La estudiante de doctorado Miranda Schwacke explora cómo la computación inspirada en el cerebro humano puede impulsar una inteligencia artificial energéticamente eficiente.
¿Cómo puedes usar la ciencia para construir una mejor casa de jengibre?
Eso fue algo en lo que Miranda Schwacke dedicó mucho tiempo a reflexionar. Esta estudiante de posgrado del MIT, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE), forma parte de Kitchen Matters , un grupo de estudiantes de posgrado que utiliza alimentos y utensilios de cocina para explicar conceptos científicos mediante vídeos cortos y eventos de divulgación. Entre los temas tratados anteriormente se incluían por qué el chocolate se endurece o se vuelve difícil de manipular al derretirse (spoiler: entra agua) y cómo hacer isomalt, el vidrio de azúcar por el que saltan los especialistas en las películas de acción.
Hace dos años, cuando el grupo estaba haciendo un video sobre cómo construir una casa de jengibre estructuralmente sólida , Schwacke buscó en libros de cocina una variable que produjera la diferencia más drástica en las galletas.
“Estuve leyendo sobre qué determina la textura de las galletas y luego probé varias recetas en mi cocina hasta que encontré dos recetas de pan de jengibre con las que quedé satisfecho”, dice Schwacke.
Se centró en la mantequilla, que contiene agua que se transforma en vapor a altas temperaturas de horneado, creando bolsas de aire en las galletas. Schwacke predijo que al reducir la cantidad de mantequilla, el pan de jengibre sería más denso, lo suficientemente fuerte como para mantenerse unido como una casa.
«Esta hipótesis es un ejemplo de cómo cambiar la estructura puede influir en las propiedades y el rendimiento del material», dijo Schwacke en el video de ocho minutos.
Esa misma curiosidad por las propiedades y el rendimiento de los materiales impulsa su investigación sobre el alto coste energético de la computación, especialmente para la inteligencia artificial. Schwacke desarrolla nuevos materiales y dispositivos para la computación neuromórfica, que imita el cerebro procesando y almacenando información en el mismo lugar. Estudia las sinapsis iónicas electroquímicas: diminutos dispositivos que pueden ajustarse para ajustar la conductividad, de forma similar a cómo las neuronas fortalecen o debilitan las conexiones en el cerebro.
Si nos fijamos en la IA en particular, para entrenar estos modelos tan grandes, se consume mucha energía. Y si lo comparamos con la cantidad de energía que consumimos los humanos al aprender cosas, el cerebro consume mucha menos energía —dice Schwacke—. Eso es lo que nos llevó a la idea de encontrar formas de IA más inspiradas en el cerebro y energéticamente eficientes.
Su asesor, Bilge Yildiz, subraya este punto: una de las razones por las que el cerebro es tan eficiente es que no es necesario mover los datos de un lado a otro.
“En el cerebro, las conexiones entre nuestras neuronas, llamadas sinapsis, son donde procesamos la información. La transmisión de señales se realiza allí. Se procesa, programa y almacena en el mismo lugar”, afirma Yildiz, profesor Breene M. Kerr (1951) del Departamento de Ciencias e Ingeniería Nuclear y del DMSE. Los dispositivos de Schwacke buscan replicar esa eficiencia.
Raíces científicas
Hija de una bióloga marina y un ingeniero eléctrico, Schwacke estuvo inmersa en la ciencia desde pequeña. La ciencia siempre formó parte de mi comprensión del mundo.
“Estaba obsesionada con los dinosaurios. De pequeña, quería ser paleontóloga”, dice. Pero sus intereses se expandieron. En su escuela secundaria en Charleston, Carolina del Sur, participó en una competencia de robótica de FIRST Lego League, construyendo robots para realizar tareas como empujar o jalar objetos. “Mis padres, especialmente mi papá, se involucraron mucho en el equipo escolar y nos ayudaron a diseñar y construir nuestro pequeño robot para la competencia”.
Mientras tanto, su madre estudiaba cómo la contaminación afectaba a las poblaciones de delfines para la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA). Esto tuvo un impacto duradero.
“Ese fue un ejemplo de cómo la ciencia puede usarse para comprender el mundo y también para descubrir cómo podemos mejorarlo”, dice Schwacke. “Y eso es lo que siempre he querido hacer con la ciencia”.
Su interés por la ciencia de los materiales surgió más tarde, durante el programa de estudios especiales de su escuela secundaria. Allí, se familiarizó con esta disciplina interdisciplinaria, una combinación de física, química e ingeniería que estudia la estructura y las propiedades de los materiales y utiliza ese conocimiento para diseñar nuevos.
“Siempre me gustó que vaya desde esta ciencia muy básica, donde estudiamos cómo se ordenan los átomos, hasta estos materiales sólidos con los que interactuamos en nuestra vida cotidiana, y cómo eso les da sus propiedades que podemos ver y con las que podemos jugar”, dice Schwacke.
Como estudiante de último año, participó en un programa de investigación con un proyecto de tesis sobre células solares sensibilizadas con colorante, una tecnología solar liviana y de bajo costo que utiliza moléculas de colorante para absorber luz y generar electricidad.
“Lo que realmente me motivó fue comprender cómo pasamos de la luz a la energía que podemos usar, y también ver cómo esto podría ayudarnos a tener más fuentes de energía renovables”, dice Schwacke.
Después de la preparatoria, se mudó al otro lado del país a Caltech. «Quería probar un lugar completamente nuevo», dice, donde estudió ciencias de los materiales, incluyendo materiales nanoestructurados miles de veces más delgados que un cabello humano. Se centró en las propiedades de los materiales y la microestructura (la diminuta estructura interna que rige su comportamiento), lo que la llevó a sistemas electroquímicos como baterías y pilas de combustible.
El desafío energético de la IA
En el MIT, continuó explorando tecnologías energéticas. Conoció a Yildiz durante una reunión de Zoom durante su primer año de posgrado, en otoño de 2020, cuando el campus aún operaba bajo estrictos protocolos contra la COVID-19. El laboratorio de Yildiz estudia cómo los átomos cargados, o iones, se mueven a través de materiales en tecnologías como pilas de combustible, baterías y electrolizadores.
La investigación del laboratorio sobre computación inspirada en el cerebro despertó la imaginación de Schwacke, pero ella se sintió igualmente atraída por la forma de Yildiz de hablar sobre la ciencia.
«No se basó en jerga y enfatizó una comprensión muy básica de lo que estaba sucediendo (que los iones van aquí y los electrones van aquí) para entender fundamentalmente lo que está sucediendo en el sistema», dice Schwacke.
Esa mentalidad moldeó su enfoque de investigación. Sus primeros proyectos se centraron en las propiedades que estos dispositivos necesitan para funcionar correctamente (rápido funcionamiento, bajo consumo de energía y compatibilidad con la tecnología de semiconductores) y en el uso de iones de magnesio en lugar de hidrógeno, que pueden escapar al medio ambiente y hacer que los dispositivos sean inestables.
Su proyecto actual, el eje de su tesis doctoral, se centra en comprender cómo la inserción de iones de magnesio en óxido de tungsteno, un óxido metálico cuyas propiedades eléctricas se pueden ajustar con precisión, modifica su resistencia eléctrica. En estos dispositivos, el óxido de tungsteno actúa como una capa de canal, donde la resistencia controla la intensidad de la señal, de forma similar a como las sinapsis regulan las señales en el cerebro.
«Estoy tratando de entender exactamente cómo estos dispositivos cambian la conductancia del canal», dice Schwacke.
La investigación de Schwacke fue reconocida con una beca MathWorks de la Facultad de Ingeniería en 2023 y 2024. La beca apoya a estudiantes de posgrado que aprovechan herramientas como MATLAB o Simulink en su trabajo; Schwacke aplicó MATLAB para el análisis y la visualización de datos críticos.
Yildiz describe la investigación de Schwacke como un nuevo paso hacia la solución de uno de los mayores desafíos de la IA.
“Esto es electroquímica para la computación inspirada en el cerebro”, afirma Yildiz. “Es un nuevo contexto para la electroquímica, pero también con implicaciones energéticas, ya que el consumo energético de la computación aumenta de forma insostenible. Tenemos que encontrar nuevas formas de realizar computación con un consumo energético mucho menor, y esta es una forma de avanzar en esa dirección”.
Como cualquier trabajo pionero, conlleva desafíos, especialmente a la hora de unir los conceptos entre la electroquímica y la física de semiconductores.
“Nuestro grupo tiene formación en química del estado sólido, y cuando comenzamos este trabajo sobre magnesio, nadie lo había usado antes en este tipo de dispositivos”, dice Schwacke. “Así que buscábamos inspiración en la literatura sobre baterías de magnesio y diferentes materiales y estrategias que pudiéramos usar. Al empezar, no solo estaba aprendiendo el lenguaje y las normas de un campo, sino que intentaba aprenderlo para dos campos y también adaptarlo entre ambos”.
También se enfrenta a un desafío familiar para todos los científicos: cómo dar sentido a datos desordenados.
«El principal desafío es poder tomar mis datos y saber que los estoy interpretando de manera correcta y que entiendo lo que realmente significan», dice Schwacke.
Ella supera los obstáculos colaborando estrechamente con colegas de otros campos, incluida la neurociencia y la ingeniería eléctrica, y a veces simplemente haciendo pequeños cambios en sus experimentos y observando qué sucede después.
Asuntos comunitarios
Schwacke no solo participa activamente en el laboratorio. En Kitchen Matters, ella y sus compañeros de posgrado de DMSE montan stands en eventos locales como la Feria de Ciencias de Cambridge y Steam It Up, un programa extraescolar con actividades prácticas para niños.
“Hicimos ‘pHun con la comida’ con ‘diversión’ escrito con pH, así que usamos jugo de col como indicador de pH”, dice Schwacke. “Dejamos que los niños probaran el pH del jugo de limón, el vinagre y el jabón para platos, y se divirtieron mucho mezclando los diferentes líquidos y viendo todos los colores”.
También se desempeñó como presidenta social y tesorera del Consejo de Materiales de Posgrado, grupo de estudiantes de posgrado de DMSE. Como estudiante de pregrado en Caltech, impartió talleres de ciencia y tecnología para Robogals, un grupo estudiantil que anima a las jóvenes a seguir carreras científicas, y ayudó a las estudiantes a solicitar las Becas de Investigación de Verano para Estudiantes de Pregrado de la universidad.
Para Schwacke, estas experiencias agudizaron su capacidad de explicar la ciencia a diferentes públicos, una habilidad que considera vital ya sea que esté presentando en una feria infantil o en una conferencia de investigación.
“Siempre pienso: ¿de dónde parte mi público y qué necesito explicar antes de poder adentrarme en lo que estoy haciendo para que todo tenga sentido para ellos?”, dice.
Schwacke considera que la capacidad de comunicarse es fundamental para construir una comunidad, lo cual considera un aspecto importante de la investigación. «Ayuda a difundir ideas. Siempre ayuda a obtener una nueva perspectiva sobre lo que se está trabajando», afirma. «También creo que nos mantiene cuerdos durante el doctorado».
Yildiz considera la participación comunitaria de Schwacke una parte importante de su currículum. «Realiza todas estas actividades para motivar a la comunidad a investigar, a interesarse por la ciencia y a interesarse por la ciencia y la tecnología, pero esa capacidad también la ayudará a progresar en sus propias investigaciones y proyectos académicos».
Tras su doctorado, Schwacke quiere llevar esa capacidad de comunicación al ámbito académico, donde le gustaría inspirar a la próxima generación de científicos e ingenieros. Yildiz no duda de que triunfará.
«Creo que encaja a la perfección», dice Yildiz. «Es brillante, pero la brillantez por sí sola no basta. Es perseverante y resiliente. Además, se necesitan esas cualidades».
MIT News. J. S. Traducido al español
