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Tecnología y Sociedad

La estudiante que renunció a la medicina para revolucionar la computación

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La ganadora de la beca MacArthur Dina Katabi explota las propiedades físicas de las ondas de radio para volverlas más eficientes

  • por Larry Hardesty | traducido por Teresa Woods
  • 22 Octubre, 2015


Foto:
Dina Katabi, ganadora del Premio Saltzer de la Educación, dirige un grupo de investigaciones que se centra en hacer más rápidas y fiables tanto las redes inalámbricas como las convencionales.

En 1989, Dina Katabi, que terminó su máster en 1998 y su doctorado en 2003, como todos los estudiantes de último curso del instituto, hizo un examen estandarizado que determinaría las carreras universitarias a las que podría optar. Sacó la sexta nota más alta del país.

Eso significó que estaba destinada a la medicina, la carrera universitaria más prestigiosa, accesible sólo para los estudiantes con las puntuaciones más altas en el examen. Katabi recuerda: "Vengo de una familia en la que todos son médicos. Mi padre es médico, la mayoría de mis tíos y tías son médicos, mi abuelo es médico, hay médicos en ambos lados de la familia. Así que ese era mi camino".

Pero después de un año de estudios, en el que Katabi se posicionó entre los primeros de la clase, tuvo una epifanía. "Simplemente decidí que no podía vivir sin las matemáticas", dice. Así que se cambió a una carrera menos prestigiosa de ingeniería eléctrica en la Universidad de Damasco (Siria). "Supuso una gran pelea con mis padres", dice.

25 años después, parece haber sido una buena decisión: Katabi, ahora profesora de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Informáticas y miembro del Laboratorio de Ciencias Informáticas e Inteligencia Artificial (CSAIL, por sus siglas en inglés), se encuentra en su tercer año de una beca MacArthur para "genios" y acaba de volver de presentar algunos de sus trabajos al presidente de EEUU, Barack Obama, en la Casa Blanca. Los protocolos de red basados en su trabajo han llegado a incorporarse en productos comerciales, y su innovadora reinterpretación del problema de la interferencia de frecuencias de radio está cambiando el diseño de las redes inalámbricas. Pero eso no significa que la oposición de sus padres careciera de fundamentos. La medicina no solo representa la profesión más respetada en Siria, sino también ofrecía muchas más oportunidades laborales y atraía a más mujeres.

"La sociedad siria en ese momento era bastante liberal", dice Katabi. Pero aun así, a sus padres les preocupaba que introducirse en una profesión con un porcentaje de mujeres tan bajo le dificultase la vida. "Es algo que incluso en Estados Unidos observamos en algunos campos", dice. Katabi calcula que sólo entre el 10% y el 15% de sus compañeros en la carrera de ingeniería eléctrica eran mujeres.

Después de graduarse – de nuevo entre los primeros de su clase – Katabi emigró a Estados Unidos para realizar sus estudios de postgrado, siguiendo los pasos de su padre, que lo había hecho para estudiar medicina. Después de completar un máster en Ciencias Informáticas en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), se matriculó en un programa de doctorado, bajo la supervisión de David Clark, un científico de investigaciones del Laboratorio de las Ciencias Informáticas (que desde entonces se ha fusionado con el Laboratorio de la Inteligencia Artificial para formar CSAIL) y, durante la mayor parte de la década de 1980, el principal arquitecto de los protocolos de internet.

"Quedó patente muy rápidamente que iba a realizar trabajos increíbles", dice Clark. "Traía consigo una historia personal muy diferente, porque se había formado tanto en la ingeniería eléctrica como en las ciencias informáticas, así que tenía un abanico de capacidades mucho más amplio que muchos estudiantes de ciencias informáticas, y eso le permitió abordar un conjunto distinto de problemas".

La tesis de Katabi trató de protocolos de red, el área de experiencia de Clark, pero empleó un enfoque inusual. Un problema central de la gestión de redes es el control de la congestión – disminuir las transmisiones cuando amenacen con estrangular la red. El mecanismo de control de congestión de internet era que cada ordenador rastreara sus propias transmisiones, y si detectaba señales de congestión, que redujera unilateralmente el ritmo de transmisiones.

Ese enfoque parecía funcionar en la práctica, pero no tenía una base teórica demasiado robusta. Katabi importó unos principios de la teoría del control, que analiza el comportamiento de grandes sistemas dinámicos, al diseño del protocolo de red. Utilizando estos principios junto con sus colaboradores, no sólo pudieron diseñar mejores mecanismos de control de congestión sino también proporcionaron una garantía matemática de que funcionarían a gran escala.

Cisco, el fabricante líder de equipos de red a nivel mundial, ha incorporado desde entonces algunos de los trabajos de Katabi sobre el control de congestión en uno de sus productos. 12 años después de defender su tesis, ganó el premio Test of Time otorgado por el grupo de Comunicaciones y redes de la Asociación de los Sistemas Informáticos, que reconoce investigaciones del pasado que se han demostrado particularmente influyentes.


Foto: Dina Katabi y su equipo han estado trabajando en un nuevo dispositivo para la navegación en interiores y el rastreo de localizaciones. El Yorkshire terrier de Katabi, Mica, actúa como el sujeto de los experimentos sobre el rastreo preciso con señales inalámbricas.

"En algunos sentidos, ella desplazó el estándar necesario para que te publiquen en este espacio", dice Clark. "Después de que ella demostrara la utilidad de la teoría de control para entender estos algoritmos, se volvió mucho más difícil publicar un trabajo sin utilizar ese tipo de análisis".

En 2003, basándose en la fuerza de su tesis, el MIT reclutó a Katabi para formar parte del profesorado. Una de las primeras asignaturas que impartió trataba de redes digitales de comunicación, en colaboración con la informática teórica Muriel Médard, profesora de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Informáticas.

En ese momento, Médard había estado investigando la codificación de redes, que entonces era uno de los nuevos temas más prometedores de la teoría de la información. Con el enrutamiento de internet convencional, si un paquete de datos viaja desde un ordenador de Boston hasta otro en California (ambos en EEUU), tiene exactamente el mismo aspecto al llegar que tuvo al partir. Todos los bits están en el mismo sitio. Cada paquete también sigue una sola ruta determinante por la red. Pero si uno de los enlaces de esa ruta no funciona, el paquete simplemente no pasará.

Con la codificación de red, en lugar de eso, un router concreto de la red mezclaría el contenido de los paquetes que recibe dentro de un plazo de tiempo, enviando los paquetes combinados por todos los enlaces disponibles. Si algún paquete se atasca en un router congestionado, el router puede simplemente descartarlo; cada receptor puede entonces extraer la información destinada sólo a él al identificar el solapamiento de los paquetes híbridos que llegan por otras rutas.

Médard y sus compañeros diseñaron elegantes pruebas matemáticas que establecieron que la codificación de red debería aumentar la capacidad de datos de las redes. Pero fue Katabi, en colaboración con Médard, unos alumnos de postgrado del grupo de Katabi y unos investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), los que demostraron la primera aplicación práctica de la codificación de red, probándola en una comunidad de routers wifi que cubrían dos plantas del Centro Stata del MIT. Encontraron que sus protocolos triplicaron la capacidad de la red.

En 2011, Katabi y Médard fundaron una empresa, Code On Technologies, para comercializar su trabajo en la codificación de red. Desde entonces, Code On Technologies ha unido fuerzas con otras ocho empresas de tecnología inalámbrica para empezar a construir la infraestructura que permitirá que los usuarios inalámbricos se aprovechen de la codificación de red. Las pruebas demuestran que sus sistema es hasta cinco veces más rápido que una red wifi convencional.

Pensar en cómo realizar las elegantes abstracciones de la codificación de red, sin embargo, había atraído la atención de Katabi a uno de los principales problemas de las redes inalámbricas: las interferencias. Si los dispositivos inalámbricos cercanos transmiten al mismo tiempo, las señales de uno interfieren con las señales del otro, produciendo lo que los ingenieros llaman una "colisión". En una red inalámbrica tradicional, una colisión volvería ininteligibles a ambas señales, por lo que los ingenieros han tratado a la colisión como algo que hay que evitar. Las investigaciones de Katabi introdujeron un cambio filosófico en cuanto a cómo se percibe la interferencia. No sólo ha demostrado, junto con sus alumnos, cómo reconstruir informaciones transmitidas en caso de colisiones, también han podido aprovechar las interferencias para aumentar las tasas de datos de las redes inalámbricas.

Para su tesis, Katabi había analizado las redes de comunicaciones al nivel de los paquetes que las atraviesan. Su trabajo con Médard "traspasó de alguna manera el paquete para llegar hasta el bit", dice. "Y en ese punto pensé, ¿por qué parar con el bit? ¿Por qué no adentrarnos más y llegar hasta la señal?"

Después, utilizar las propiedades físicas de las señales inalámbricas para apoyar las operaciones realizadas previamente al nivel del bit se convirtió en un tema recurrente de los trabajos de Katabi. Un ejemplo prominente fue la decodificación en zigzag, que en 2008 ganó el premio del mejor trabajo de Sigcomm, la principal conferencia del grupo ACM de redes y comunicaciones. (El laboratorio de Katabi ganaría este premio de nuevo tres años después, por un sistema que evita la manipulación de implantes médicos accesibles de forma inalámbrica como los marcapasos y los desfibriladores).

"Simplemente decidí que no podría vivir sin las matemáticas".

En su trabajo sobre la descodificación en zigzag, Katabi y sus alumnos describen los algoritmos que analizan colisiones sucesivas de las mismas transmisiones e identifican, en una de ellas, una traza de señal que proviene de un único emisor. Entonces restan esa señal de la otra colisión, recuperando así parte de la transmisión del segundo emisor, que entonces restan de la primera colisión, recuperando parte de la transmisión de la primera señal, y así, zigzagueando de aquí para allá entre las colisiones. Aunque el proceso de descodificación es complejo, los investigadores pudieron demostrar que utilizaba el ancho de banda de forma más eficiente que las otras soluciones para el problema de las colisiones.

En 2012, un algoritmo que Katabi ayudó a desarrollar la transformada de Fourier, esencial para multitud de tareas de procesamiento y que fue seleccionada entre las 10 tecnologías disruptivas de MIT Technology Review de ese año. Ese trabajo fue, de alguna manera, la inversa del proceso que le llevó desde las abstracciones teóricas de la codificación de red hasta las propiedades físicas de las ondas electromagnéticas. Uno de sus alumnos estaba considerando el problema práctico de cómo desenredar señales enviadas por frecuencias distintas al mismo tiempo. Si conoces las frecuencias por adelantado, resulta fácil filtrar las que no interesan: es así como funciona la radio FM. Pero, ¿y si no se conocen las frecuencias de antemano?

Después de que Katabi y su alumno diseñaran un algoritmo altamente eficiente para este problema, se dieron cuenta de que su solución podría ayudar a acelerar la computación de la transformada de Fourier, que descompone una señal compuesta en sus frecuencias constituyentes. Divisado originalmente para el análisis de la transferencia de calor, la transformada de Fourier se emplea ampliamente no sólo en el procesamiento de señales sino también en la compresión de datos, el análisis financiero y la resolución de ecuaciones diferenciales.

Trabajando con Piotr Indyk, otro informático del MIT, Katabi desarrolló un algoritmo que, por primera vez desde la década de 1960, aumenta la velocidad a la que se puede calcular la transformada de Fourier. El algoritmo sólo funciona en un rango concreto de casos, pero en esos casos, la aceleración puede ser drástica – hasta 10 veces más rápida. Además de posibilitar la rápida compresión de terabytes de datos, dice Katabi, es probable que el algoritmo se utilice en la tecnología de resonancia magnética avanzada, el diseño gráfico, la astronomía, la espectroscopia y los métodos de estudiar estructuras de proteínas con tecnología de resonancia magnética nuclear.

En años recientes, Katabi ha estado explorando aplicaciones médicas para tecnologías inalámbricas. Su premiado sistema para proteger los implantes médicos inalámbricos incluye un segundo dispositivo, llamado "Escudo", que podría, en principio, llevarse como reloj o colgante. El escudo bloquea intentos no autorizados de acceder al implante, pero deja pasar transmisiones que emplean la clave criptográfica adecuada. En una situación de emergencia, un profesional sanitario podría simplemente quitar el escudo para enviar nuevas instrucciones al implante.

Katabi y sus alumnos también han explorado una aplicación novedosa de las ondas de radio de frecuencia inalámbrica: las imágenes. Con los primeros resultados, demostraron que podían detectar el movimiento incluso a través de objetos sólidos. Pero más recientemente han demostrado que el procesamiento sofisticado de señales de radio de potencia ultrabaja puede medir el ritmo de respiración humana, e incluso el ritmo cardíaco, desde distancias de docenas de metros.

Los investigadores fundaron una empresa, llamada Emerald, para desarrollar aplicaciones médicas para esta tecnología, como la monitorización en remoto de los constantes vitales para detectar enfermedades en la gente de tercera edad. El producto de Emerald también puede alertar a los profesionales médicos si un paciente sufre una caída. En agosto de 2015, Katabi y el resto del equipo de Emerald fueron invitados al Despacho Oval para demostrar el sistema para el presidente Obama.

Las potenciales aplicaciones médicas de su último trabajo proporcionan a Katabi la sensación de haber cerrado el círculo de su primer año de universidad en Damasco. No ha vuelto a Siria desde el comienzo de la guerra civil, sin embargo. Sus padres tienen pasaportes estadounidenses y podrían irse en cualquier momento. Pero se niegan.

"Les llamo y me dicen: "No te preocupes, ahora todo es muy normal, sólo hay explosiones por la noche, pero en general los días son tranquilos'", dice. "¿De qué habláis? ¿Eso es normal? Me preocupo por ellos constantemente. Pero sus amigos siguen allí. Su vida está allí".

Aunque hace cuatro años que Katabi no ve a sus padres, hay aspectos de sus personalidades que encuentra inevitables. "Creo que saqué lo peor de mi madre y de mi padre, las cosas que odiaba en ellos", dice. "Tengo la impaciencia de mi madre, y tengo mucho carácter, y lo que quiero, lo quiero".

¿Y de su padre? "De él saqué la adición al trabajo", dice. "A mí no me molesta, pero a lo mejor a los que me rodean sí".

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