Podem definir la Fotònica com el conjunt de tecnologies que utilitzen la llum com a element per generar aplicacions de tota mena. Es tracta d’una tecnologia fonamental per a la vida moderna i el creixement econòmic, que ha habilitat d’altres tecnologies clau (com per exemple, la fabricació avançada d’alta precisió), ha revolucionat les eines de diagnòstic i teràpia mèdica (diagnosi per la imatge, anàlisis clíniques, seqüenciadors genètics, cirurgia avançada…), ha contribuït a transformar el panorama energètic incidint en tecnologies relacionades amb la generació i l’aprofitament de l’energia (energia solar, il·luminació eficient…) o ens ha permès disposar de xarxes de comunicacions sense les quals, avui en dia, Internet no existiria. En el futur a curt termini, la fotònica està cridada a ser una tecnologia clau en la diagnosi i tractament de malalties, en el desenvolupament de noves fonts d’energia neta com ara l’energia de fusió o també, a jugar un paper decisiu en les creixents demandes d’emmagatzemament d’informació i capacitat de càlcul, o en l’agricultura de precisió.
En aquest escenari de present i de futur, la Fotònica es consolida com una de les tecnologies que ofereix un major potencial d’impacte en la societat en les pròximes dècades, en termes econòmics i de benestar de la població. Per aquest motiu, la Unió Europea l’ha identificat com una de les Key Enabling Technologies en els programes Horizon 2020 i Horizon Europe, i també, la Generalitat de Catalunya l’ha incorporat com a tecnologia facilitadora en l’estratègia RIS3CAT.
Ja fa més 40 anys que el Campus de la UPC de Terrassa constitueix un nucli destacat en l’àmbit de la fotònica aglutinant un seguit d’agents que juguen papers molt complementaris. La UPC aporta formació a través de la Facultat d’Òptica i Optometria de Terrassa i de l’Escola d’Enginyeria, desenvolupa recerca bàsica en fotònica a través de diversos grups (DONLL, GREO, etc.) i dona suport a la transferència de tecnologies fotòniques a la indústria a través de la recerca aplicada desenvolupada en el CD6, que també ha fomentat l’emprenedoria amb la creació de fins a 12 noves empreses de base tecnològica.
L’aplicació de solucions tecnològiques a la resolució de problemes de la societat o al desenvolupament de nous serveis, es canalitza normalment a través de mecanismes de transferència de coneixement a les empreses. Un dels camps on l’impacte és més evident, és en l’àmbit de la medicina. Des del CD6 s’han articulat col·laboracions estables amb diverses institucions hospitalàries nacionals i internacionals. Aquestes col·laboracions, permeten la identificació de necessitats per part dels professionals de la medicina i l’impuls conjunt de projectes de desenvolupament tecnològic que busquen aportar solucions basades en la utilització de la llum (fotònica). Des del CD6 s’ha contribuït amb èxit en dos àmbits: la millora del diagnòstic mèdic mitjançant la tecnologia d’imatge espectral i el diagnòstic de trastorns oculars.
Millora del diagnòstic mèdic mitjançant la tecnologia d’imatge espectral:
La tecnologia d’imatge espectral o multiespectral, en anglès multispectral imaging, s’ha revelat els darrers anys com una eina de gran potencial per a la millora del diagnòstic mèdic. Aquesta ciència uneix els beneficis de la tecnologia de la imatge convencional amb l’espectroscòpia tradicional. És a dir, a cada píxel d’un sensor s’obté informació espectral de la mostra sota anàlisi, i no només del color com fan la majoria de càmeres digitals convencionals. Aquesta informació pot ser molt més adient que el color per a moltes aplicacions, ja que les propietats espectroscòpiques com ara la reflectància o la transmitància depenen, en gran mesura, de les propietats químiques del material que s’està analitzant. Així, aquesta tecnologia permet fer una anàlisi espectral amb resolució espacial (punt a punt), en contrast amb els espectrofotòmetres convencionals, per la qual cosa es poden estudiar mostres que no siguin uniformes. A més, l’estudi de les mostres es fa de manera no destructiva, amb una preparació mínima de les mateixes i de manera ràpida.
L’obtenció del conjunt d’imatges espectrals (o cub espectral) s’aconsegueix a partir de l’adquisició d’imatges de la mostra a través de molts més canals que els tres emprats tradicionalment, és a dir, el vermell, el verd i el blau (RGB). El registre dels canals esmentats, o bandes espectrals, es poden aconseguir il·luminant la mostra amb una font de llum d’emissió espectral ampla, és a dir, blanca, i filtrant la llum en bandes estretes al llarg del rang espectral d’interès (per mitjà de diferents filtres passa-banda o utilitzant un filtre sintonitzable), o bé incloent-hi un espectrògraf (en sistemes d’exploració lineal tipus pushbroom). Més recentment, també s’han fet servir configuracions en què s’utilitzen fonts de llum tipus LED (díodes emissors de llum) per il·luminar directament la mostra en bandes espectrals estretes, simplificant així el disseny i reduint el cost dels sistemes.
Amb aquesta tecnologia, s’ha aconseguit millorar el diagnòstic del càncer de pell, s’ha desenvolupat una nova generació de retinògrafs, que són els equips utilitzats per estudiar la retina i també s’ha avançat en el diagnòstic de malalties hematològiques que afecten als glòbuls vermells de la sang. En aquest darrer cas, les alteracions de les cèl·lules esmentades poden provocar malalties sanguínies molt severes si no es diagnostiquen a temps, sent especialment sensible i crític el diagnòstic en la població infantil.
El diagnòstic de trastorns oculars
El sentit de la vista juga un paper crucial en la relació de l’ésser humà amb el seu entorn, ja que proporciona al voltant del 75% de la informació que en rep. Així, els trastorns relacionats amb el sistema visual generen un alt impacte a la qualitat de vida de les persones. L’ampli ventall de disfuncions o patologies oculars comprèn des dels errors refractius de l’ull (miopia, hipermetropia i astigmatisme), fins a patologies retinals que poden causar ceguesa total o parcial (degeneració macular, glaucoma…), passant per malformacions o degradacions de la còrnia o el cristal·lí (queratocon, cataracta…), o alteracions del sistema oculomotor. Un diagnòstic eficaç i primerenc d’aquests trastorns pot ajudar a determinar i guiar el tractament més adequat en cada cas, amb el conseqüent benefici tant social (augment del benestar del pacient) com econòmic (estalvi al sistema sanitari).
En aquest aspecte, la fotònica juga un paper clau. La llum ha constituït històricament una eina bàsica per al professional de la visió, atesa la relació entre aquesta i el sistema visual. Però ha estat els darrers anys, gràcies a la revolució de les tècniques basades en la fotònica, quan s’ha incrementat substancialment la contribució de les tècniques òptiques a la millora del diagnòstic i tractament de malalties oculars en possibilitar l’obtenció d’informació sobre la morfologia i funcionalitat de l’ull de manera objectiva i no invasiva.
De l’experiència en aquesta àrea han sorgit recentment noves línies de treball, com la que ha permès desenvolupar instrumental per a la mesura de l’estabilitat de la llàgrima basada en la degradació del reflex corneal, el desenvolupament i perfeccionament de noves tècniques d’imatge ocular o el desenvolupament de tècniques orientades a l’avaluació objectiva i automàtica de la funció visual mitjançant sistemes de realitat virtual i la seva aplicació a l’àmbit de les disfuncions oculars.
Agricultura de precisió (Smart farming)
L’agricultura, la ramaderia i la pesca, són sectors d’activitat que tenen milers d’anys d’existència i que, des del punt de vista tecnològic, han evolucionat per satisfer la creixent demanda de productes alimentaris bàsics. Les innovacions tecnològiques s’han orientat no només a incrementar la productivitat i la qualitat del producte final, si no també en la direcció de minimitzar l’impacte ecològic d’aquestes activitats a gran escala. És en aquest darrer àmbit on la fotònica juga ja un paper decisiu.
Un dels exemples és el control de plagues. En els darrers 100 anys, el control de plagues s’ha dut a terme mitjançant la utilització de pesticides. Les noves regulacions intenten minimitzar el seu ús ja que en algunes ocasions, pot arribar a tenir impactes negatius tant en el medi ambient com en la seguretat alimentària. La indústria química ha modificat l’estratègia de contenció de plagues utilitzant sistemes basats en les feromones dels insectes. Les feromones són substàncies químiques secretades per facilitar l’aparellament en les èpoques de reproducció i són específiques per a cada espècie. L’estratègia de control de plagues passa per monitoritzar amb precisió el nombre d’individus d’una determinada espècie, presents en el camp. Un cop s’assoleix un valor determinat, llavors s’apliquen les feromones que poden actuar de dues maneres: evitant que mascles i femelles es trobin (confusió) o dipositant la feromona en trampes on es capturen els individus mascle (Atract & Kill).
En tot aquest procés, la fotònica permet que el recompte del nombre d’individus es faci automàticament i amb una elevada precisió. El mètode actual es basa en el recompte manual de trampes que poden contenir milers d’individus que solen estan barrejats amb insectes d’altres espècies. L’eficàcia del control de plagues amb feromones, depèn fortament de la qualitat d’aquests recomptes i les solucions fotòniques permeten la identificació i recompte dels individus d’una espècie concreta.
Les aplicacions en aquest camp són molt nombroses. A tall d’exemple es pot citar la monitorització de vinyes utilitzant sensors multiespectrals muntats en drons, que ens permeten saber l’estat de les vinyes i predir la qualitat i quantitat de la producció, o la mesura de nitrats i fosfats presents en el sòl, ajudant d’aquesta manera a fer un ús sostenible dels adobs.
