Lunes, 27 Septiembre 2021 13:41

Así es como la Estación Espacial Internacional ha resuelto uno de sus grandes retos: nos lo explica el ingeniero de IBM que ha liderado este proyecto de NASA

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Los desafíos técnicos que plantea sostener en el tiempo una instalación tan compleja como la Estación Espacial Internacional son numerosos. Y, además, algunos de ellos son críticos y muy difíciles de resolver. Proteger la salud de los astronautas, que se encuentran sometidos durante varios meses consecutivos a los efectos de la microgravedad y la radiación cósmica, es crucial, y una herramienta que contribuye a hacerlo posible es la secuenciación del ADN a bordo de la propia estación.

Utilizando esta tecnología es posible monitorizar su salud con mucha precisión porque, entre otros factores, les permite identificar microbios y otros agentes infecciosos. Además, resulta muy valiosa para llevar a buen puerto algunos de los experimentos con organismos vivos que se están realizando actualmente en la Estación Espacial Internacional. Sin embargo, la secuenciación del ADN plantea un gran problema: cada muestra genera aproximadamente medio terabyte de información, y es necesario enviar esos datos a la Tierra para que sean procesados.

 
La secuenciación del ADN plantea un gran problema: cada muestra genera aproximadamente medio 'terabyte' de información, y es necesario enviar esos datos a la Tierra para que sean procesados

El informe que contiene el resultado de la secuenciación tarda entre seis y ocho semanas en estar listo y a disposición de los astronautas. Demasiado tiempo. Los técnicos de NASA enseguida se dieron cuenta de que esa latencia no es asumible, y pusieron en marcha un proyecto que perseguía resolver este problema de la forma más eficaz posible. Y aquí entra en escena nuestro protagonista. Se llama Naeem Altaf, y es el director de tecnología espacial de IBM. Es una persona joven, pero, curiosamente, trabaja en esta compañía desde hace 20 años, y durante su periplo profesional ha pronunciado numerosas conferencias y ha desarrollado varias patentes.

No obstante, ante todo Naeem es un experto en edge computing, un paradigma de computación distribuida con una enorme proyección de futuro que podemos identificar en español como computación en la frontera o computación de frontera. Precisamente él ha sido el ingeniero que ha liderado el proyecto de NASA responsable de resolver el problema derivado del procesado de los datos que genera la secuenciación del ADN en la Estación Espacial Internacional. Hemos tenido la ocasión de hablar con él largo y tendido, y nos ha contado con todo lujo de detalles los pormenores de este proyecto tan apasionante. Esto es lo que nos ha explicado Naeem.

La computación de frontera ha resuelto uno de los grandes problemas de NASA

Como acabamos de ver, el germen del proyecto de NASA en el que vamos a indagar en este artículo es la computación de frontera, por lo que es una buena idea pedir a Naeem que nos explique de la forma más didáctica posible en qué consiste esta tecnología y qué implica en la práctica. Esta es su respuesta:

«Una manera sencilla de definir qué es la computación de frontera consiste en identificarla como la capacidad de procesar los datos allí donde están siendo generados. En esencia lo que estamos haciendo es reducir la necesidad de mover la información. Para hacerlo posible necesitas tener un modelo en esa ubicación que sea capaz de procesar los datos de entrada y entregarnos como salida una acción o una recomendación derivada de esa entrada», nos explica Naeem.

Su respuesta nos invita a intuir que la computación de frontera debe necesariamente acarrear ventajas desde el punto de vista de la reducción de la latencia derivada del procesado de la información. Pero esto no es todo. También debería ayudar a mermar el tráfico que circula por la red involucrada en la comunicación entre el lugar en el que se generan los datos y la ubicación en la que inicialmente se procesaban.

Naeem nos explica con detalle cuál es el propósito del proyecto que ha liderado para NASA:

«La Estación Espacial Internacional es un laboratorio fruto de la colaboración entre muchos países, y su función primordial es permitirnos llevar a cabo experimentos en condiciones de microgravedad. Todos los días se realizan muchos experimentos en estas instalaciones, y la mayor parte de ellos genera una gran cantidad de datos. Precisamente, esta estación es un caso extremo de computación de frontera si tomamos como referencia la Nube», apunta Naeem.

«Los smartphones y los coches autónomos con los que todos estamos familiarizados son algunos de los casos de uso de la computación de frontera. La Estación Espacial Internacional va un poco más lejos porque se encuentra en órbita, pero esencialmente es lo mismo. Este proyecto nació de la mano de los equipos de NASA y la propia estación con el propósito de identificar cuáles son los experimentos que generan un mayor volumen de datos, y también de entender cómo podemos lidiar con la necesidad de procesarlos».

«Uno de los experimentos que enseguida reclamó nuestra atención fue la secuenciación del ADN. En la estación hay un secuenciador utilizado por los astronautas, entre otras cosas, para analizar muestras y buscar microbios, y cada análisis genera aproximadamente medio terabyte de información. Esta tecnología nos permite monitorizar la salud de los astronautas e identificar enfermedades infecciosas. Actualmente es necesario enviar todos esos datos a los centros de cálculo de la Tierra para que puedan ser procesados, y esta estrategia plantea varios problemas», nos asegura Naeem.

«El más relevante consiste en que el enlace de comunicación de la Estación Espacial Internacional con la Tierra también se utiliza para muchas otras cosas, y algunas son críticas, por lo que no siempre está disponible para transferir los datos derivados de los experimentos. Después de analizar a fondo este escenario nos dimos cuenta de que una forma eficaz de resolver este desafío consistía en llevar a cabo el procesado de los datos en el mismo lugar en el que se generan implementando una solución inspirada en el paradigma de la computación de frontera. Y para hacerlo posible recurrimos a los equipos Spaceborne Computer-2 (SBC-2) fabricados por HPE (Hewlett Packard Enterprise), a la plataforma multicloud híbrida IBM Cloud sobre el sistema operativo Red Hat y al gestor de contenedores Kubernetes».

«Una vez que tuvimos toda la plataforma a punto con el nuevo código preparamos una prueba generando datos en bruto con el secuenciador de ADN, y los equipos SBC-2 se encargaron de llevar a cabo el procesado en la Estación Espacial Internacional. Era justo lo que estaba buscando NASA. Todo el proceso requirió invertir entre 6 y 8 horas, por lo que era perfectamente posible llevarlo a cabo en un solo día. Bastaba un único día para tomar la muestra con el secuenciador, procesarla y obtener el resultado del análisis, que es un informe que pesa menos de un megabyte y que puede ser enviado rápidamente a la Tierra», concluye Naeem dando muestras claras de su satisfacción con el resultado del proyecto.

«La computación de frontera está demostrando ser muy útil en la Estación Espacial Internacional, pero hay otros escenarios de uso en los que también encaja a la perfección. Actualmente algunos científicos están desarrollando su investigación en áreas remotas del planeta, como la Antártida, el Polo Norte o en desiertos. Si cada vez que toman una muestra se ven obligados a enviarla a su laboratorio para que sea analizada, y después tienen que esperar la llegada de los resultados, su investigación se ralentiza mucho. Pero gracias a la computación de frontera pueden tomar sus muestras y tener los resultados del análisis solo unas horas después. Es el mismo concepto que hemos trasladado al espacio», nos asegura este técnico.

Antes de concluir su explicación Naeem remarca lo importante que es para NASA haber conseguido reducir la latencia que implicaba el procesado de la información generada por la secuenciación del ADN. Esta mejora es crucial porque permite al personal de la agencia espacial y a los astronautas que se encuentran en la estación reaccionar mucho más rápido frente a cualquier contingencia que pueda comprometer su salud:

«Este proyecto nos ha permitido reducir drásticamente el tiempo que los científicos de la Estación Espacial Internacional deben esperar desde el momento en el que toman las muestras hasta que reciben el resultado del análisis. Originalmente se veían obligados a esperar entre seis y ocho semanas, y ahora gracias a la infraestructura que hemos diseñado solo tienen que esperar varias horas. En un solo día, o, en el peor de los casos, en dos días, ya tienen a su disposición el análisis de las muestras que han tomado. En este ámbito la computación de frontera marca una gran diferencia», concluye Naeem.

La estancia en la Estación Espacial implica riesgos serios para la salud

Cuando el ser humano deja atrás el ambiente protector de la Tierra se ve expuesto a multitud de amenazas que pueden comprometer seriamente su salud. Naeem nos explica por qué es tan importante que las agencias espaciales hagan todo lo que está en su mano para proteger a los astronautas no solo de las amenazas más evidentes, sino también de las que aparentemente son más nimias, como, por ejemplo, los microbios:

«En las misiones que tienen lugar en el espacio, no solo dentro de la Estación Espacial Internacional, sino también en todas las demás, como, por ejemplo, la que en el futuro nos permitirá viajar a Marte, es esencial monitorizar la salud de los astronautas. La exposición a la radiación cósmica es uno de los riesgos a los que se enfrentan, pero hay otras muchas amenazas para su salud, como, por ejemplo, la posible proliferación de microbios. Cuidar al máximo la salud de los astronautas es crucial porque, en primer lugar, tienen ese derecho, y, además, si su salud no es óptima la misión puede quedar comprometida», apunta Naeem.

«En este contexto, más allá de la enorme relevancia que tiene la posibilidad de llevar a cabo la secuenciación del ADN con rapidez, el traje espacial que utilizan los astronautas tiene una enorme importancia debido a que incorpora la tecnología necesaria para monitorizar constantemente los parámetros vitales de su organismo. De hecho, este traje es en sí mismo un dispositivo que también se beneficia de la computación de frontera debido a su capacidad de recoger muestras, analizarlas y tomar decisiones a partir de los resultados que ha obtenido. Si es necesario el traje puede por sí mismo emitir una alerta para reaccionar rápidamente ante cualquier circunstancia que amenace la salud de un astronauta», concluye el ingeniero de IBM.

La computación de frontera tiene muchas aplicaciones. Muchísimas, en realidad. Como estamos comprobando está resultando muy valiosa para las personas que pasan largos periodos de tiempo en la Estación Espacial Internacional, pero también puede marcar la diferencia en muchos otros ámbitos. Incluso puede ayudarnos a identificar vida en otros planetas. Naeem nos explica por qué.

«Nosotros estamos involucrados en algunas aplicaciones de esta tecnología, pero hay muchas otras. Actualmente también colaboramos con un grupo de científicos que trabaja en Lhasa, en el Tíbet, y que está estudiando la salud de las plantas cuando están sometidas a la gran altitud de esta ciudad. Están combinando la computación de frontera y el aprendizaje profundo para identificar cuándo la salud de las plantas se degrada, y están obteniendo muy buenos resultados», señala Naeem.

«Y en lo que se refiere a la detección de vida fuera de nuestro planeta, que es una iniciativa que estará presente en las próximas misiones a la Luna y Marte, sí, definitivamente la computación de frontera puede marcar la diferencia. Gracias a ella será posible acceder con mucha rapidez a la información, que es lo que ya están consiguiendo los astronautas de la Estación Espacial Internacional que se están encargando de la secuenciación del ADN. No sería viable tener que esperar semanas, o incluso meses, hasta que estén disponibles los resultados de las muestras».

«Creo que en el futuro veremos cómo la computación de frontera se expande con rapidez, especialmente en los proyectos que tendrán lugar en el espacio. En ellos será posible trabajar de una forma completamente autónoma y sin necesidad de enviar de forma frecuente abundante información a la Tierra. Lo podrán hacer todo por sí mismos. Y probablemente las empresas que fabricarán los dispositivos y desarrollarán el software de computación de frontera abrirán sus API. Los proveedores de software, como nosotros, podemos construir nuestros modelos y transferirlos sin dificultad a los dispositivos en los que van a ser ejecutados», concluye este experto.

Todos los proyectos de cierta envergadura se enfrentan a desafíos, y el que ha liderado Naeem para NASA no ha sido una excepción a esta regla tan firmemente asentada. Este técnico nos explica cuáles han sido los factores que se lo han puesto más difícil a pesar de que, afortunadamente, el proyecto finalmente ha llegado a buen puerto:

«El principal reto al que nos hemos enfrentado son los datos. Están en el corazón mismo del aprendizaje automático. No nos vale cualquier dato; necesitamos buenos datos. Los científicos invierten muchísimo tiempo en limpiar la información con la que trabajan debido principalmente a que en los datos se cuela mucho ruido; mucha información de la que no es posible extraer conocimiento. Si, además, el volumen de datos es muy grande, el tiempo que es necesario invertir en la limpieza puede ser enorme».

«Otro desafío que también es muy importante es la necesidad de compartir los datos. Y no es nada fácil resolverlo porque no todo el mundo está dispuesto a compartir la información que genera o maneja debido a la existencia de una multitud de restricciones de todo tipo. En resumen yo diría que los principales retos a los que nos enfrentamos son garantizar la calidad de los datos con los que trabajamos, asegurar que tenemos la cantidad de información necesaria para extraer el aprendizaje correcto, y, por último, hacer posible el acceso a los datos», sintetiza Naeem.

La computación de frontera y el 5G dibujan un futuro esperanzador

Antes de concluir nuestra conversación no dejé escapar la oportunidad de preguntar a Naeem acerca del rol que tiene la tecnología 5G en el contexto de la computación de frontera. Es fácil intuir que estas dos innovaciones forman un tándem muy sólido capaz de marcar la diferencia en muchos ámbitos. Y sí, Naeem confirma estas sospechas de una forma contundente:

«La computación en la Nube comenzó hace algo más de una década, y creo firmemente que estamos iniciando el siguiente salto evolutivo de esta tecnología debido a que los sensores, los dispositivos que generan datos, están por todas partes. Casi todo es un sensor. Los smartphones, los termostatos, los coches autónomos… todos estos dispositivos ya están utilizando la computación de frontera. Pero, además, la industria también se está beneficiando de una forma muy profunda de esta tecnología».

«Si una empresa tiene una gran fábrica puede mantener todos sus dispositivos interconectados a través de una red 5G de alta velocidad. Estos dispositivos son inteligentes, por lo que pueden comunicarse con los demás elementos de la red de una forma proactiva e inteligente para optimizar su funcionamiento e incrementar la productividad de la fábrica. Este es el futuro. La computación en la Nube tal y como la conocíamos va a quedar en el pasado debido a que esta tecnología está migrando hacia un modelo de computación de frontera en el que la conectividad 5G juega un rol protagonista», sentencia Naeem.

«De hecho, creo que el próximo gran paso consistirá en extender los satélites de comunicaciones 5G para garantizar la cobertura fuera de las áreas metropolitanas. Cuando te alejas de las grandes ciudades la conectividad 5G cae drásticamente. Este problema no tiene la misma envergadura en todos los países, pero lo habitual es que en las grandes ciudades tengamos una conectividad 5G muy rápida, y fuera de ellas nuestras conexiones sean mucho más lentas. Cabe la posibilidad de que en unos tres años gracias a los satélites la cobertura de esta red llegue a prácticamente todos los rincones del planeta. Será un paradigma nuevo en el que la computación de frontera tendrá un papel absolutamente protagonista», vaticina este afable ingeniero de IBM sin disimular lo más mínimo su entusiasmo por un futuro que nos invita a ser optimistas.

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