Durante décadas hemos asumido que, para que un objeto pueda ser identificado por una máquina, hay que añadirle algo: un número de serie, una etiqueta, un código de barras, un QR, una banda magnética, una etiqueta RFID o un chip NFC.
Pero existe otra posibilidad mucho más sorprendente: que el propio material del objeto sea su código de identificación.
Una hoja de papel, una pieza de plástico, una herramienta de acero o el mango de un martillo parecen objetos uniformes a simple vista. Sin embargo, observados a escala microscópica, no existen dos superficies exactamente iguales. Los procesos industriales generan fibras, poros, partículas, irregularidades, granos y pequeñas variaciones imposibles de reproducir con absoluta precisión.
Durante las primeras décadas del siglo XXI, diferentes investigadores comenzaron a utilizar precisamente esa imperfección como fuente de información.
La idea puede resumirse en una frase:
en lugar de imprimir un código sobre un objeto, podemos leer el código que la propia materia creó al fabricarse.
Pero existe además otra tecnología que lleva el concepto todavía más lejos. Se denomina 3D-MID, y permite fabricar piezas tridimensionales cuya propia superficie contiene pistas eléctricas, antenas, sensores o conexiones electrónicas.
Ambas tecnologías son distintas, pero combinadas plantean una posibilidad fascinante: objetos cuya propia materia pueda identificarlos y cuya propia estructura pueda formar parte del circuito electrónico.
Un martillo, un taladro, una pieza de automóvil, una prótesis, una herramienta industrial o incluso una carcasa podrían dejar de ser simples objetos pasivos para convertirse en elementos físicamente identificables y electrónicamente funcionales.
La imperfección como fuente de información
Cuando vemos una superficie aparentemente lisa, nuestro ojo está trabajando a una escala demasiado grande.
Si ampliamos esa misma superficie mediante microscopía, aparece un paisaje completamente diferente.
El papel está formado por fibras distribuidas de manera irregular. Un plástico contiene pequeñas variaciones producidas durante la inyección y el enfriamiento. Un metal presenta granos, arañazos microscópicos, variaciones cristalinas y marcas producidas durante el mecanizado.
Es prácticamente imposible fabricar dos regiones microscópicas absolutamente idénticas.
Esto llevó a una idea fundamental: esas irregularidades podían utilizarse como una huella digital física.
Una huella humana no contiene necesariamente un número escrito. Su utilidad proviene de que su patrón es suficientemente complejo y particular como para distinguir a una persona de otra.
Con determinados materiales ocurre algo parecido.
La información ya está allí.
El problema consiste en aprender a leerla.
El láser y el fenómeno de speckle
Una de las maneras de hacerlo utiliza luz láser.
Un láser genera luz altamente coherente. Cuando esa luz incide sobre una superficie microscópicamente irregular, las ondas reflejadas recorren distancias ligeramente diferentes.
Algunas se refuerzan entre ellas.
Otras se cancelan.
El resultado es un patrón granular formado por zonas claras y oscuras conocido como laser speckle.
Ese dibujo aparentemente caótico contiene información sobre la estructura microscópica de la superficie que ha provocado la dispersión de la luz.
Si volvemos a iluminar correctamente la misma zona, obtenemos una señal altamente correlacionada con la anterior.
Pero si iluminamos otra superficie, aunque aparentemente sea idéntica, obtenemos otra.
Podemos entonces convertir matemáticamente aquella respuesta óptica en una firma digital.
Objeto físico → láser → dispersión óptica → sensores → señal → algoritmo → identificador.
La pieza acaba teniendo una especie de número de serie que nunca fue impreso sobre ella.
Un antecedente fundamental: las funciones físicas de una sola dirección
Antes de la comercialización de la autenticación superficial hubo una línea de investigación que ayudó a establecer las bases conceptuales de estas tecnologías.
En 2001, Ravikanth Srinivasa Pappu, trabajando en el Massachusetts Institute of Technology bajo la supervisión de Neil Gershenfeld, presentó una tesis sobre las llamadas Physical One-Way Functions, o funciones físicas de una sola dirección.
La idea era trasladar al mundo físico una propiedad habitual de la criptografía: operaciones fáciles de realizar en una dirección pero extremadamente difíciles de invertir o reproducir.
Pappu construyó sistemas utilizando estructuras tridimensionales desordenadas. Una de las realizaciones empleaba pequeñas esferas dispersas en un material transparente. Un láser atravesaba aquella estructura y generaba un complejo patrón de speckle.
La posición aleatoria de las partículas actuaba como una enorme cantidad de información física. Fabricar una pieza aproximadamente igual era sencillo; fabricar una copia microscópicamente idéntica era extraordinariamente difícil.
La tesis de Pappu fue presentada en MIT en 2001 y el trabajo relacionado se publicó posteriormente en Science en 2002. MIT explicaba entonces que el sistema aprovechaba una estructura tridimensional desordenada interrogada mediante radiación coherente para generar identificadores resistentes a la clonación.
Con el tiempo, este campo evolucionaría hacia lo que generalmente conocemos como Physical Unclonable Functions o PUF, funciones físicas no clonables.
El principio es profundo porque cambia nuestra manera de pensar sobre la información.
Normalmente creemos que la información es algo que escribimos sobre la materia.
Una PUF aprovecha información que ya existe dentro de la materia debido a las inevitables variaciones físicas de su fabricación.
Russell Cowburn y el descubrimiento que conduciría a Laser Surface Authentication
Pocos años después apareció una versión especialmente interesante porque no necesitaba fabricar deliberadamente una estructura óptica especial.
La superficie ordinaria del objeto podía ser suficiente.
El físico británico Russell P. Cowburn y un grupo de investigadores vinculados principalmente al Imperial College London, junto con colaboradores de Durham University y University of Sheffield, estudiaron cómo podían utilizarse las irregularidades microscópicas naturales de materiales comunes.
La historia tiene además un componente accidental.
Según explicaría posteriormente Ingenia Technology, la tecnología surgió durante investigaciones relacionadas con películas magnéticas. Los investigadores observaron que, al iluminar determinadas superficies, las pequeñas imperfecciones producían patrones aleatorios de dispersión óptica. Aquello que inicialmente podía parecer ruido experimental contenía en realidad información sobre la superficie.
En lugar de intentar eliminar aquel ruido, comenzaron a estudiarlo.
Este tipo de cambio conceptual aparece repetidamente en la historia de la ciencia: algo considerado inicialmente una molestia termina convirtiéndose en la señal que realmente interesa.
La pregunta pasó a ser:
¿y si esas imperfecciones pudieran identificar el objeto?
2005: el artículo de Nature
El punto de inflexión llegó en julio de 2005.
James D. R. Buchanan, Russell P. Cowburn, Ana-Vanessa Jausovec, Dorothée Petit, Peter Seem, Gang Xiong, Del Atkinson, Kate Fenton, Dan Allwood y Matthew Bryan publicaron en Nature el trabajo “Fingerprinting documents and packaging”.
Los investigadores demostraron que documentos de papel, tarjetas plásticas y materiales de embalaje poseían una identidad física derivada de sus imperfecciones microscópicas.
No había que imprimirla.
No había que introducir un microchip.
No había que añadir un pigmento secreto.
La estructura microscópica natural era suficiente.
El artículo afirmaba que estas características podían leerse rápidamente mediante un escáner láser portátil y utilizarse como una huella intrínseca difícil de modificar de manera controlada.
Había nacido la base científica de Laser Surface Authentication, o LSA.
De un laboratorio a una empresa
Para convertir el descubrimiento en un sistema industrial se creó Ingenia Technology, una empresa surgida de aquellas investigaciones.
Imperial College señala que la empresa fue lanzada en 2005 para llevar Laser Surface Authentication al mercado. El objetivo era construir lectores capaces de registrar y posteriormente reconocer la firma física de productos y documentos.
El procedimiento podía dividirse en dos momentos.
En la fabricación o registro inicial, el sistema escaneaba una región determinada del objeto y almacenaba su firma matemática en una base de datos.
Posteriormente, para verificar el objeto, se volvía a examinar aproximadamente la misma región.
El sistema comparaba la nueva señal con la registrada anteriormente.
Si ambas coincidían dentro de los márgenes establecidos, podía determinarse que se trataba del mismo objeto físico.
No simplemente del mismo modelo.
Del mismo ejemplar.
Esta diferencia es enorme.
Un código EAN de una botella identifica normalmente el tipo de producto. Millones de botellas pueden llevar el mismo código.
Una firma física superficial puede, en cambio, identificar una botella determinada entre millones de botellas aparentemente idénticas.
Bayer, PAMP y la Agencia Internacional de Energía Atómica
La tecnología llegó a aplicaciones comerciales y de seguridad reales.
Ingenia colaboró con Bayer Technology Services, que desarrolló una solución denominada Protexxion basada en LSA. En 2007 aquella colaboración recibió el prestigioso Hermes Award de la Hannover Messe. Imperial College describía el dispositivo como un pequeño escáner láser capaz de leer códigos de identidad naturales presentes en diferentes superficies.
Los registros de impacto académico de Imperial también mencionan trabajos y contratos relacionados con el refinador suizo de metales preciosos PAMP, fabricantes de cartón y la Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA).
La aplicación a metales preciosos resulta particularmente interesante.
Un lingote puede llevar números grabados, certificados o embalajes de seguridad.
Pero todos ellos son elementos añadidos.
Si podemos registrar la microestructura del propio metal, la materia del lingote se convierte además en una característica de autenticación.
El principio también fue evaluado para la identificación de sellos empleados en salvaguardias nucleares, precisamente porque verificar el mismo objeto físico puede tener mucho más valor que leer simplemente un número impreso sobre él.
¿Podríamos eliminar entonces los códigos de barras?
En determinados casos, sí.
Pero afirmar que esta tecnología puede eliminar universalmente los códigos de barras sería exagerado.
Un código de barras tiene ventajas extraordinarias.
Es barato.
Puede imprimirse a enorme velocidad.
Los lectores están ampliamente distribuidos.
Y, sobre todo, existen estándares globales que permiten que fabricantes, transportistas, almacenes y comercios entiendan el mismo identificador.
GS1 mantiene la infraestructura internacional que permite relacionar códigos de barras, GTIN, números de serie, lotes y otros datos con los sistemas informáticos de las cadenas de suministro.
Una huella superficial resuelve otro problema.
No pregunta únicamente:
¿qué producto es este?
Puede responder:
¿es exactamente el mismo objeto que registramos anteriormente?
Para bienes baratos vendidos masivamente, imprimir un DataMatrix o un código de barras probablemente seguirá siendo más sencillo.
Pero para herramientas profesionales, componentes aeronáuticos, piezas de automóvil, productos de lujo, obras de arte, documentos importantes, dispositivos médicos, repuestos críticos o elementos que necesiten mantenimiento durante décadas, la identificación física individual puede resultar mucho más interesante.
De hecho, el estándar global de trazabilidad de GS1 reconoce que, además de códigos de barras y RFID, tecnologías sin portador añadido —como sistemas de reconocimiento de imagen— pueden desempeñar un papel en determinados sistemas de identificación.
Por tanto, el futuro probablemente no sea «código de barras contra huella física».
Será una combinación de tecnologías seleccionadas en función del coste, riesgo y aplicación.
Imaginemos un martillo industrial
Tomemos un objeto extremadamente sencillo: un martillo.
Actualmente un fabricante podría colocar un código DataMatrix, un QR, un número de serie o una etiqueta RFID.
Pero imaginemos otro sistema.
Durante la fabricación se selecciona una pequeña región del mango o de la cabeza metálica.
Un lector óptico registra su microestructura.
El sistema obtiene una firma digital y la vincula a una base de datos.
Desde aquel momento, aquel martillo posee una identidad física única.
La base de datos podría relacionar esa identidad con fecha de fabricación, lote, fábrica, acero empleado, tratamientos térmicos, propietario, revisiones, reparaciones o retirada del servicio.
Si alguien sustituye la etiqueta, la identidad física permanece.
Y si alguien fabrica una falsificación visualmente idéntica, no reproduce automáticamente la microestructura registrada.
Esto resulta especialmente interesante en herramientas sometidas a certificaciones, mantenimiento periódico o riesgo de falsificación.
Pero la superficie no es un microchip
Aquí debemos hacer una distinción fundamental.
Una huella LSA o una PUF basada en irregularidades superficiales no convierte automáticamente la superficie en un circuito electrónico.
La materia contiene información, pero esa información es pasiva.
Necesitamos iluminarla, medirla y procesar externamente la respuesta.
Podríamos decir que la superficie funciona como una contraseña física extremadamente compleja, pero no como un microprocesador.
Para conseguir que el propio objeto tenga pistas eléctricas, antenas, conexiones o sensores debemos recurrir a otra familia tecnológica.
Y aquí aparece 3D-MID.
Cuando la carcasa se convierte en placa electrónica
MID significaba originalmente Molded Interconnect Device.
El término comenzó a utilizarse en 1994 para describir piezas tridimensionales moldeadas que combinaban estructura mecánica y conexiones eléctricas. Posteriormente el concepto se amplió hacia Mechatronic Integrated Devices, reflejando la creciente integración de funciones mecánicas, electrónicas y sensoriales.
La idea rompe con la arquitectura electrónica tradicional.
Normalmente fabricamos una carcasa.
Después fabricamos una placa de circuito impreso.
Posteriormente colocamos la PCB dentro de la carcasa.
Añadimos conectores.
Añadimos cables.
Atornillamos unas piezas con otras.
3D-MID permite preguntarnos:
¿por qué la carcasa y el circuito tienen que ser dos objetos diferentes?
Fraunhofer explica que la tecnología MID permite situar circuitos electrónicos directamente sobre componentes plásticos tridimensionales, reduciendo espacio y facilitando sistemas mecatrónicos altamente integrados.
Laser Direct Structuring: dibujar circuitos con un láser
Una de las tecnologías más importantes para fabricar MID es Laser Direct Structuring, conocida como LDS.
La empresa alemana LPKF Laser & Electronics patentó su proceso LDS en el año 2000, aunque la investigación sobre circuitos tridimensionales y otros procedimientos MID había comenzado anteriormente.
El procedimiento es especialmente elegante.
Primero se fabrica mediante moldeo por inyección una pieza de plástico que contiene determinados aditivos.
Después un láser recorre su superficie exactamente por las zonas donde queremos crear las pistas eléctricas.
El láser produce una reacción físico-química que activa el material y además genera una microrrugosidad superficial.
Posteriormente la pieza pasa por un proceso de metalización.
El cobre se deposita preferentemente sobre las zonas activadas por el láser.
Aquellas líneas dibujadas ópticamente se transforman en auténticas pistas conductoras.
Después pueden añadirse capas de níquel, oro, plata u otros acabados según la aplicación.
Así, una simple carcasa de plástico puede convertirse simultáneamente en carcasa y soporte eléctrico.
Un mango de herramienta podría ser parte del circuito
Volvamos a nuestro martillo.
Supongamos que fabricamos un mango de polímero mediante una tecnología compatible con MID.
Sobre la superficie interna o protegida del mango pueden crearse conductores tridimensionales.
Esas pistas podrían conectar un sensor de impacto, un sensor de temperatura, un acelerómetro, una pequeña memoria, una antena NFC, un LED o contactos eléctricos.
La propia geometría del mango serviría como soporte.
Ya no necesitaríamos necesariamente una placa rectangular convencional escondida dentro.
Evidentemente, si necesitamos procesamiento digital complejo probablemente seguiremos incorporando uno o varios componentes semiconductores.
Pero la interconexión eléctrica, la antena, determinados sensores o contactos pueden integrarse en la propia pieza.
LPKF señala precisamente entre las posibilidades de LDS la integración de pistas tridimensionales, antenas, interruptores, conectores y sensores. La tecnología se ha utilizado ampliamente en teléfonos móviles, sensores, automoción y aplicaciones médicas.
Ahora combinemos ambas tecnologías
Aquí aparece la posibilidad más interesante.
Un mismo objeto podría utilizar dos propiedades físicas completamente diferentes.
Por un lado, determinadas zonas de su superficie podrían funcionar como huella física única mediante LSA o tecnologías modernas de PUF óptica.
Por otro, otras zonas podrían contener pistas eléctricas fabricadas mediante MID, LDS, impresión electrónica u otra técnica de electrónica tridimensional.
Nuestro martillo podría entonces tener:
- una identidad física imposible de sustituir simplemente cambiando una etiqueta;
- pistas conductoras integradas en el mango;
- sensores capaces de contar impactos o detectar esfuerzos anormales;
- una antena para comunicación inalámbrica;
- un registro digital asociado a fabricación, mantenimiento y propietario;
- y, si fuera necesario, un pequeño circuito integrado conectado a la estructura electrónica del propio mango.
La primera función no necesita necesariamente un chip.
La segunda tampoco necesita una PCB convencional.
Pero si queremos procesamiento, memoria electrónica activa, comunicación compleja o criptografía digital, probablemente sí seguiremos utilizando semiconductores.
La revolución no consiste en que desaparezcan todos los chips.
Consiste en que dejamos de pensar que toda la electrónica debe estar encerrada dentro de una placa rectangular independiente.
El objeto puede tener dos identidades
Incluso podríamos diferenciar entre una identidad lógica y una identidad física.
La identidad lógica sería algo como:
HAMMER-2026-000138729
Es un número.
Puede almacenarse en una base de datos, imprimirse en un DataMatrix o escribirse en un chip NFC.
La identidad física sería la respuesta óptica obtenida de una determinada región microscópica del objeto.
Ambas podrían vincularse.
Entonces un falsificador no tendría suficiente con copiar el número.
Tampoco sería suficiente copiar el código QR.
El servidor podría solicitar que el lector comprobara además la superficie registrada.
Sería algo parecido a utilizar dos factores de autenticación:
algo que el objeto dice ser + algo que físicamente es.
Fabricar ya sería generar una identidad
Esta es quizá la consecuencia conceptual más interesante de toda esta tecnología.
Actualmente solemos fabricar primero un objeto y después asignarle una identidad.
Fabricación → objeto → número de serie.
Pero si aprovechamos las variaciones microscópicas inevitables del proceso industrial, la secuencia cambia:
fabricación → objeto + identidad física simultáneamente.
No necesitamos diseñar esa identidad concreta.
Aparece espontáneamente como consecuencia de fabricar.
Esto recuerda a las huellas dactilares humanas. El ADN contiene instrucciones para formar los dedos, pero no especifica exactamente cada minúscula bifurcación de cada huella. Parte de su complejidad procede del propio proceso de desarrollo.
En ingeniería podemos aprovechar un fenómeno parecido: la variabilidad microscópica deja de ser solamente tolerancia o defecto y se convierte en información.
¿Puede leerse con una cámara normal?
Esta es una de las direcciones más interesantes para el futuro.
Los sistemas LSA originales empleaban lectores específicamente diseñados, láseres y detectores capaces de medir las señales superficiales con suficiente precisión.
Actualmente, cámaras de alta resolución, iluminación controlada, sensores cada vez más baratos y algoritmos de visión artificial permiten desarrollar nuevas formas de reconocimiento físico.
Sin embargo, no debemos asumir que cualquier teléfono puede sustituir directamente un lector LSA.
La resolución, iluminación, distancia, orientación, desgaste y calidad óptica influyen considerablemente.
Para un sistema industrial serio necesitaríamos definir una región concreta de lectura y controlar las condiciones de adquisición.
Este es uno de los motivos por los que los códigos de barras siguen siendo extraordinariamente competitivos: toleran lectores baratos y existen estándares internacionales muy maduros.
El problema del desgaste
Una herramienta no permanece intacta durante toda su vida.
Recibe golpes.
Se ensucia.
Se oxida.
Se raya.
Puede ser lijada o reparada.
Por tanto, un sistema basado en huellas superficiales debe diseñarse teniendo en cuenta cómo evolucionará aquella superficie.
Una solución sería seleccionar una zona protegida del objeto.
Otra sería registrar varias regiones redundantes.
También pueden emplearse algoritmos capaces de reconocer parcialmente el patrón aunque haya sufrido pequeñas alteraciones.
En determinados casos, una modificación suficientemente importante debería invalidar precisamente la identidad, porque podría indicar manipulación.
La robustez frente al envejecimiento es, por tanto, parte fundamental del diseño.
Del código de barras al «Internet físico de las cosas»
La evolución histórica resulta curiosa.
Primero pusimos números sobre los objetos.
Después convertimos esos números en códigos de barras.
Más tarde aparecieron RFID, QR y NFC.
Posteriormente conectamos sensores y microcontroladores para crear el Internet de las cosas.
Pero la identificación física basada en la materia introduce otro nivel.
El objeto ya no necesita necesariamente declarar quién es mediante una etiqueta añadida.
Podemos preguntárselo a su propia estructura.
Si además combinamos esa identidad con bases de datos distribuidas, registros industriales, firmas digitales o sistemas de trazabilidad, podemos construir una especie de pasaporte digital permanente del producto.
No hace falta necesariamente blockchain. Una base de datos convencional correctamente protegida puede cumplir perfectamente esta función.
Blockchain tendría sentido únicamente cuando varias organizaciones independientes necesiten compartir un registro cuya modificación unilateral quieran dificultar.
Lo importante no es dónde almacenamos los datos.
Lo importante es establecer un vínculo fiable entre el registro digital y el objeto físico real.
Y precisamente ese vínculo es uno de los problemas más difíciles de cualquier sistema de trazabilidad.
Dejar que la materia demuestre quién es
Durante gran parte de la historia industrial hemos intentado eliminar la irregularidad.
Pulimos superficies.
Reducimos tolerancias.
Controlamos defectos.
Buscamos fabricar millones de piezas aparentemente idénticas.
Pero a escala microscópica la igualdad absoluta es prácticamente imposible.
Las tecnologías de autenticación física plantean una estrategia diferente:
en lugar de combatir toda esa aleatoriedad, podemos utilizarla.
Las fibras del papel, la estructura de un plástico, los granos de un metal o las imperfecciones creadas durante un proceso industrial pueden actuar como una fuente natural de identidad.
Las investigaciones de Ravikanth Pappu y otros científicos sobre funciones físicas de una sola dirección demostraron a comienzos de siglo que la complejidad material podía utilizarse criptográficamente.
Russell Cowburn y sus colaboradores demostraron después que ni siquiera era siempre necesario fabricar una estructura especial: las superficies ordinarias ya contenían suficiente complejidad para crear una huella física.
Ingenia Technology convirtió ese principio en Laser Surface Authentication.
Mientras tanto, el desarrollo de 3D-MID y Laser Direct Structuring permitió otro salto: utilizar las propias piezas tridimensionales como soportes de circuitos, antenas y sensores.
Son tecnologías diferentes.
Pero juntas apuntan hacia una transformación mucho mayor.
Quizá el objeto industrial del futuro no lleve simplemente un código pegado, una electrónica instalada y una identidad asignada.
Quizá su superficie sea su identidad.
Su estructura sea parte del circuito.
Su forma sea parte de la antena.
Y su historial digital permanezca asociado a las características físicas generadas el mismo día en que salió de fábrica.
En ese escenario, un martillo dejaría de ser simplemente un trozo de acero unido a un mango.
Podría ser un objeto identificable individualmente, verificable, trazable y electrónicamente funcional.
Y paradójicamente, una de las tecnologías que permitirían hacerlo no dependería de fabricar superficies perfectas.
Dependería precisamente de todo lo contrario:
de que la materia nunca es perfectamente idéntica a otra materia.
