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La fotónica, la tecnología del futuro

Podemos definir la Fotónica como el conjunto de tecnologías que utilizan la luz como elemento para generar aplicaciones de todo tipo. Se trata de una tecnología fundamental para la vida moderna y para el crecimiento económico, que ha habilitado otras tecnologías clave (como por ejemplo, la fabricación avanzada de alta precisión), ha revolucionado las herramientas de diagnóstico y terapia médica (diagnóstico por la imagen, análisis clínicos, secuenciadores genéticos, cirugía avanzada…), ha contribuido a transformar el panorama energético incidiendo en tecnologías relacionadas con la generación y el aprovechamiento de la energía (energía solar, iluminación eficiente…) o nos ha permitido disponer de redes de comunicaciones sin las cuales, hoy en día, Internet no existiría. En el futuro a corto plazo, la fotónica está llamada a ser una tecnología clave en la diagnosis y tratamiento de enfermedades, en el desarrollo de nuevas fuentes de energía limpia como la energía de fusión o también, en jugar un papel decisivo en las crecientes demandas de almacenamiento de información y capacidad de cálculo, o en la agricultura de precisión.

En este escenario de presente y futuro, la Fotónica se consolida como una de las tecnologías que ofrece un mayor potencial de impacto en la sociedad en las próximas décadas, en términos económicos y de bienestar de la población. Por este motivo, la Unión Europea la ha identificado como una de las Key Enabling Technologies en los programas Horizon 2020 y Horizon Europe, y también, la Generalitat de Cataluña la ha incorporado como tecnología facilitadora en la estrategia RIS3CAT.

Ya hace más 40 años que el Campus de la UPC de Terrassa constituye un núcleo destacado en el ámbito de la fotónica, aglutinando a una serie de agentes que juegan papeles muy complementarios. La UPC aporta formación a través de la Facultad de Óptica y Optometría de Terrassa y de la Escuela de Ingeniería, desarrolla investigación básica en fotónica a través de diversos grupos (DONLL, GREO, etc.) y apoya la transferencia de tecnologías fotónicas a la industria a través de la investigación aplicada desarrollada en el CD6, que también ha fomentado el emprendimiento con la creación de hasta 12 nuevas empresas de base tecnológica.

La aplicación de soluciones tecnológicas a la resolución de problemas de la sociedad o al desarrollo de nuevos servicios, se canaliza normalmente a través de mecanismos de transferencia de conocimiento en las empresas. Uno de los campos en los que el impacto es más evidente, es en el ámbito de la medicina. Desde el CD6 se han articulado colaboraciones estables con diversas instituciones hospitalarias nacionales e internacionales. Estas colaboraciones permiten la identificación de necesidades por parte de los profesionales de la medicina y el impulso conjunto de proyectos de desarrollo tecnológico que buscan aportar soluciones basadas en la utilización de la luz (fotónica). Desde el CD6 se ha contribuido con éxito a dos ámbitos: la mejora del diagnóstico médico mediante la tecnología de imagen espectral y al diagnóstico de trastornos oculares.

Mejora del diagnóstico médico mediante la tecnología de imagen espectral

La tecnología de imagen espectral o multiespectral, en inglés multispectral imaging, se ha revelado en los últimos años como una herramienta de gran potencial para la mejora del diagnóstico médico. Esta ciencia aúna los beneficios de la tecnología de la imagen convencional con la espectroscopia tradicional. Es decir, en cada píxel de un sensor se obtiene información espectral de la muestra bajo análisis, y no sólo del color como hacen la mayoría de cámaras digitales convencionales. Esta información puede ser mucho más adecuada que el color para muchas aplicaciones, puesto que las propiedades espectroscópicas como la reflectancia o la transmitancia dependen, en gran medida, de las propiedades químicas del material que se está analizando. Así, esta tecnología permite realizar un análisis espectral con resolución espacial (punto a punto), en contraste con los espectrofotómetros convencionales, por lo que se pueden estudiar muestras que no sean uniformes. Además, el estudio de las muestras se realiza de forma no destructiva, con una preparación mínima de las mismas y de forma rápida.

La obtención del conjunto de imágenes espectrales (o cubo espectral) se logra a partir de la adquisición de imágenes de la muestra a través de muchos más canales que los tres empleados tradicionalmente, es decir, el rojo, el verde y el azul (RGB). El registro de dichos canales, o bandas espectrales, pueden conseguirse iluminando la muestra con una fuente de luz de emisión espectral ancha, es decir, blanca, y filtrando la luz en bandas estrechas a lo largo del rango espectral de interés (mediante diferentes filtros pasa-banda o utilizando un filtro sintonizable), o incluyendo un espectrógrafo (en sistemas de exploración lineal tipo pushbroom). Más recientemente, también se han utilizado configuraciones en las que se utilizan fuentes de luz tipo LED (diodos emisores de luz) para iluminar directamente la muestra en bandas espectrales estrechas, simplificando así el diseño y reduciendo el coste de los sistemas.

Con esta tecnología, se ha logrado mejorar el diagnóstico del cáncer de piel, se ha desarrollado una nueva generación de retinógrafos, que son los equipos utilizados para estudiar la retina y también se ha avanzado en el diagnóstico de enfermedades hematológicas que afectan a glóbulos rojos de la sangre. En este último caso, las alteraciones de dichas células pueden provocar enfermedades sanguíneas muy severas si no se diagnostican a tiempo, siendo especialmente sensible y crítico el diagnóstico en la población infantil.

El diagnóstico de trastornos oculares

El sentido de la vista juega un papel crucial en la relación del ser humano con su entorno, ya que proporciona alrededor del 75% de la información que recibe. Así, los trastornos relacionados con el sistema visual generan un alto impacto en la calidad de vida de las personas. El amplio abanico de disfunciones o patologías oculares comprende desde los errores refractivos del ojo (miopía, hipermetropía y astigmatismo), hasta patologías retinales que pueden causar ceguera total o parcial (degeneración macular, glaucoma…), pasando por malformaciones o degradaciones de la córnea o el cristalino (queratocon, catarata…), o alteraciones del sistema oculomotor. Un diagnóstico eficaz y temprano de estos trastornos puede ayudar a determinar y guiar el tratamiento más adecuado en cada caso, con el consecuente beneficio tanto social (aumento del bienestar del paciente) como económico (ahorro en el sistema sanitario).

En ese aspecto, la fotónica juega un papel clave. La luz ha constituido históricamente una herramienta básica para el profesional de la visión, dada la relación entre ésta y el sistema visual. Pero ha sido en los últimos años, gracias a la revolución de las técnicas basadas en la fotónica, cuando se ha incrementado sustancialmente la contribución de las técnicas ópticas a la mejora del diagnóstico y tratamiento de enfermedades oculares, al posibilitar la obtención de información sobre la morfología y funcionalidad del ojo de forma objetiva y no invasiva.

De la experiencia en esta área han surgido recientemente nuevas líneas de trabajo, como la que ha permitido desarrollar instrumental para la medida de la estabilidad de la lágrima basada en la degradación del reflejo corneal, el desarrollo y perfeccionamiento de nuevas técnicas de imagen ocular, o el desarrollo de técnicas orientadas a la evaluación objetiva y automática de la función visual mediante sistemas de realidad virtual y su aplicación en el ámbito de las disfunciones oculares.

Agricultura de precisión (Smart farming)

La agricultura, la ganadería y la pesca, son sectores de actividad que tienen miles de años de existencia y que, desde el punto de vista tecnológico, han evolucionado para satisfacer la creciente demanda de productos alimenticios básicos. Las innovaciones tecnológicas se han orientado no sólo a incrementar la productividad y la calidad del producto final, sino también en la dirección de minimizar el impacto ecológico de estas actividades a gran escala. Es en este último ámbito donde la fotónica juega un papel decisivo.

Uno de los ejemplos es el control de plagas. En los últimos 100 años, el control de plagas se ha realizado mediante la utilización de pesticidas. Las nuevas regulaciones intentan minimizar su uso ya que en algunas ocasiones puede llegar a tener impactos negativos tanto en el medio ambiente como en la seguridad alimentaria. La industria química ha modificado la estrategia de contención de plagas utilizando sistemas basados ​​en las feromonas de insectos. Las feromonas son sustancias químicas secretadas para facilitar el apareamiento en las épocas de reproducción y son específicas para cada especie. La estrategia de control de plagas pasa por monitorizar con precisión el número de individuos de una determinada especie, presentes en el campo. Una vez se alcanza un valor determinado, entonces se aplican las feromonas que pueden actuar de dos formas: evitando que machos y hembras se encuentren (confusión) o depositando la feromona en trampas donde se capturan a los individuos macho (Atract & Kill).

En todo este proceso, la fotónica permite que el recuento del número de individuos se realice automáticamente y con elevada precisión. El método actual se basa en el recuento manual de trampas que pueden contener miles de individuos que suelen estar mezclados con insectos de otras especies. La eficacia del control de plagas con feromonas depende fuertemente de la calidad de estos recuentos y las soluciones fotónicas permiten la identificación y recuento de los individuos de una especie concreta.

Las aplicaciones en este campo son muy numerosas. A modo de ejemplo se puede citar la monitorización de viñedos utilizando sensores multiespectrales montados en drones, que nos permiten saber el estado de los viñedos y predecir la calidad y cantidad de la producción, o la medida de nitratos y fosfatos presentes en el suelo, ayudando de esta forma a hacer un uso sostenible de los abonos.