¿Cómo se puede utilizar la ciencia para construir una mejor casa de pan de jengibre?
Eso fue algo en lo que Miranda Schwacke pasó mucho tiempo pensando. El estudiante de posgrado del MIT en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) es parte de Kitchen Matters, un grupo de estudiantes de posgrado que utilizan alimentos y herramientas de cocina para explicar conceptos científicos a través de videos cortos y eventos de divulgación. Los temas anteriores incluyeron por qué el chocolate se “agarra” o se vuelve difícil trabajar con él cuando se derrite (spoiler: entra agua) y cómo hacer isomalt, el vidrio de azúcar por el que saltan los especialistas en películas de acción.
Hace dos años, cuando el grupo estaba haciendo un vídeo sobre cómo construir una casa de pan de jengibre estructuralmente sólida, Schwacke buscó en libros de cocina una variable que produciría la diferencia más dramática en las galletas.
«Estaba leyendo sobre lo que 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 estaba satisfecho», dice Schwacke.
Se centró en la mantequilla, que contiene agua que se convierte en vapor a altas temperaturas de horneado, creando bolsas de aire en las galletas. Schwacke predijo que disminuir la cantidad de mantequilla produciría un pan de jengibre 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 vídeo 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 informática, especialmente para la inteligencia artificial. Schwacke desarrolla nuevos materiales y dispositivos para la computación neuromórfica, que imita al cerebro procesando y almacenando información en el mismo lugar. Ella estudia las sinapsis iónicas electroquímicas: pequeños dispositivos que pueden «sintonizarse» para ajustar la conductividad, de manera muy similar a como las neuronas fortalecen o debilitan las conexiones en el cerebro.
«Si nos fijamos en la IA en particular (para entrenar estos modelos realmente grandes), eso consume mucha energía. Y si lo comparamos con la cantidad de energía que consumimos como humanos cuando aprendemos cosas, el cerebro consume mucha menos energía», dice Schwacke. «Eso es lo que llevó a esta idea de encontrar formas de hacer IA más inspiradas en el cerebro y energéticamente más 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 está ahí. Se procesa, programa y también almacena en el mismo lugar», dice Yildiz, profesora Breene M. Kerr (1951) en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y DMSE. Los dispositivos de Schwacke pretenden replicar esa eficiencia.
Raíces científicas
Hija de una madre bióloga marina y un padre ingeniero eléctrico, Schwacke estuvo inmersa en la ciencia desde una edad temprana. La ciencia “siempre fue parte de mi forma de entender el mundo”.
«Estaba obsesionada con los dinosaurios. Quería ser paleontóloga cuando fuera mayor», dice. Pero sus intereses se ampliaron. En su escuela secundaria en Charleston, Carolina del Sur, se unió a una competencia de robótica de FIRST Lego League, construyendo robots para completar tareas como empujar o tirar de objetos. “Mis padres, especialmente mi papá, se involucraron mucho en el equipo de la escuela y nos ayudaron a diseñar y construir nuestro pequeño robot para la competencia”.
Mientras tanto, su madre estudió para la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica cómo las poblaciones de delfines se ven afectadas por la contaminación. Eso tuvo un impacto duradero.
«Ese fue un ejemplo de cómo se puede utilizar la ciencia para comprender el mundo y también para descubrir cómo podemos mejorarlo», dice Schwacke. «Y eso es lo que siempre quise hacer con la ciencia».
Su interés por la ciencia de los materiales surgió más tarde, en su programa magnet de la escuela secundaria. Allí, conoció la materia interdisciplinaria, una combinación de física, química e ingeniería que estudia la estructura y propiedades de los materiales y utiliza ese conocimiento para diseñar otros nuevos.
«Siempre me gustó que va desde esta ciencia tan 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 propiedades que podemos ver y jugar», dice Schwacke.
En su último año, participó en un programa de investigación con un proyecto de tesis sobre células solares sensibilizadas con tintes, una tecnología solar liviana y de bajo costo que utiliza moléculas de tintes para absorber la luz y generar electricidad.
«Lo que me impulsó fue comprender realmente que así es como pasamos de la luz a la energía que podemos utilizar, y también ver cómo esto podría ayudarnos a tener más fuentes de energía renovables», dice Schwacke.
Después de la secundaria, cruzó el país hasta Caltech. “Quería probar un lugar totalmente nuevo”, dice, donde estudió ciencia de materiales, incluidos materiales nanoestructurados miles de veces más delgados que un cabello humano. Se centró en las propiedades de los materiales y la microestructura (la pequeña estructura interna que gobierna el comportamiento de los materiales), lo que la llevó a sistemas electroquímicos como baterías y pilas de combustible.
Desafío energético de la IA
En el MIT, continuó explorando tecnologías energéticas. Conoció a Yildiz durante una reunión de Zoom en su primer año de posgrado, en el otoño de 2020, cuando el campus todavía operaba bajo estrictos protocolos Covid-19. El laboratorio de Yildiz estudia cómo los átomos o iones cargados 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 encendió la imaginación de Schwacke, pero también se sintió atraída por la forma en que Yildiz hablaba de 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 comprender fundamentalmente lo que está sucediendo en el sistema», dice Schwacke.
Esa mentalidad moldeó su enfoque de la investigación. Sus primeros proyectos se centraron en las propiedades que estos dispositivos necesitan para funcionar bien (funcionamiento rápido, bajo uso 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 foco 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 pueden ajustarse con precisión, cambia 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 muy 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 graduados que aprovechan herramientas como MATLAB o Simulink en su trabajo; Schwacke aplicó MATLAB para el análisis y visualización de datos críticos.
Yildiz describe la investigación de Schwacke como un paso novedoso hacia la solución de uno de los mayores desafíos de la IA.
«Esto es electroquímica para la computación inspirada en el cerebro», dice Yildiz. «Es un nuevo contexto para la electroquímica, pero también con implicaciones energéticas, porque el consumo de energía de la computación está aumentando de manera insostenible. Tenemos que encontrar nuevas formas de hacer computación con mucha menos energía, y esta es una manera que puede ayudarnos a 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 experiencia en química de estado sólido, y cuando comenzamos este trabajo investigando el magnesio, nadie había usado magnesio en este tipo de dispositivos antes», dice Schwacke. «Así que estábamos buscando inspiración en la literatura sobre baterías de magnesio y diferentes materiales y estrategias que podíamos usar. Cuando comencé esto, no solo estaba aprendiendo el lenguaje y las normas de un campo, estaba tratando de aprenderlo para dos campos y también traducir entre los dos».
También se enfrenta a un desafío familiar para todos los científicos: cómo dar sentido a datos confusos.
«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.
Supera obstáculos colaborando estrechamente con colegas de todos los campos, incluidas la neurociencia y la ingeniería eléctrica, y, a veces, simplemente haciendo pequeños cambios en sus experimentos y observando lo que sucede a continuación.
Asuntos comunitarios
Schwacke no sólo trabaja en el laboratorio. En Kitchen Matters, ella y sus compañeros de posgrado de DMSE instalaron puestos en eventos locales como la Feria de Ciencias de Cambridge y Steam It Up, un programa extraescolar con actividades prácticas para niños.
«Hicimos ‘pHun with Food’ con ‘diversión’ escrito con pH, así que usamos jugo de repollo 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 los diferentes colores».
También se desempeñó como presidenta social y tesorera del grupo de estudiantes graduados del DMSE, el Graduate Materials Council. Como estudiante universitaria en Caltech, dirigió talleres de ciencia y tecnología para Robogals, un grupo dirigido por estudiantes que anima a las mujeres jóvenes a seguir carreras científicas, y ayudó a los estudiantes a solicitar las becas de investigación de pregrado de verano de la escuela.
Para Schwacke, estas experiencias mejoraron su capacidad para explicar la ciencia a diferentes audiencias, una habilidad que ella considera vital ya sea que esté presentando en una feria infantil o en una conferencia de investigación.
«Siempre pienso, ¿de dónde parte mi audiencia y qué necesito explicar antes de poder entrar en lo que estoy haciendo para que todo tenga sentido para ellos?» ella dice.
Schwacke considera que la capacidad de comunicarse es fundamental para construir una comunidad, lo que ella considera una parte importante de la investigación. «Ayuda a difundir ideas. Siempre ayuda tener una nueva perspectiva de aquello en lo que estás trabajando», afirma. «También creo que nos mantiene cuerdos durante nuestro doctorado».
Yildiz ve la participación comunitaria de Schwacke como una parte importante de su currículum. «Ella está realizando todas estas actividades para motivar a la comunidad en general a investigar, a interesarse por la ciencia, a dedicarse a la ciencia y la tecnología, pero esa capacidad también la ayudará a progresar en sus propias investigaciones y esfuerzos académicos».
Después de su doctorado, Schwacke quiere llevar esa capacidad de comunicarse con ella al mundo académico, donde le gustaría inspirar a la próxima generación de científicos e ingenieros. Yildiz no tiene dudas de que prosperará.
«Creo que encaja perfectamente», dice Yildiz. «Ella es brillante, pero la brillantez por sí sola no es suficiente. Es persistente y resistente. Realmente necesitas cosas además de eso».
