Modelos de computación lógica con ADN

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos como las enzimas que cortan el ADN o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo más que signi�cativamente a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. En 1994, Leonard Adleman logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton Dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos similares al de �fuerza bruta� utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos (por ejemplo, el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT). Pronto se comprendió que la computación con biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas biológicos con aplicación biomédica, dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la Polimerasa, autómatas que funcionan con enzimas de restricción o con deoxiribozimas, circuitos de hibridación competitiva. Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos escalables, sensibles al tiempo y energéticamente e�cientes, capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando el fenómeno de la hibridación competitiva del ADN. La capacidad implícita de estos dispositivos para aplicar reglas de inferencia como modus ponens, modus tollens, resolución o el silogismo hipotético tiene un gran potencial. Entre otras funciones, permiten representar implicaciones lógicas (o reglas del tipo SI/ENTONCES), como por ejemplo, �si se da el síntoma 1 y el síntoma 2, entonces estamos ante la enfermedad A�, o �si estamos ante la enfermedad B, entonces deben manifestarse los síntomas 2 y 3�. Utilizando estos módulos lógicos como bloques básicos de construcción, se pretende desarrollar sistemas in vitro basados en sensores de ADN, capaces de trabajar de manera conjunta para detectar un conjunto de síntomas de entrada y producir un diagnóstico de salida. La reciente publicación en la revista Science de un autómata biomolecular de diagnóstico, capaz de tratar las células cancerígenas sin afectar a las células sanas, es un buen ejemplo de la relevancia cientí�ca que este tipo de autómatas tienen en la actualidad. Además de las recién mencionadas aplicaciones en el diagnóstico in vitro, los modelos presentados también tienen utilidad en el diseño de biosensores inteligentes y la construcción de bases de datos con registros en formato biomolecular que faciliten el análisis genómico. El estudio sobre el estado de la cuestión en computación biomolecular que se presenta en esta tesis está basado en un artículo recientemente publicado en la revista Current Bioinformatics. Los nuevos dispositivos presentados en la tesis forman parte de una solicitud de patente de la que la UPM es titular, y han sido presentados en congresos internacionales como Unconventional Computation 2010 en Tokio o Synthetic Biology 2010 en París.

Algoritmos de distribución de cargas de proceso en computación con membranas

Con el surgir de los problemas irresolubles de forma eficiente en tiempo polinomial en base al dato de entrada, surge la Computación Natural como alternativa a la computación clásica. En esta disciplina se trata de o bien utilizar la naturaleza como base de cómputo o bien, simular su comportamiento para obtener mejores soluciones a los problemas que los encontrados por la computación clásica. Dentro de la computación natural, y como una representación a nivel celular, surge la Computación con Membranas. La primera abstracción de las membranas que se encuentran en las células, da como resultado los P sistemas de transición. Estos sistemas, que podrían ser implementados en medios biológicos o electrónicos, son la base de estudio de esta Tesis. En primer lugar, se estudian las implementaciones que se han realizado, con el fin de centrarse en las implementaciones distribuidas, que son las que pueden aprovechar las características intrínsecas de paralelismo y no determinismo. Tras un correcto estudio del estado actual de las distintas etapas que engloban a la evolución del sistema, se concluye con que las distribuciones que buscan un equilibrio entre las dos etapas (aplicación y comunicación), son las que mejores resultados presentan. Para definir estas distribuciones, es necesario definir completamente el sistema, y cada una de las partes que influyen en su transición. Además de los trabajos de otros investigadores, y junto a ellos, se realizan variaciones a los proxies y arquitecturas de distribución, para tener completamente definidos el comportamiento dinámico de los P sistemas. A partir del conocimiento estático –configuración inicial– del P sistema, se pueden realizar distribuciones de membranas en los procesadores de un clúster para obtener buenos tiempos de evolución, con el fin de que la computación del P sistema sea realizada en el menor tiempo posible. Para realizar estas distribuciones, hay que tener presente las arquitecturas –o forma de conexión– de los procesadores del clúster. La existencia de 4 arquitecturas, hace que el proceso de distribución sea dependiente de la arquitectura a utilizar, y por tanto, aunque con significativas semejanzas, los algoritmos de distribución deben ser realizados también 4 veces. Aunque los propulsores de las arquitecturas han estudiado el tiempo óptimo de cada arquitectura, la inexistencia de distribuciones para estas arquitecturas ha llevado a que en esta Tesis se probaran las 4, hasta que sea posible determinar que en la práctica, ocurre lo mismo que en los estudios teóricos. Para realizar la distribución, no existe ningún algoritmo determinista que consiga una distribución que satisfaga las necesidades de la arquitectura para cualquier P sistema. Por ello, debido a la complejidad de dicho problema, se propone el uso de metaheurísticas de Computación Natural. En primer lugar, se propone utilizar Algoritmos Genéticos, ya que es posible realizar alguna distribución, y basada en la premisa de que con la evolución, los individuos mejoran, con la evolución de dichos algoritmos, las distribuciones también mejorarán obteniéndose tiempos cercanos al óptimo teórico. Para las arquitecturas que preservan la topología arbórea del P sistema, han sido necesarias realizar nuevas representaciones, y nuevos algoritmos de cruzamiento y mutación. A partir de un estudio más detallado de las membranas y las comunicaciones entre procesadores, se ha comprobado que los tiempos totales que se han utilizado para la distribución pueden ser mejorados e individualizados para cada membrana. Así, se han probado los mismos algoritmos, obteniendo otras distribuciones que mejoran los tiempos. De igual forma, se han planteado el uso de Optimización por Enjambres de Partículas y Evolución Gramatical con reescritura de gramáticas (variante de Evolución Gramatical que se presenta en esta Tesis), para resolver el mismo cometido, obteniendo otro tipo de distribuciones, y pudiendo realizar una comparativa de las arquitecturas. Por último, el uso de estimadores para el tiempo de aplicación y comunicación, y las variaciones en la topología de árbol de membranas que pueden producirse de forma no determinista con la evolución del P sistema, hace que se deba de monitorizar el mismo, y en caso necesario, realizar redistribuciones de membranas en procesadores, para seguir obteniendo tiempos de evolución razonables. Se explica, cómo, cuándo y dónde se deben realizar estas modificaciones y redistribuciones; y cómo es posible realizar este recálculo. Abstract Natural Computing is becoming a useful alternative to classical computational models since it its able to solve, in an efficient way, hard problems in polynomial time. This discipline is based on biological behaviour of living organisms, using nature as a basis of computation or simulating nature behaviour to obtain better solutions to problems solved by the classical computational models. Membrane Computing is a sub discipline of Natural Computing in which only the cellular representation and behaviour of nature is taken into account. Transition P Systems are the first abstract representation of membranes belonging to cells. These systems, which can be implemented in biological organisms or in electronic devices, are the main topic studied in this thesis. Implementations developed in this field so far have been studied, just to focus on distributed implementations. Such distributions are really important since they can exploit the intrinsic parallelism and non-determinism behaviour of living cells, only membranes in this case study. After a detailed survey of the current state of the art of membranes evolution and proposed algorithms, this work concludes that best results are obtained using an equal assignment of communication and rules application inside the Transition P System architecture. In order to define such optimal distribution, it is necessary to fully define the system, and each one of the elements that influence in its transition. Some changes have been made in the work of other authors: load distribution architectures, proxies definition, etc., in order to completely define the dynamic behaviour of the Transition P System. Starting from the static representation –initial configuration– of the Transition P System, distributions of membranes in several physical processors of a cluster is algorithmically done in order to get a better performance of evolution so that the computational complexity of the Transition P System is done in less time as possible. To build these distributions, the cluster architecture –or connection links– must be considered. The existence of 4 architectures, makes that the process of distribution depends on the chosen architecture, and therefore, although with significant similarities, the distribution algorithms must be implemented 4 times. Authors who proposed such architectures have studied the optimal time of each one. The non existence of membrane distributions for these architectures has led us to implement a dynamic distribution for the 4. Simulations performed in this work fix with the theoretical studies. There is not any deterministic algorithm that gets a distribution that meets the needs of the architecture for any Transition P System. Therefore, due to the complexity of the problem, the use of meta-heuristics of Natural Computing is proposed. First, Genetic Algorithm heuristic is proposed since it is possible to make a distribution based on the premise that along with evolution the individuals improve, and with the improvement of these individuals, also distributions enhance, obtaining complexity times close to theoretical optimum time. For architectures that preserve the tree topology of the Transition P System, it has been necessary to make new representations of individuals and new algorithms of crossover and mutation operations. From a more detailed study of the membranes and the communications among processors, it has been proof that the total time used for the distribution can be improved and individualized for each membrane. Thus, the same algorithms have been tested, obtaining other distributions that improve the complexity time. In the same way, using Particle Swarm Optimization and Grammatical Evolution by rewriting grammars (Grammatical Evolution variant presented in this thesis), to solve the same distribution task. New types of distributions have been obtained, and a comparison of such genetic and particle architectures has been done. Finally, the use of estimators for the time of rules application and communication, and variations in tree topology of membranes that can occur in a non-deterministic way with evolution of the Transition P System, has been done to monitor the system, and if necessary, perform a membrane redistribution on processors to obtain reasonable evolution time. How, when and where to make these changes and redistributions, and how it can perform this recalculation, is explained.

Algunos retos de la protección de datos en la sociedad del conocimiento. Especial detenimiento en la computación en la nube (cloud computing).

Los continuos avances tecnológicos están trayendo consigo nuevas formas de almacenar, tratar y comunicar datos personales. Es necesario repensar el derecho fundamental a la protección de datos, y arbitrar mecanismos para adaptarlo a las nuevas formas de tratamiento. a nivel europeo se está trabajando en una nueva propuesta de regulación que consideramos, en general, muy apropiada para afrontar los nuevos retos en esta materia. para ejemplificar todo esto, en el presente estudio se plantea de forma detallada el caso de la computación en nube, sus principales características y algunas preocupaciones acerca de los riesgos potenciales que su utilización trae consigo. Abstract: Rapid technological developments are bringing new ways to store, process and communicate personal data. We need to rethink the fundamental right to data protection and adapt it to new forms of treatment. there is a new «european» proposal for a regulation on the protection of individuals with regard to the processing of personal data, well suited to meet the new challenges. this study offers one example of this: the cloud computing, its main characteristics and some concerns about the potential risks that its use entails.

Implantación y análisis de un sistema de respuesta interactiva en el aula

En el curso académico 2011/12 se ha introducido como innovación educativa en la ETSI de Telecomunicación de la UPM un sistema de respuesta interactiva basado en mandos de radio frecuencia para el soporte a la participación de los alumnos en el aula. El presente documento pretende describir la experiencia de su implantación en tres asignaturas de diferente tipología. De acuerdo a los resultados obtenidos hasta el momento, los alumnos estacan la facilidad de uso del sistema y la mejora en cuanto a su participación en clase, estando interesados en su utilización en otras asignaturas. Por parte de los profesores, destaca que se dispone de información instantánea del proceso de aprendizaje individualizado del alumno, lo que permite incidir inmediatamente en aquellas cuestiones con peores resultados. Los principales inconvenientes se centran en su baja aportación a la asistencia a clase y a la retención y comprensión de conceptos.

Panorámica global de la computación óptica. Una visión parcial

En el presente artículo se ofrece una visión panorámica de la situación actual de la Computación Óptica, dándose unas breves ideas de algunos de los temas fundamentales que abarca. Se pone especial énfasis en el aspecto de continuidad con tecnologías ya sobradamente conocidas desde hace varias décadas y se intenta pronosticar cuál será su posible futuro en los próximos años.

Las enseñanzas de sistemas en los currículos relacionados con la computación: una experiencia acumulada

Este texto propone la incorporación de las ideas de sistemas como elemento indispensable en los currículos universitarios relacionados con computación. Con este objetivo,se presenta la experiencia acumulada en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de Madrid desde 1978. Más concretamente, se muestran los objetivos,metodología y resultados obtenidos dentro de una asignatura denominada Ingeniería de Sistemas, integrada en el último curso de una especialización en Ingeniería Telemática (Informática y Comunicaciones).

La teoría de la computación en las encrucijada de las teorías de autómatas y de la información

Este artículo de síntesis es la transposición de los dos primeros puntos de nuestra memoria de solicitud para la obtención de una de las becas del Fondo IBM del Centro de Cálculo de la Universidad de Madrid en su primera convocatoria (noviembre de 1968). El artículo representa un punto de vista personal sobre relaciones poco conocidas o discutidas entre diferentes aspectos de las teorías de los sistemas cibernéticos. Un año después (diciembre de 1969) el fruto de nuestro trabajo ha sido recogido en. una extensa memoria donde, junto a una presentación de origen bibliográfico, de la teoría de códigos lineales desde un ángulo matemático y en especial de los códigos cíclicos, se publica un conjunto de resultados originales en el campo de la detección y corrección de errores

Comportamiento de estructuras fotónicas de computación aptas en comunicaciones ópticas

Cuando se introduce una no linealidad óptica dentro de una cavidad resonante, se pueden producir efectos de conmutación rápida entre dos estados diferenciados de transmisión. Este fenómeno se conoce por biestabilidad óptica, caracterizado porque la salida de los dispositivos con este tipo de comportamiento constan de dos estados estables diferenciados y una región asociada a un ciclo de histéresis en la cual el sistema es inestable. En dicha región la salida posee valores diferentes para un mismo valor de entrada en función de la historia del dispositivo.

Computación fotónica y comunicaciones ópticas

Durante mucho tiempo, prácticamente desde sus inicios, las Comunicaciones y la Informática han seguido caminos en cierta manera paralelos y, al mismo tiempo, casi ignorando sus mutuas existencias. El entorno de las Comunicaciones tenía sus propias formas de trabajo, muy centradas en torno a la mera transmisión de información entre puntos más o menos alejados, y para ello apenas si le hacía más falta que una base electrónica medianamente fuerte y unos conceptos de Electromagnetismo que ya estaban bastante asentados. De alguna manera, la fuerte incidencia que tuvieron sobre la Sociedad, y el que cada vez fueran precisas comunicaciones más rápidas y sofisticadas obligó, en las pasadas décadas, a un desarrollo de la Electrónica que, aquí queda la duda, quizás ésta no hubiera sido la misma si aquellas no hubieran estado presentes.

Mundo cuántico, relojes y computación

En sus trabajos a lo largo de más de veinte años, el francés Serge Haroche y el americano David Wineland, ambos nacidos en 1944, fueron capaces de observar y medir, con técnicas revolucionarias, comportamientos en sistemas microscópicos antes sólo previstos a través de ecuaciones o mediante experimentos imaginados. Esos trabajos les han valido, en 2012, la concesión del Premio Nobel de Física.

Reconciliación de errores mínimamente interactiva en distribución cuántica de claves

Algunos trabajos recientes han desarrollado varias alternativas a Cascade, entre las cuales destacan aquellas basadas en el uso de técnicas de codificación modernas. Por ejemplo, a través del uso de códigos Low-Density Parity-Check (LDPC) hoy día encontramos varias propuestas que permiten mejorar la eficiencia de la reconciliación de clave para ratios de error elevados. Al utilizar códigos LDPC tan sólo se requiere un único uso del canal de comunicación. Estas propuestas se basan en una técnica conocida como “codificación de síndrome” que permite aplicar métodos de corrección de errores para reconciliar cadenas aleatorias correlacionadas. En una de estas propuestas aplicamos dos técnicas conocidas en codificación, cómo son la perforación y el acortado de símbolos, para adaptar en tiempo real el ratio de información proporcionado por el síndrome intercambiado.

Desarrollo de elementos holográficos para interconexión en computación óptica

Parallel processing systems require complex interconnection networks. In order to obtain fast and flexible communications at a reasonable cost, different types of networks has been studied in the past. None of them can be considered best. The cost-effectiveness of a particular network design depends of several factors that will not be treat here. Nevertheless, the basic device that configurate an interconnection network can be the same for most of them. In this way, an Optical Interconetion Network made with Holographic Optical Element (HOE) is presented. The HOE recording way use present special caracteristics that are described. A Perfect Shuffle and Banyan networks has been implemented.

Semisumador y sumador completo para computación óptica

A half-adder and ñxll-adder desing using a new optical processing element is presented. The Optical Processing element is maded using fiber optic, optical couplers and non-linear optical device. This element allow programmability of fourteen difference pair of logical function of two inputs in two outputs. Two optical control signáis of non-binary logic made the choice of the logical function pair obtain in the outputs. By the appropiate selection of the power levels of the optical control signáis, we can configúrate a half-adder and with an small modification a full-adder. Also, a ripple carry adder desing is presented.

Plataforma digital interactiva como modelo de gestión en el campo de la arquitectura e ingeniería: ecosistema parque natural de 'El Hondo'

Plataforma digital interactiva como modelo de gestión en el campo de la arquitectura e ingeniería: ecosistema parque natural de 'El Hondo'

Computación evolutiva de bosques de expansión mínimos con restricción de grado y de rol

Encontrar el árbol de expansión mínimo con restricción de grado de un grafo (DCMST por sus siglas en inglés) es un problema NP-complejo ampliamente estudiado. Una de sus aplicaciones más importantes es el dise~no de redes. Aquí nosotros tratamos una nueva variante del problema DCMST, que consiste en encontrar el árbol de expansión mínimo no solo con restricciones de grado, sino también con restricciones de rol (DRCMST), es decir, a~nadimos restricciones para restringir el rol que los nodos tienen en el árbol. Estos roles pueden ser nodo raíz, nodo intermedio o nodo hoja. Por otra parte, no limitamos el número de nodos raíz a uno, por lo que, en general, construiremos bosques de DRCMSTs. El modelado en los problemas de dise~no de redes puede beneficiarse de la posibilidad de generar más de un árbol y determinar el rol de los nodos en la red. Proponemos una nueva representación basada en permutaciones para codificar los bosques de DRCMSTs. En esta nueva representación, una permutación codifica simultáneamente todos los árboles que se construirán. Nosotros simulamos una amplia variedad de problemas DRCMST que optimizamos utilizando ocho algoritmos de computación evolutiva diferentes que codifican los individuos de la población utilizando la representación propuesta. Los algoritmos que utilizamos son: algoritmo de estimación de distribuciones (EDA), algoritmo genético generacional (gGA), algoritmo genético de estado estacionario (ssGA), estrategia evolutiva basada en la matriz de covarianzas (CMAES), evolución diferencial (DE), estrategia evolutiva elitista (ElitistES), estrategia evolutiva no elitista (NonElitistES) y optimización por enjambre de partículas (PSO). Los mejores resultados fueron para el algoritmo de estimación de distribuciones utilizado y ambos tipos de algoritmos genéticos, aunque los algoritmos genéticos fueron significativamente más rápidos.---ABSTRACT---Finding the degree-constrained minimum spanning tree (DCMST) of a graph is a widely studied NP-hard problem. One of its most important applications is network design. Here we deal with a new variant of the DCMST problem, which consists of finding not only the degree- but also the role-constrained minimum spanning tree (DRCMST), i.e., we add constraints to restrict the role of the nodes in the tree to root, intermediate or leaf node. Furthermore, we do not limit the number of root nodes to one, thereby, generally, building a forest of DRCMSTs. The modeling of network design problems can benefit from the possibility of generating more than one tree and determining the role of the nodes in the network. We propose a novel permutation-based representation to encode the forest of DRCMSTs. In this new representation, one permutation simultaneously encodes all the trees to be built. We simulate a wide variety of DRCMST problems which we optimize using eight diferent evolutionary computation algorithms encoding individuals of the population using the proposed representation. The algorithms we use are: estimation of distribution algorithm (EDA), generational genetic algorithm (gGA), steady-state genetic algorithm (ssGA), covariance matrix adaptation evolution strategy (CMAES), diferential evolution (DE), elitist evolution strategy (ElististES), non-elitist evolution strategy (NonElististES) and particle swarm optimization (PSO). The best results are for the estimation of distribution algorithm and both types of genetic algorithms, although the genetic algorithms are significantly faster. iv