La experimentación a distancia reconfigura el mundo de la investigación

Todos recordamos el impacto de los paros en nuestra vida cotidiana en la primavera de 2020. Sin embargo, no sólo los restaurantes, salones, floristerías y librerías tuvieron que cerrar sus puertas. Las instalaciones nacionales de investigación de usuarios cerraron la mayor parte de sus operaciones, cerrando las puertas a miles de científicos visitantes y paralizando la investigación de nuevas baterías, medicamentos y muchos otros materiales, en un momento en que el país necesitaba estas instalaciones más que nunca. Debido a esto, siete centros de investigación de usuarios decidieron formar un equipo de expertos, el Grupo de Trabajo de Acceso Remoto (RAWG), para averiguar cómo estos centros podrían mantener la ciencia en marcha incluso cuando los investigadores no pudieran acceder a ellos en persona.

La solución es tan sencilla como difícil. Los centros de investigación que atienden a los investigadores visitantes tienen que crear un entorno en el que se puedan realizar experimentos a distancia, sin apenas interacción humana. Los científicos han bautizado esta nueva forma de investigar como experimentación remota. Aunque cada centro comenzó el inesperado viaje hacia la experimentación remota por su cuenta, el RAWG ha reunido todas las ideas diferentes para ayudar a cada centro a superar los numerosos retos encontrados en el camino.

La mayor parte de los retos se deben a la naturaleza del funcionamiento de estas instalaciones. Las siete instalaciones son fuentes de neutrones o de luz financiadas por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Esto significa que generan haces de neutrones o rayos X muy intensos que los científicos visitantes utilizan para estudiar el funcionamiento interno de los materiales. Estos investigadores visitantes, o usuarios, colaboran con el personal de las instalaciones para estudiar desde momias antiguas hasta nuevos materiales cuánticos, generando nuevos conocimientos a diario.

La desolación de COVID-19

En un mundo anterior a COVID-19, estas instalaciones de los usuarios eran un centro para los equipos de investigación. Los científicos viajaban a ellas, utilizaban herramientas únicas para estudiar sus materiales, trabajaban con personas brillantes en todo tipo de cuestiones científicas y salían de las instalaciones con nuevos datos que podían responder a estas preguntas. Con la pandemia en curso, viajar a una instalación en un estado diferente -y mucho menos a un país diferente- no es una opción. Y con esto, el ciclo bien establecido de creación de nuevos conocimientos se rompió.

Para reiniciar este ciclo sin volver a las viejas costumbres, cada instalación se enfrentó a una serie de retos que iban desde cómo controlar un experimento a distancia hasta cómo hacer llegar las muestras a la instalación en primer lugar. Esto fue sólo la punta del iceberg de los problemas que creó la pandemia. La misión del RAWG es compartir experiencias y soluciones para estos problemas entre las instalaciones.

El compañerismo de la experimentación a distancia

El RAWG se creó a partir de la colaboración existente entre las cinco instalaciones de fuentes de luz del DOE. Sus directores se reúnen dos veces al año para debatir sobre los retos comunes y así poder formar equipos que aborden los distintos problemas. Por consecuencia, era natural volver a unir fuerzas cuando llegó COVID-19.

A las fuentes de luz -la Advanced Light Source (ALS), la Advanced Photon Source (APS), la Linac Coherent Light Source (LCLS), la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) y la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL)- pronto se unieron las dos fuentes de neutrones del Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

Una vez reunido el equipo, llegó el momento de identificar los retos y comenzar el viaje para encontrar sus soluciones.

Definir la disposición del terreno: Encuestas

“Los directores de las instalaciones vieron que los experimentos a distancia eran un reto para todos nosotros durante la pandemia, pero que no iban a desaparecer después de la pandemia. Por lo tanto, necesitábamos hacer un esfuerzo coordinado serio para entender los problemas y trabajar juntos en las soluciones”, afirmó Dula Parkinson, un científico de línea de haz, adjunto para las operaciones de ciencia de fotones en ALS, y miembro del RAWG. “Cuando empezamos a compartir experiencias entre las instalaciones, fue bueno escuchar que otros estaban luchando con los mismos desafíos que nosotros. Rápidamente identificamos algunos de los más urgentes en los que podíamos trabajar juntos”.

El equipo compartía desde ideas hasta documentos, pero este cambio a la experimentación a distancia afectaba a todos los aspectos del funcionamiento de las instalaciones. Así que necesitaban más información y más puntos de vista.

“Realizamos varias encuestas para conocer los problemas que veían el personal y los usuarios”, explica Ritimukta Sarangi, científico jefe de espectroscopia de rayos X duros del SSRL y miembro del RAWG. “Nuestras encuestas arrojaron luz sobre algunas cuestiones que no estaban claras al principio. Por ejemplo, la mayoría de los usuarios consideraban que sus necesidades experimentales podían satisfacerse mediante la experimentación a distancia, mientras que la mayoría de los miembros del personal de las instalaciones eran más críticos con esa opción. Los resultados también revelaron un cambio en las actividades del personal de las fuentes de luz. Pasaron de desarrollar y mantener la instrumentación para la ciencia de los usuarios a participar activamente en los experimentos de los usuarios”.

Un asiento virtual en la mesa: Foro y página web

“Nos dimos cuenta muy pronto de que la comunicación era fundamental. Si queríamos aprender de los progresos de los demás, necesitábamos un lugar donde compartir nuestras experiencias. En NSLS-II teníamos una reunión semanal virtual para que el personal mostrara sus proyectos a otros miembros del personal. Nos funcionó bien. Así que el RAWG decidió crear una serie de reuniones con el personal de todas las instalaciones con este fin”, mencionó Lisa Miller, bioquímica, directora de la oficina de servicios al usuario, comunicación, educación y divulgación del NSLS-II, y miembro del RAWG.

El Foro de la Fuente de Neutrones y Luz, que se celebra mensualmente, es una oportunidad para que el personal de todas las instalaciones presente sus proyectos actuales relacionados con la experimentación a distancia. Cada sesión cuenta con un ponente diferente de una de las instalaciones y garantiza que la presentación o demostración vaya seguida de un debate en el que participan expertos de otras instalaciones.

“El equilibrio entre la presentación y el debate es importante. Todos podemos aprender de los demás. El foro ofrece un intercambio directo entre el personal de nuestras instalaciones que no había existido antes de esta forma. Grabamos las sesiones. Junto con las diapositivas, alojamos las presentaciones en nuestro sitio web. Nuestro sitio web se está convirtiendo en un gran recurso para todos los que trabajan en este tema. Además, también alojamos todas las presentaciones del RAWG en un canal de YouTube”, afirmó Alex Wallace, ingeniero, jefe del departamento de desarrollo de sistemas de control de experimentos del LCLS y miembro del RAWG.

Preparando el equipo: Control de las líneas de luz

“En el primer plano de todo esto estaba la cuestión de cómo podemos realizar un experimento en una línea de luz sin estar realmente allí. Por supuesto, la línea de luz está controlada por un ordenador, pero éste suele estar a poca distancia del instrumento”, aseguró Stuart Wilkins, físico, director del programa de ciencia de datos e integración de sistemas en el NSLS-II y miembro del RAWG. “Ahora, necesitábamos crear una solución que permitiera a un usuario iniciar sesión en ese ordenador desde cualquier lugar y que, al mismo tiempo, lo mantuviera seguro, garantizando que cada parte del experimento -un motor, una fuente de calor, un detector, lo que sea- funcionara sin problemas, y haciendo que funcionara las 24 horas del día”.

Todas las instalaciones utilizaron software seguro de acceso remoto para conectarse a su instrumentación. Esto permitió a los investigadores ver e interactuar con programas como el software de medición que se ejecutaba en los ordenadores de los demás. Al compartir sus experiencias durante los foros, las diferentes instalaciones pudieron identificar las mejores soluciones de software para sus líneas de luz.

“La realización de experimentos reales a distancia requiere también una comunicación eficaz en tiempo real entre el personal y los usuarios de su institución de origen. Aquí, de nuevo, todas las instalaciones experimentaron con diferentes métodos de videoconferencias, conexiones de audio, pantallas compartidas y transmisiones de vídeo”, mencionó Wallace. “Es importante encontrar las cámaras, los micrófonos y las herramientas de vídeo adecuadas. Así que nos aseguramos de que las experiencias y soluciones se compartieran entre todas las instalaciones”.

Nuevos compañeros de viaje: Robots

“Sustituir lo que puede hacer un humano en la línea de luz no es fácil, ni siquiera algo tan sencillo como cambiar una muestra. Las muestras de cada usuario son diferentes, y encontrar una solución robótica que pueda manejar diferentes tipos de muestras es un verdadero desafío. Nuestros expertos empezaron adaptando soluciones de APS; ahora, estamos compartiendo nuevas soluciones con las demás instalaciones. Una vez que los robots pueden manejar las diferentes muestras, tenemos que integrar sus controles con el resto de la línea de luz, pero todos estamos aprendiendo de los demás la mejor manera de hacerlo. Se trata de una gran colaboración, que comenzó gracias al trabajo del RAWG”, dijo Kevin Stone, científico de la división de ciencia de los materiales del SSRL y miembro del RAWG.

En las instalaciones de fuentes de luz, la automatización era una nueva tendencia para la totalidad de las líneas de haz antes de la pandemia, debido a los desafíos creados por las diferentes formas de las muestras. Sin embargo, incluso antes del actual impulso al acceso remoto, los desarrollos en la automatización ofrecían ventajas a todas las líneas de luz de alguna manera. La pandemia sólo obligó a estas instalaciones a invertir en más automatización que antes.

“Siempre hay presión para ser más eficientes con nuestros limitados recursos. Antes de la pandemia, nuestro personal manejaba aproximadamente 1.500 usuarios, 800 experimentos y 10.000 muestras al año. Para ese volumen de trabajo, la automatización es necesaria siempre que sea posible. Aplicando los robots y la automatización en los lugares adecuados, aumentamos nuestra productividad y permitimos a los científicos centrarse en la ciencia en lugar de en los cambios de muestras a las 3 de la mañana”, mencionó Harley Skorpenske, líder del grupo de apoyo científico en las fuentes de neutrones de Oak Ridge y miembro del RAWG. “Durante la pandemia, un tema común fue el ‘desplazamiento de la carga’. En este caso, nuestros 1.500 usuarios pasaron a ser remotos, y nuestro personal realizó todas las actividades in situ. Siempre hemos apreciado la automatización del sueño que nos permitía, pero ahora es absolutamente crítica para nuestras operaciones”.

De ida y vuelta: Muestra de envío

“Un problema realmente importante era el envío, el seguimiento y la manipulación de las muestras durante los experimentos, que tradicionalmente ha sido supervisado por el usuario con herramientas proporcionadas por la instalación para ayudar al transporte y la manipulación segura. Durante las órdenes de refugio en el lugar y las operaciones remotas, estas responsabilidades recaen sobre los hombros del personal de la línea de luz, que no está preparado para manejarlas. Es una tarea enorme cuando hay cientos de muestras por línea de luz en un año”, afirmó Sarangi. “El foro fue estupendo para intercambiar ideas sobre soluciones. Aprendimos y adaptamos el proceso de envío, manipulación y comunicación de las líneas de luz de cristalografía. Hace tiempo que se han optimizado para las operaciones de acceso remoto”.

Las líneas de cristalografía estudian diminutos cristales de proteínas congelados para comprender su estructura a escala atómica. Dado que estos cristales tienen siempre aproximadamente la misma forma, los investigadores concentraron sus esfuerzos de desarrollo en la experimentación automatizada con robots rápidos incluso antes de la pandemia. La mayoría de las demás líneas de luz miden datos sobre muestras de diversas formas y estados físicos (por proponer un ejemplo, líquido, sólido, caliente, frío, etc.). Estas líneas de luz invirtieron en otra instrumentación para sus experimentos, mientras que las herramientas de acceso remoto sólo se desarrollaron parcialmente.

“Cuando un sistema está sometido a estrés, se obtiene una nueva perspectiva sobre sus puntos débiles y fuertes. Como instalación de neutrones, tenemos la obligación de hacer un seguimiento de nuestras muestras debido a la radiación. Durante más de una década, el personal de nuestro laboratorio ha desarrollado y apoyado nuestros protocolos de seguimiento y envío de muestras, y ha sido una absoluta bendición durante el COVID. Creo que no se puede exagerar el valor de compartir nuestro éxito con el foro del RAWG, y la ampliación de nuestra perspectiva sobre los problemas colectivos que presenta la pandemia”, dijo Skorpenske.

Escarbando en el tesoro: Datos y visualización

“La última área, aunque no la menos importante, es la de los datos. Es importante asegurarse de que el usuario obtiene sus datos y puede producir resultados lo más rápidamente posible. Esto significa no sólo después del experimento, sino también mientras aún está en marcha, en caso de que quieran ajustar la siguiente ejecución”, afirmó Alec Sandy, un director de división asociado en APS y miembro de RAWG. “Muchas instalaciones aceleraron el trabajo en curso sobre la transmisión de datos a portales para que los usuarios puedan acceder a ellos. Tuvimos presentaciones interesantes sobre esto en el foro”.

Los datos de las fuentes de neutrones y de luz pueden presentarse de muchas formas diferentes. Por consecuencia, la solución para distribuir los datos a una amplia gama de usuarios tiene que ser capaz de manejar todos los diferentes formatos y ofrecer varias maneras de acceder a ellos de forma segura.

“Hacer que los datos estén disponibles es sólo una parte del rompecabezas. Ayudar a los investigadores a visualizar sus datos también es esencial. Con las herramientas online adecuadas, la visualización rápida durante un experimento puede mejorar el éxito del mismo. Para avanzar en este campo, estamos colaborando con el Comité Directivo de Informática de los Directores de Fuentes Luminosas, que se fundó para trabajar en todas las cuestiones relacionadas con los datos y la informática antes de la pandemia”, mencionó Suresh Narayanan, jefe de grupo de la línea de luz en APS y miembro del RAWG.

El regreso de las operaciones híbridas con el usuario

Aunque algunos de estos retos se han resuelto en las distintas instalaciones, para muchas de ellas el camino hacia nuevas soluciones continúa. El RAWG, junto con el personal de todas las instalaciones, sigue manteniendo los experimentos en marcha para que la ciencia avance.

La serie de foros mensuales continuará mejorando el intercambio entre todas las instalaciones a lo largo de 2022, mientras que el RAWG seguirá trabajando con otros grupos generales, como el de informática, para hacer avanzar el acceso remoto.

En general, todas las instalaciones han llegado a la conclusión de que la experimentación a distancia se mantendrá más allá de COVID-19 debido a sus cuantiosas ventajas. Abre las puertas a una mayor colaboración con los investigadores que no pueden viajar por motivos personales o profesionales. Permite que las instalaciones de los usuarios lleguen a más investigadores, lo que a su vez abrirá vías para una ciencia más apasionante en el futuro. Este es el comienzo de una nueva era de operaciones híbridas en las instalaciones de fuentes de neutrones y de luz.

[content-egg module=Youtube template=custom/simple]