La física y la matemática detrás del videojuego

La física y la matemática detrás del videojuego

El Centro Ático, en alianza con la Facultad de Ciencias de la Pontificia Universidad Javeriana, presentaron el proyecto ‘Dynamo, ciudad de la física’, iniciativa para fortalecer la enseñanza y el aprendizaje matemático y físico en estudiantes recién egresados de colegios o que cursan los primeros semestres del pregrado en Física.

La estrategia digital presenta las nociones básicas sobre modelos de conversión de unidades, cifras significativas y vectores que deben conocer los jóvenes a través de una interfaz amigable en la que Stephen Hawking, Albert Einstein o Marie Curie les enseñan a resolver preguntas acertadamente.

El pasado mes de abril, el equipo de investigadores del departamento de Física de la Universidad Javeriana, en cabeza del doctor en ciencias biológicas Orlando Acevedo Sarmiento, llevó a cabo el lanzamiento de ‘Dynamo, la ciudad de la física’ en el salón creativo del Centro Ático. Al evento asistieron más de 30 estudiantes de la Facultad de Ciencias de la Universidad Javeriana, quienes, además de interactuar con el juego y poner a prueba sus conocimientos, socializaron con los docentes sus apreciaciones sobre la innovación.

Pesquisa Javeriana conversó con Orlando Acevedo, líder del proyecto, quien el objetivo de esta creación y los retos que vienen de cara al futuro.


Pesquisa Javeriana: ¿En qué consiste Dynamo?

Orlando Acevedo: Este juego es una herramienta que se les da a los estudiantes que llegan a la universidad, sobre todo a aquellos que no tienen claros los conocimientos sobre conversión de unidades, manejo de cifras significativas y vectores en física.

Uno como docente espera de los estudiantes que vienen de bachillerato que tengan claridad sobre los conceptos, pero el problema está en que cuando nosotros los recibimos, nos damos cuenta de que no tienen esas bases, por eso hay que ver cómo transformar esa situación a través del juego.


PJ: Entonces, este problema fue el punto de partida para crear el videojuego.

OA: El proyecto empezó en 2015 cuando quise enseñarles a mis hijos y a mis nietos a aprender a través del juego. Para ese entonces pensaba, por ejemplo, que los videojuegos podían ser una herramienta útil para enseñarles a los muchachos obre física; pensaba en cómo hacer que algo divertido como esto, aunque tiene un cierto tipo de lógica, también tuviera algún fin educativo.

En 2016 me senté a conversar con personas del Centro Ático para tratar de imaginar situaciones en las que gráficamente se analizaran conceptos físicos, de ahí empezamos a trabajar con el profesor Jimmy Mendieta Sanabria, del departamento de Física de la Javeriana, con quien construimos un modelo de gamificación, es decir, una estrategia en la que se usa el juego para la enseñanza.


PJ: ¿Cuál fue el resultado?

OA: Dynamo trabaja tres temas específicos: conversión de unidades, cifras significativas y vectores, y cuenta con varios espacios para lograrlo. Un gimnasio donde el jugador debe hacer conversión de unidades entre libras, gramos y kilos; un plano de una ciudad donde un avatar se mueve de un lugar a otro para medir categorías de velocidad, rapidez, y tiempo; y un concierto en el que se analizan los voltajes de los equipos, la conversión de monedas a partir de los precios de las boletas o la distancia que debe recorrer una persona para recoger el micrófono que la cantante lanzó desde el escenario, para calcular la velocidad y el desplazamiento.

Dynamo 2


PJ: ¿Por qué se llama Dynamo?

OA: Porque la fuerza se mide a nivel CGM en dinamos. Además, en latín, ‘dinamo’ significa movimiento y dinamismo, y ese es el concepto que queremos manejar con este juego.


PJ: ¿Cuál es el objetivo del videojuego?

OA: El propósito es trabajar con los estudiantes conceptos físicos, entre ellos las conversiones, ecuaciones o conceptos de energía que a veces les resultan complejos. De hecho, con los ejercicios que tiene Dynamo es posible repensar, analizar, estudiar y considerar las posibles alternativas para responder cada pregunta, porque, por ejemplo, cuando hacemos operaciones matemáticas o cuando se mide en física, el número de cifras que se usa para medir es crítico y, de no saber usarlo correctamente, puede tener un margen de error.

Es decir, si yo quiero en mi vida práctica como ingeniero hacer una obra, tengo que manejar números y evidentemente evitar errores porque al final uno de ellos puede ocasionar un puente torcido, incluso uno roto.


PJ: En ese sentido, la física y la matemática son fundamentales para quienes estudian áreas afines, ¿pero por qué a una persona del común podría parecerle interesante aprender estos conceptos?

OA: La verdad es que son necesarios en toda la vida. Aunque nosotros a veces no lo vemos, estamos acostumbramos a trabajar con física; de hecho, la manejamos pero no razonamos en que lo estamos haciendo. Por ejemplo, cuando se va a comprar un mueble para una casa es necesario pensar en cómo ubicarlo, en dónde, pero lo que le pasa a la gente muchas veces es que compra dicho mueble sin tener en cuenta sus dimensiones y, al final, o no le cabe o no le queda espacio en su sala para caminar, por eso este juego es fundamental para aprender a hacer cierto tipo de cálculos.


PJ: ¿Cuánto tiempo tardaron el diseño y programación del juego?

OA: Aproximadamente un año y medio. Para esta época el Centro Ático nos iba mostrando sus avances mientras que nosotros evaluábamos el juego, las dinámicas de las preguntas, los personajes y las empatía de los jóvenes con el diseño. De hecho, una de las ideas para Dynamo fue que los personajes principales fueran físicos, por eso pueden encontrarse con Stephen Hawking, Albert Einstein o Marie Curie.

Dynamo 1


PJ: ¿Cómo fue entonces el trabajo entre el Departamento de Física y el Centro Ático?

OA: El Departamento se encargó de elaborar el concepto físico, saber qué preguntas íbamos a hacer, qué debían responder los muchachos y de qué forma manejarlo. Mientras que en Ático, en cabeza de Sandro González, nos ayudaron con el diseño de lo que nosotros planteamos; por ejemplo, nuestra idea consistió en hacer un gimnasio para ver cómo se movían masas al momento de hacer pesas por los personajes y Ático se encargó de hacer todo el diseño de esta idea, y también la maqueta para arrastrar estas herramientas.


PJ: Una vez presentado el videojuego a la comunidad javeriana, ¿cuál es su balance?

OA: Falta mucho por hacer. Durante el lanzamiento, los estudiantes nos pidieron explicar el procedimiento matemático y físico que se debía tener en cuenta en caso de responder mal, pero el problema radica en que si se les explicábamos eso, entonces en una próxima oportunidad, los chicos conocerían la estrategia del juego.

Además, cuando nosotros pensábamos en hacer la prueba, calculamos que los jóvenes se demoraran 20 minutos, pero en realidad tardaron más; eso me recuerda una frase que mencionó el neurofísico Rodolfo Llinás, que nuestra educación se hizo básicamente para responder un parcial, un examen o una previa y no para sentarse a razonar; en este caso, los estudiantes tenían que sentarse a razonar y no solo pensar de qué forma sacar rápido la respuesta.


PJ: ¿Qué retos surgen de esta iniciativa?

OA: Nosotros pensamos este juego como la ciudad de la física, pero la meta es pensarlo más a delante como la ciudad de las matemáticas, por ejemplo, o la ciudad de la biología, química o del lenguaje. De hecho, uno se da cuenta de que los estudiantes en su mayoría no leen o no escriben muy bien, entonces ese tipo de cosas se pueden abordar con esta clase de juegos.

Por ahora vamos a seguir trabajando en Dynamo. Tenemos que reunirnos nuevamente con el equipo para ver cómo todas estas enseñanzas pueden mejorar el ejercicio académico. Tenemos que hacer una retroalimentación, teniendo en cuenta las reflexiones que hay alrededor de ello.

Javier Santaolalla: los desafíos de divulgar ciencia en la era digital

Javier Santaolalla: los desafíos de divulgar ciencia en la era digital

Javier Santaolalla ha dedicado su trayectoria al estudio y divulgación de la física. En el campo académico es doctor en física de partículas y fue investigador en el Centro Nacional de Estudios Espaciales de Francia (proyecto GALILEO), ganó una beca pre doctoral del CIEMAT para investigar en el CERN (experimento CMS) y realizó un posdoctorado en la Universidad del Estado de Rio de Janeiro, conjuntamente con el CERN.

Si bien son logros notables, ejecutados en “apenas nueve años”, como él mismo indica, la relevancia de su trabajo la ha conseguido a través de su labor como divulgador científico al trasladar nociones de la física fuera del laboratorio y llevarlos a las plataformas digitales. Con un estilo ameno y cercano, Santaolalla se ha convertido en una personalidad digital a través de sus canales de YouTube donde suele abordar temas que van desde explicar qué es la teoría de cuerdas hasta si es posible viajar en el tiempo o cómo funciona el GPS de los celulares.

Santaolalla, además de cofundador del grupo de científicos Big Van, es presentador del Telecienciario para el diario español El Mundo y cuenta con dos canales de Física en YouTube: “Date un voltio” y “Date un vlog”, que cuentan con cerca de 400.000 suscriptores.

En su tarea como divulgador científico ha escrito cuatro libros, entre ellos: Si tú me dices gen lo dejo todo, ¿Si venimos del mono por qué somos tan cerdos? e Inteligencia física. Su más reciente libro, El bosón de Higgs no te va a hacer la cama, le ha permitido dar charlas y monólogos en diferentes lugares del mundo, como Colombia, donde Pesquisa Javeriana tuvo la oportunidad de charlar con él.

El hombre que enfrió los átomos

El hombre que enfrió los átomos

El estadounidense William Daniel Phillips, premio Nobel de Física en 1997, demostró que los átomos se podían enfriar más de lo que las teorías predecían, de tal manera que se empezaran a mover como en cámara lenta permitiendo atraparlos con más facilidad para estudiarlos mejor.

Eso ocurrió en 1988. Pero la tarea no fue fácil: él, su grupo de investigadores y los científicos con quienes compartió el premio –Steven Chu y Claude Cohen-Tannoudji– tuvieron que utilizar tres métodos diferentes para medir la temperatura de las moléculas porque sus resultados generarían una gran sorpresa en el mundo científico. Había que confirmar y volver a confirmar.

Este avance ha sido clave para continuar con la investigación que hoy en día trabaja en Estados Unidos con la física colombiana Ana María Rey y con Jung Ye, experto en metrología de precisión, para generar relojes atómicos y desarrollar la mecánica cuántica.

Los tres estuvieron en Bogotá, con motivo de la clausura de las cátedras ‘Huellas que inspiran’ y ‘Sesquicentenario de la Universidad Nacional de Colombia’.

Diodos orgánicos: patente javeriana que innova los dispositivos energéticos

Diodos orgánicos: patente javeriana que innova los dispositivos energéticos

Desde el fuego y la vela, pasando por lámparas de aceite, bombillos incandescentes y luces fluorescentes, el mundo ahora ilumina sus noches con dispositivos LED —diodos emisores de luz, por sus siglas en inglés—, porque son más eficientes: emiten más cantidad de luz por vatio de electricidad suministrado y consumen menos energía. Ahora los investigadores incursionan en esos mismos sistemas de iluminación, pero a partir de diodos orgánicos —OLED—, que representan una importante contribución a las tecnologías de alta eficiencia, en el marco de las energías verdes. En ellos, el material encargado de emitir la luz es una molécula orgánica y su uso se extiende más allá de iluminar el planeta cuando la luna se esconde. La Universidad Javeriana no se queda atrás. Con equipos e insumos de alta tecnología, el mejor personal científico y el acompañamiento de la Dirección de Innovación de la Vicerrectoría de Investigación, el grupo Películas Delgadas y Nanofotónica patentó un dispositivo para la industria de la iluminación que puede ser útil en la fabricación de tabletas, televisores o celulares.

Los antecedentes de la iluminación

Gracias a los dispositivos LED, el mundo empezó a usar relojes digitales, dice el físico Juan Carlos Salcedo Reyes, integrante del grupo de investigación; ya no era necesario mirar las manecillas, simplemente los números electrónicos de color rojo facilitaban la lectura de la hora. Lo mismo ocurrió con los CD y las calculadoras. El reto era buscar materiales que dieran la posibilidad de jugar con otros colores. “Los LED desarrollaron las comunicaciones ópticas. Pero si se pudiera tener LED de los tres colores (RGB por red, green y blue) era posible producir otros colores para hacer televisores, pantallas gigantes, incluso semáforos”. Estos, recuerda Salcedo, se producían con un bombillo y un pedazo de vidrio de color que funciona como un filtro. “Ahora son de LED, funcionan con muy poca energía y producen mucha luz”. El rojo se logró en 1960 y el azul solo se pudo producir hasta 2002.

Así se ve una pantalla OLED de 36 pixeles.
Así se ve una pantalla OLED de 36 pixeles.
Avances en ‘nanoenergías’

Si cada uno de estos inventos lumínicos ha revolucionado la manera de ‘ver’ el mundo, la tecnología LED revolucionó la física. Estos dispositivos funcionan a partir de la teoría cuántica, desarrollada a comienzos del siglo XX, gracias a la cual tenemos pantallas gigantes en estadios y centros comerciales, pantallas táctiles en las tabletas y celulares, pantallas con los tres colores que forman todos los demás. El uso de material orgánico con propiedades de semiconductor —es decir, que es posible controlar la conducción de electricidad a partir de parámetros externos— es una tecnología emergente, pero de rápido desarrollo.
Mediante la incorporación de nanoesferas de dióxido de silicio (SiO2) de 250 nanómetros de diámetro —un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro—, los científicos javerianos evidenciaron una mejora en la eficiencia energética de hasta un 50%.

Ubicado en algo así como un ‘nanosanduche’, el componente orgánico del OLED forma parte de un dispositivo de varias capas superdelgadas, que se observa en la Figura 1. La base es un vidrio donde se pone un metal que equivaldría a la primera tajada de pan; como la idea es que la luz la atraviese, debe ser transparente y por eso se usa óxido de indio dopado con estaño, mejor conocido como ITO. La siguiente nanocapa corresponde a una molécula orgánica, también transparente, encima de la cual se ‘riega’ un polímero luminiscente orgánico —MDMO-PPV—, el cual contiene las nanoesferas o cristal coloidal. Finalmente, se cubre el dispositivo con una capa metálica que lo corona: el pan que completa el nanosanduche. En el caso de la patente de invención javeriana, la novedad ha sido la mejora en la eficiencia de la luz que emite al utilizar cristales coloidales, los cuales funcionan como una lente que concentra la luz y la enfoca para un mismo lado, en lugar de que salga dispersa hacia todas partes. La estructura ordenada se observa en la Figura 1b.

Los OLED tienen varias ventajas: bajo costo de fabricación en comparación con los LED, gastan poca energía, emiten mucha luz y con ellos es posible “producir dispositivos tanto micrométricos, adecuados para fabricar pantallas de alta definición, como de gran área, para producir grandes paneles de iluminación”, explica Salcedo. Su principal desventaja es su corto tiempo de vida (alrededor de mil horas en los más sofisticados), debido a la degradación de las moléculas orgánicas al contacto con el oxígeno. “En eso se está trabajando muchísimo porque se debe garantizar al menos 12.000 horas de vida”, continúa Salcedo.

Miembros del grupo de investigación en Películas Delgadas y Nanofotónica en el área de fotolitografía del laboratorio.
Miembros del grupo de investigación en Películas Delgadas y Nanofotónica en el área de fotolitografía del laboratorio.
¡Eureka!

La primera vez que los miembros del grupo gritaron ¡eureka! fue cuando les prendió el primer dispositivo en el que incluyeron los cristales coloidales, es decir, los OLED modificados. Hubo luz. Literalmente, se les prendió el bombillo. “Ocurrió en 2010 cuando, en el marco de la tesis de grado de los estudiantes de ingeniería electrónica Diana Pardo y Juan Pablo Cuellar, quienes fueron galardonados con el premio Otto de Greiff a la mejor tesis del país, se logró encender el primer OLED fabricado en Colombia, el que ahora al interior del grupo llamamos el OLED tradicional. Paralelo a esto, el estudiante de maestría en ingeniería electrónica Octavio Alejandro Castañeda reportó, en su tesis de maestría con mención meritoria, el crecimiento del primer cristal coloidal formado por esferas de sílice. El segundo eureka fue comprobar, por medio de mediciones directas, que efectivamente salía más potencia lumínica que en el OLED tradicional”, dice Salcedo. En 2012, a partir de una serie de estudios teóricos sobre el acoplamiento de la luz emitida por el MDMO-PPV con los cristales coloidales de sílice, se iniciaron las primeras pruebas con el fin de establecer el método de fabricación de los OLED modificados.

¿Investigar o innovar?

Esa es la pregunta y la respuesta de Salcedo no se hace esperar: “a nosotros nos interesa estudiar, explicar y modificar los fenómenos físicos básicos bajo los cuales funcionan este tipo de dispositivos optoelectrónicos y, en paralelo, ir perfeccionando las técnicas”. Habla el científico, el que está en el laboratorio con sus colegas proponiendo, manipulando, experimentando, buscando respuestas a los interrogantes. “Cuando se tiene suficientemente fortalecida la investigación básica, la innovación surge de forma natural. Lo importante es hacer las dos cosas”.
Pero la novedad puede tener aplicaciones comerciales muy promisorias en la industria de la iluminación y en la fabricación de pantallas planas, láseres y LED discretos. “Como ya la Universidad tiene una patente concedida por la Superintendencia de Industria y Comercio, contamos con la protección y el derecho exclusivo sobre la invención; podemos publicarlos y darlos a conocer”, explica Helena Jiménez, de la Dirección de Innovación, Vicerrectoría de Investigación de la Universidad Javeriana. La idea es valorar y comercializar la tecnología, diseñar una estrategia, estructurar el modelo de negocio, buscar posibles clientes. “Ese es un proceso que tenemos que hacer porque necesitamos que las patentes no se queden en el anaquel, sino que salgan y generen impacto en el sector productivo y en la sociedad”.

Por medio de la tecnología spin coating se producen los cristales coloidales.
Por medio de la tecnología spin coating se producen los cristales coloidales.

Pero también es, de acuerdo con Salcedo, el clásico ejemplo de cómo la investigación básica puede desarrollar mucho tiempo después tecnologías innovadoras.
Vendrán más patentes, de acuerdo con Jiménez, porque ya empieza a verse la cultura de la innovación en la universidad. “El Sistema Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación del país ha venido reforzando esos incentivos a los investigadores para generar y proteger las invenciones derivadas de la actividad investigativa… y la Javeriana está muy en la onda de la innovación”.

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