silla) y los CNYs caracterizados por (nO) los cuales son semiconductores y se

los denomina CNT zigzag Hay un viacutenculo directo entre el par (nm) y las caracteriacutesticas

geomeacutetricas del CNT

En particular el diaacutemetro CNT estaacute dado por

119889 =119886119888minus119888[3(1198983+119898119899+1198992)]

12

120587=

|119862|

120587 (52)

Donde 119886119888minus119888 = 142 A que es la longitud del enlace del carbono y |119862| es la magnitud del

vector chiral La foacutermula anterior ilustra la importancia del vector chiral su moacutedulo es

igual a la circunferencia del CNT El aacutengulo chiral se define por

120579 = 119905119886119899minus1 [radic3119899

2119898+119899] (53)

Donde el valor 120579 = 30degpara (nn=m) CNT armchair y es igual a 120579 = 60deg para (n0) CNT

zigzag Es comuacuten sin embargo limitar el dominio de 120579al rango (entre 0 y 30deg) entonces

como se muestra en la siguiente figura debido a la simetriacutea se asigna 120579 = 0deg para los CNT

83

zigzag y se considera 120579 = 0deg como el eje referencial o el eje zigzag En lugar del vector

chiral y del aacutengulo chiral el par de enteros (nm) por ejemplo (1010) (90) o (42) pueden

ser usados alternativamente para especificar un CN el diaacutemetro y aacutengulo chiral de eacutestos

pueden calcularse usando las dos ecuaciones anteriores

La amplitud de banda del semiconductor CNT estaacute dado por

119864119892 =4120101119907119865

3119889 (54)

Doacutende

119864119892= energiacutea del bandgap

120101= constante de Planck

d= diaacutemetro del nanotubo

119907119865= velocidad de Fermi

Y toma el valor

119864119892(119890119881) cong09

119889(119899119898) (55)

Para la velocidad de Fermi 119907119865= 8 X 107ms

El valor maacuteximo de voltaje de la compuerta el aumento de este valor genera una

disminucioacuten de los huecos que el campo eleacutectrico transverso abe en el CNT en su

transformacioacuten en semiconductor

119881119892119872119860119883(119881) =1209

119899 ||119899 119890119904 119890119897 119899119906119898119890119903119900 119889119890119897 119862119873119879 (56)

Para campos trasveros deacutebiles hay una relacioacuten universal entre el aumento del hueco

(gap) y el voltaje del hueco (119881119892) dado por la siguiente ecuacioacuten

119899119864119892 = infin(119899 lowast 119881119892 )2 (57)

Donde infin 119890119904 119906119899119886 119888119900119899119904119905119886119899119905119890 119886 0007 (119890119881)minus1

Porque los SWCNT tienen diaacutemetros que van de una fraccioacuten de nanoacutemetro a varios

nanoacutemetros Los semiconductores CNT tienen una amplitud de banda (bandgap) en el

rango de 20 meV a 2 eV En Bandgap (amplitud de banda) disentildeado se logra en el caso del

CNT simplemente cambiando el diaacutemetro del nanotubo

84

Cambiando las propiedades fiacutesicas de los CNT se puede incluir nuevas propiedades en los

dispositivos CNT Si en el CNT cristalino se introducen defectos en la estructura cristalina

como consecuencia se produce un cambio significativo del bandgap los CNT pueden ser

mejorados de muchas maneas que incluyen el dopado absorcioacuten de aacutetomos individuales

o moleacuteculas (hidrogenacioacuten oxigenacioacuten) por deformaciones mecaacutenicas radiales y por la

aplicacioacuten de campos eleacutectricos o magneacuteticos

Independiente del meacutetodo de mejoramiento se modifica profundamente la estructura de

la banda de energiacutea del CNT En particular una transformacioacuten reversible semiconductor-

aislante ocurre en algunos casos lo que cambia completamente las propiedades del

material de CNT o de un arreglo de CNT (MWNT) con consecuencias importantes en los

dispositivos basados en CNT

632 DISENtildeO DE LOS MICROCIRCUITOS LOacuteGICOS MUTABLES

Para este disentildeo se implementara transistor de uso general npn 2n2222 que es muy

comercial y de faacutecil acceso En este disentildeo hay que tener en cuenta que el uso del

transistor seraacute dentro de la zona de saturacioacuten excluyendo de antemano cualquier estudio

de estabilidad paraacutemetros h y solo se haraacute referencia al uso del transistor en la zona de

saturacioacuten

6321 Compuerta mutable NAND y NOR

Para este punto el disentildeo es un circuito que tiene las caracteriacutesticas de una compuerta

NAND ante una sentildeal de control y una compuerta NOR ante la sentildeal inversa de control de

la NAND Se propone el siguiente disentildeo figura 8-24 y la simbologiacutea del circuito

85

Figura 6-26 Circuito operador evolutivo NAND y NOR [8]

Este circuito funciona como una compuerta NAND dado que los transistores se

encuentran trabajando en zona de saturacioacuten seguacuten este concepto el transistor estaacute

trabajando en dos puntos de la recta de carga como un interruptor cerrado o como un

interruptor abierto

Cuando hay una sentildeal de entrada en las bases de los transistores dando por sentado que

un 1 loacutegico equivale a 5v y un cero loacutegico es igual a 0 v se verifica en la siguiente tabla que

Tabla 6-3 Valor de verdad NAND [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

86

Este resultado es equivalente que el de una compuerta NAND que es el caso en el que nos

ocupa Para este caso se obvia que la entrada del transistor de mutacioacuten es cero y por lo

tanto su presencia para el anaacutelisis es innecesaria Siguiendo con explicacioacuten del disentildeo

tomaremos la otra parte en la que el transistor de mutacioacuten genera un nuevo circuito y

cuyo comportamiento se espera sea el de una compuerta nor

En la siguiente figura se puede observar que el transistor de mutacioacuten conecta la dos

bases es decir ante un uno en la entrada comunicara las dos bases y con una sentildeal de un 1

loacutegico tendremos la misma sentildeal en el otro transistor

Figura 6-27 Circuito Operador loacutegico NOR [8]

Una vez maacutes se puede recurrir a la tabla de valores loacutegicos y se puede verificar en la tabla

8-5 que

Tabla 6-4 Tabla de verdad NOR [8]

Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 salida

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

87

Gracias a esta tabla se puede ver que el comportamiento del circuito es el de una

compuerta NOR y que una vez hay un uno loacutegico en la entrada del transistor el circuito se

comporta como un circuito nor

Finalmente se analiza el comportamiento loacutegico del circuito a traveacutes de la tabla 8-6

Tabla 6-5 Tabla de verdad para la compuerta mutable NAND ndash NOR [8]

Sentildeal de mutacioacuten Entrada loacutegica 1 Entrada loacutegica 2 Salida

0 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 0

A continuacioacuten se propone la simbologiacutea en la siguiente figura

Figura 6-28 Siacutembolo operador loacutegico mutable NAND NOR [8]

88

Retomando la figura de caracteriacutesticas nuacutems para esta corriente el transistor estar

trabajando bajo la zona de saturacioacuten por disentildeo y sabiendo de las variaciones de

ganancia y caracteriacutesticas de dopaje que tiene cada dispositivo de la misma familia se

determinoacute trabajar con una corriente de 025 mA esta corriente de la ecuacioacuten de

corriente de base se tendraacute una resistencia de 20 k Las resistencias de 100 k se usan

para aterrizar el circuito y no permitir fluctuaciones en la salida por ruido figura 8-26

Figura 6-29 Circuito de acople de nivel loacutegico [8]

Este circuito proporciona una corriente un poco maacutes alta que la del operador mutable y

ademaacutes ajusta el nivel loacutegico TT l necesario para comunicarse con los micros

Una vez planteados los operadores loacutegicos a implementar y sabiendo ya el resultado de

dichas mutaciones subsiste una pregunta

iquestCuaacutenta sentildeal debe conocer un operador loacutegico para que involucre los cambios necesarios

a la salida

Esta pregunta es importante porque enfoca el problema del arreglo loacutegico y es que si en la

sentildeal es necesario conocer toda la trama de bits o solamente se deben conocer uno bits

de informacioacuten

La solucioacuten a este problema es que para un cambio en una cadena de bits a no ser que la

informacioacuten sea completamente arbitraria y eso no ocurre los cambios de los bits se

hacen armoacutenicamente y para ello se veraacute el conjunto de posibilidades de una entrada de

cuatro bits como se ve en la tabla

89

Tabla 6-6 Cambio armoacutenico binario [8]

lsb hellip msb

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

La entrada 0 es el msb (bit maacutes significativo) y la entrada 2 es el lsb (bit menos

significativo) este anaacutelisis se haraacute para tres bits los necesarios para este disentildeo las

entradas ent1 y ent0 van al operador loacutegico NOR-OR y la entrada al operador loacutegico

NAND-NOR La siguiente tabla 8-8 ilustra el comportamiento loacutegico de la ceacutelula madre

electroacutenica

Tabla 6-7 Salidas de los operadores mutables con sus mutaciones respectivas [8]

Ent2 Ent1 Ent0

Bit

control

or_nor

Op mut

n-or

Salida

1er

operador

Bit de

contro

Nand

nor

Op

mut

usad

Salida

encontrada

Salida

esperada

0 0 0 1 nor 1 1 nor 0 0

0 0 1 0 0r 0 0 nand 1 1

90

0 1 0 0 or 1 0 nor 0 0

0 1 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 0 0 0 or 0 0 nand 1 1

1 0 1 0 or 1 1 nor 0 0

1 1 0 1 nor 0 0 nand 1 1

1 1 1 1 nor 0 1 nor 0 0

En la tabla anterior se observa la salida esperada y la encontrada el operador loacutegico

implementado en cada operacioacuten y su bit de mutacioacuten y las entradas arbitrarias este

ejemplo solo se hizo con la mitad de las posibles salidas por que aun a cada ejemplo citado

falta la solucioacuten inversa con la misma entrada

Seguidamente veremos el esquema electroacutenico del anterior arreglo loacutegico que es

finalmente el disentildeo de la ceacutelula madre electroacutenica circuito figura 8-27

Figura 6-30 Circuito ceacutelula madre electroacutenica [8]

91

64 SIMULACIOacuteN EN MATLAB EL SISTEMA NANOTECNOLOacuteGICO DE

ELECTROESTIMULACIOacuteN BASADOS EN MODELOS CUAacuteNTICOS Y DE

SEMEJANZA POR TECNOLOGIacuteA DE FABRICACIOacuteN DE

ELECTROHILADO PARA VERIFICAR LAS CONDICIONES DE DISENtildeO

A continuacioacuten se observan los elementos correspondientes al sistema de inferencia fuzzy

que se realizoacute para la simulacioacuten del sistema nanotecnoloacutegico con sus respectivas

entradas y salidas

SISTEMA DE INFERENCIA FUZZY (FIS)

VARIABLES DE ENTRADA

92

VARIABLES DE SALIDA

93

REGLAS DEL SISTEMA

94

95

96

SUPERFICIE

97

7 CONCLUSIONES

Se ha cumplido con los objetivos del proyecto de grado difundiendo los conceptos y

teacutecnicas de disentildeo para la fabricacioacuten de la membrana basada en el meacutetodo de

electrohilado para un electroestimulador

Se logra obtener el disentildeo del sistema de fusificacioacuten con el fin de obtener las entras y

salidas del sistema para lograr un comportamiento adecuado para un sistema de

electroestimulacioacuten por tecnologiacutea de electrohilado

A partir de los modelos matemaacuteticos de los circuitos a micro y nanoescala tanto geneacutericos

como evolutivos para el hardware a disentildear en un futuro se concluye que se logroacute el

disentildeo de los circuitos de medicioacuten del nanosensor control inteligente y el accionaiento

del nanoactuador a escala nanotecnoloacutegica

Partiendo de los modelos de la teoriacutea cuaacutentica se lograron establecer los algoritmos de

simulacioacuten de los sistemas nanotecnoloacutegicos para el nanosensor-controlador-

nanoactuador mediante las relaciones de comportamiento y los criterios de semejanza

por la metodologiacutea de disentildeo Top Dowm

Se logroacute crear un dimensionamiento a nanoescala para trabajar en los prototipos que se

vayan a disentildear y a fabricar para aplicaiones meacutedicas maacutes especiacuteficamente en terapias de

electroestimulacioacuten mediante el uso de la teoriacutea cuaacutentica y demaacutes

Para el caso de los procedimientos de disentildeo de membrana sensitiva obtenida por el

meacutetodo de fabricacioacuten de electrospinning de nanohilos y su ensamble en la membrana

con capacidad generadora de electroimpulsos para la electroestimulacioacuten se deja

estipulado el meacutetodo de fabtricacioacuten de eacutesta membrana y para trabajos fguturos el disentildeo

y simulacioacuten de eacutesta mediante el uso de la herramienta de Coventor

Se obtiene una clara y concisa informacioacuten en referente a la nanotecnologiacutea la

electroestimulacioacuten las corrientes de electroestimulacioacuten la teacutecnica de electrohilado

(electrospinning) y demaacutes

98

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