Claudio Gutiérrez C.

EL PAAADIGMA COMPUTACIONALAPLICADO

AL ESTUDIO DE LA VIDA

Rev.Filosofía.Univ.Costa Rica. XXVIII (67/68),183-189,1990

Summary: The computational paradigm has gi-ven birth to a new discipline, paraUel to ArtificialIntelligence, under the name of Artificial Life. Bothare interdisciplinary and make essential use o[ elec-tronic computation. In the case of Al, one wantsto build programs that perform intelligently; in thecase of AL, computer programing offers the mosteconomical and efficacious way of producing theelements whose behavior is the object of study. Inboth cases computing is a methodological tool forexperimenting with models of what-for differentreasons-cannot be experimented directly. More im-portantly, both disciplines constitute a scientificeffort at a high degree of abstraction to promoteunprecedented generalization o[ two of the mostimportant contemporay empirical sciences: psy-chology and biology. Some examples o[ actual ap-plications of the new discipline are presented, andsome technological profections are browsed overoFinaly, some philosophical consequences of AL areexamined.

Resumen: El paradigma computacional hadado origen a una nueva disciplina, paralela a lainteligencia artificial, bajo el nombre de vida arti-ficial. Ambas son interdisciplinarias y hacen usoesencial de la computación electrónica. En el casode lA, se trata de construir programas que mues-tren inteligencia; en el caso de VA, la programa-ción computacional ofrece el medio más económicoy práctico de producir los elementos cuyo compor-tamiento se estudia. En ambos casos la computa-ción es una herramienta para experimentar conmodelos de lo que -por diferentes razones- no puede

ser experimentado directamente. Pero sobre todo,las dos disciplinas constituyen un esfuerzo cientí-fico con un alto grado de abstracción para promo-ver generalizaciones sin precedentes de dos de lasmás importantes ciencias empíricas contemporá-neas, la psicología y la biologia. Se presentan al-gunas aplicaciones concretas de la nueva disciplinay se consideran algunas de sus proyecciones tecno-lógicas. Finalmente, se examinan algunas de lasconsecuencias filosóficas de VA.

Introducción

El tema de la "vida artificial" se relaciona conel tema de la "inteligencia artificial". Ambos térmi-nos se refieren a disciplinas sumamente nuevas yde carácter interdisciplinario. Además, ambas ha-cen uso esencial de las técnicas de la computaciónelectrónica.

La inteligencia artificial (lA) es la más vieja delas dos disciplinas, habiéndose desarrollado a partirde los años cincuenta. La vida artificial (VA) esde ayer: nace en una conferencia sostenida en 1987en Nuevo Méjico que reunió a especialistas de di-versas ciencias, conectados entre sí por el comúninterés' en la nueva disciplina [Langton 89].

La computación electrónica es un componenteesencial de la lA, pues en ella se trata de construirsistemas computacionales capaces de realizar tareasinteligentemente. Es también un componente esen-cial de la VA por cuanto la programación electró-nica ofrece el medio más económico y eficaz deproducir los elementos cuyo' comportamiento estu-dia la disciplina.

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nal hallada es un candidato hipotético aceptablepara explicarla. Pero además, la existencia del pro-grama nos permite efectuar comparaciones, porejemplo entre problemas de la· misma clase condistinto grado de dificultad, que pueden llevar auna confmnación empírica de que la arquitecturamental es isomórfica de la arquitectura computacio-nal (por ejemplo, por correspondencia de la de-manda de recursos del programa en tiempo de pro-ceso y memoria de la máquina, con el tiempo derespuesta de los sujetos humanos en la experimen-tación psicológica).

La existencia de la inteligencia artificial, comodisciplina paralela a la psicología cognoscitiva, haactuado como un estímulo eficaz para mover a lospracticantes y estudiosos de la teoría biológica dela evolución a especular que una parecida relaciónpodrá existir entre la biología evolucionaria y unadisciplina computacional correspondiente. Comoen el caso de la inteligencia artificial, aunque porrazones distintas, la experimentación en vivo de lateoría de la evolución está muy limitada, ya quedebe concretarse a la observación de las huellas dela transformación milenaria de las especies o alrazonamiento analógico sobre los casos históricosde selección artificial. La simulación de esos pro-cesos en un computador, en cambio, puede producirresultados utilizables de importancia en unos cuan-tos minutos.

COMPUTACION y ESTUDIO DE LA VIDA

Ambas ciencias se valen de la computacióncomo instrumento metodológico para experimentarcon modelos de lo que no se puede por distintasrazones, experimentar "en vivo". Ambas tambiénpretenden usar la computación para aplicar sus prin-cipios al orden tecnológico y producir productosútiles.

Pero sobre todo, y además de estas coinciden-cias, ambas disciplinas constituyen un esfuerzocientífico de alto grado de abstracción que pro-mueve generalizaciones sin precedentes sobre dosde las más importantes ciencias empíricas contem-poráneas: la psicología y la biología.

Conceptos

Entendemos por inteligencia artificial una disci-plina que se dedica a procurar que los computadoressean capaces de realizar tareas intelectuales que,si las hicieren los sres humanos, diríamos querequieren inteligencia.

Llamamos Vida Artificial a la realización decomportamientos similares a la vida de parte desistemas hechos por el hombre, consistentes en po-blaciones de entes semiautónomos cuyas interac-ciones locales mutuas están gobernadas por un con-junto de reglas simples. Lo interesante de estassituaciones es que en esos comportamientos se lo-gran observar dinámicas y estructuras de alto nivelque tienen la calidad de propiedades emergentes,originadas en el transcurso del tiempo a partir dela totalidad de las interacciones locales entre loscomponentes de bajo nivel.

Perspectiva metodológica

La inteligencia artificial ofrece una extraordina-ria oportunidad a las ciencias cognoscitivas, espe-cialmente a la psicología cognoscitiva, para estu-diar los fenómenos mentales por un método expe-rimental indirecto, a saber, la realización de teoríassobre la mente en la forma de programas de com-putación. Si postulamos que determinada actividadmental, por ejemplo la solución de determinadaclase de acertijos, se realiza por la aplicación decierto algoritmo (en el sentido de una sucesión depasos para efectuar una tarea), entonces un compu-tador podrá ejecutar el mismo algoritmo con baseen la programación respectiva.

Inmediatamente tendremos una prueba de exis-tencia de ese procedimiento, es decir, habremosdemostrado que, cualquiera que sea la forma enque la mente realiza la tarea, la forma computacio-

Proyecciones abstractas

Además de su utilización metodológica en elapoyo a la psicología cognoscitiva, la inteligenciaartificial produce una consecuencia importante: sihay isomorfismo entre los fenómenos intelectualesmentales y los fenómenos computacionales de lamisma clase, es razonable postular que se trata encada uno de estos casos de una instanciación espe-cífica de procesos formales de mayor generalidad:en el caso de la psicología, realizados en carne ysangre; en el caso de la computación, realizadosen silicio.

Esta clase de reflexión ha llevado a pensadorescomo H. Simon y A. Newell a postular una cienciamás general que la psicología cognoscitiva y quela inteligencia artificial, que las abarca a ambascomo casos especiales, a saber: la ciencia de lainteligencia en general, concebida como una disci-plina altamente formal relacionada con la represen-tación del conocimiento y su manipulación por me-dio de reglas de operación puramente formales. Lapsicología de los seres humanos, de los animales,

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de las máquinas y hasta de los seres extraterrestresserán casos particulares de esta teoría. [Newell,1976].

Los fenómenos biológicos de la evolución hansido estudiados hasta ahora en su encarnación con-creta en especies que mutan, se recombinan, luchancon el ambiente, se reproducen, y -como resultadode esas peripecias- se transforman en otras espe-cies. Pero todo pareciera indicar que estos fenóme-nos son objeto de interés con independencia de laencarnación de las poblaciones en compuestos car-bónicos; igualmente serían interesantes si la basequímica de la vida fuera diferente. Pero si esto esasí, estamos sólo a un paso de entender que losfenómenos de la evolución son independientes dela materia que constituye su objeto, que lo real-mente importante es el aspecto formal de estas in-teracciones. Podemos entonces postular una disci-plina de la vida totalmente formal, análoga a lateoría formal de la inteligencia: en esa disciplinalo importante será la existencia de poblaciones deelementos semejantes que transcurren en el tiempo,son capaces de mutar y recombinar, luchan por lasuperviviencia en un ambiente común y se reprodu-cen a sí mismos. En tal disciplina los elementospueden ser seres vivientes terrestres en el sentidotradicional, seres vivos de otros planetas, robotsen la luna, mano-máquinas herramientas inoculadasen la sangre o formas gráficas en una pantalla elec-trónica fosforecente.

Ejemplos de vida artificial

Los genes, órganos de la herencia, tienen dosfunciones precisas y diferenciables: por un ladoparticipan en la embriologia, influenciando el de-sarrollo del fenotipo en una generación particular;por el otro, participan en la genética, al hacersecopiar al través de la sucesión de generaciones. Enla vida artificial también deben considerarse estasdos dimensiones.

Las embriologías están constreñidas, en el sen-tido de que poseen un conjunto restringido de feno-tipos que les es posible generar, los cuales sonespecificados por un número menor de genes. Enello, como en muchas otras cosas, se parecen a losprogramas de computación, que son capaces deproducir una amplia variedad de efectos con unDÚrnero muy limitado de medios.

En su artículo "La Evolución de la Evolubili-dad", Richard Dawkins nos presenta los resultadosde su trabajo en evolución artificial en que aplicóestos principios. En particular toma en cuenta las

clases de constreñimientos embriológicos; porejemplo, la mayor parte de los animales son simé- .tricos bilateralmente; la segmentación es un fenó-meno de distribución muy amplia; esta segmenta-ción tiene gradientes en una gran cantidad de casos.Las plantas, por su parte, exhiben un alto gradode recursividad en sus ramificaciones (piénsese so-bre todo en los helechos). Todos estos fenómenosse pueden estipular en los "genes" como condicio-nes de desarrollo de una manera general y compac-ta; en cambio, los "fenotipos" las mostrarán comoelaboraciones complicadas, variadas y corpulentas.Ese tipo de economía recuerda el dicho de Leibniz"Dios, como los buenos matemáticos, hace cosasgrandes con medios pequeños", y es un factor co-mún de la biología y de la programación electróni-ca, que está presente de manera relevante en lainvestigación de vida artificial. [Dawkins 89].

Lo que sigue, tomado de la citada obra de Daw-kins, son ejemplos de "biomorfos" producidos porun programa con 9 "genes", uno de los cuales mutaen cada generación; un biomorfo fue seleccionadoen cada generación, con criterios de interés estéticoy similitud con seres vivos.

Nanotecnología

Nanotecnología es una tecnología proyectadabasada en la habilidad general para construir objetosde acuerdo a complejas especificaciones a nivelatómico (un nanómetro cúbico de material contienetípicamente más de un centenar de átomos)( 1).

Hay mucho campo abajo

El precursor de la nanotecnoiogía es el premioNobel en física Richard Feynman, quien en su no-table conferencia de 1959 titulada "Hay MuchoCampo Abajo" [Feynman 60], propuso usar máqui-nas herramientas para hacer máquinas herramientasmás pequeñas que serían usadas para hacer máqui-nas todavía más pequeñas, y así sucesivamentehasta el nivel del átomo. Ya en ese nivel, seríaposible usar tales máquinas para producir moléculasde conformidad con especificaciones, para muy di-versas aplicaciones.

Para dar una idea de lo que esto podría significar,pensemos que componentes computacionales queconsistieran cada uno de unos pocos átomos podríanusar niveles de energía cuantizada o bien los efectosmecánico-cuánticos del giro ("spin'') para realizarsu trabajo. No parece haber ninguna barrera en lasleyes de la física para que con ese enfoque pudiera

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y

COMPUTACION y ESTUDIO DE LA VIDA

reducirse el tamaño de los camputadores hasta quelos dígitos binarios ("bits") fueran átomos y el com-portamiento cuántico reinara supremo. Si tales apa-ratos pudieran diseñarse y ensamblarse serían10.000 veces más rápidos que los transistores con-vencionales.

•+

Podemos pensar que los ribosomas, por ejem-plo, como nanomáquinas herramientas naturales,genéticamente programadas para ensamblar peque-ñas moléculas reactivas en patrones complejos queson capaces de formar máquinas moleculares másgrandes. Las máquinas herramientas de la nanotec-

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nología -aparatos llamados ensambladores- se-rán mucho más generales, ya que podrán progra-marse para permitir la construcción de un ampliorango de estructuras moleculares (el problema decómo les podremos dar a conocer los programasque deben ejecutar es una cuestión abierta que deberádar origen, probablemente, a la disciplina de lasnanocomunicaciones).

A pesar de lo revolucionario de todo este pano-rama, las máquinas moleculares previstas por lananotecnología son sorprendentemente convencio-nales: incluyen poleas y sostenes, motores eléctri-cos, y una gama completa de partes móviles tradi-cionales. El análisis indica que los sistemas lógicosdigitales basados en aparatos moleculares puedenser muy compactos, hasta el extremo de que lacapacidad equivalente a un computador grande(mainframe) podrá acomodarse en un micrón cú-bico (2).

Los ensambladores de primera generación puedenser desarrollados mediante mgeniería proteína;no obstante, los ensambladores de generacionesposteriores se construirán usando otros ensambla-dores. Serán pues típicas aplicaciones de la vidaartificial; no obstante, esto no las hace automática-mente susceptibles de evolución. La distinción me-rece un análisis más detenido. Para realizarlo, tene-mos que parar mientes en las características quenormalmente asociamos con lo viviente, por unaparte, y con lo fabril o típicamente mecánico por laotra [Schneiker 89].

Lo orgánico y lo mecánico

Existe una oposición convencional entre lo orgá-nico y lo mecánico (confróntese "La EvoluciónCreadora" de Henry Bergson) que asimila lo orgá-nico a lo creativo y flexible, y lo mecánico a lorígido y repetitivo. Tal caracterización no es sufi-cientemente rigurosa y naufraga en forma lamenta-ble ante los desarrollos recientes de la computaciónelectrónica y de la robótica que han dado un altogrado de creatividad y flexibilidad a procesos in-cuestionablemente mecánicos. Necesitamos, puesun conjunto de criterios más precisos para distinguirentre el modo fabril y el modo orgánico (3). Ensa-yemos la definición de algunos.

Los seres vivientes se caracterizan por uso in-tenso del transporte difusivo (4), el ensambladopor copulación aleatoria (5), la estructura topoló-gica (6) y las partes adaptativas (7). Los sistemasfabriles, por su parte, se caracterizan por los inver-sos de estos: el transporte canalizado (8), el ensam-

blado posicional (9), la estructura geométrica (10),y las partes inertes (11) [Drexler 89].

Naturaleza de los Nanoreplicadores

Los sistemas vivientes son obvios modelos paralos nanoreplicadores: se reproducen y se basan encomponentes moleculares (por ello mismo los na-noreplicadores pueden considerarse materia deVA). Pero más allá de esto los dos tipos de repli-cadores divergen en estructura y función. Los na-noreplicadores proyectados se parecen más a fábri-cas que a células, corresponden al modo fabril másque al modo orgánico.

Ahora bien, son las características del modoorgánico las que posibilitan la evolución, ya queel cambio implicado en una mutación será probable-mente fatal si el organismo se basa en transportecanalizado, ensamblado posicional, estructura geo-métrica y componentes inertes. Es entonces de es-perar que, incluso habiendo recibido la capacidadde autoreplicarse, la naturaleza mecánica de losnanoreplicadores impedirá a estos instrumentosevolucionar y en esta forma desarrollarse por cami-nos no previstos por sus diseñadores.

Posibilidades de largo plazo

A largo plazo, la nanotecnología podrá producir,por ejemplo, máquinas cirujanas que, trabajandoveinticuatro horas al día por décadas o incluso si-glos, restaurarán tiernamente cerebros congelados,célula por célula, o incluso molécula por moléculaen áreas críticas. Otra posibilidad es que lleguemosa llevar en la sangre nanomáquinas colectoras debasura, superiores a los leucocitos y otros agentesdel patrimonio genético humano, que con la mayor.eficiencia perseguirán y cazarán a una amplia gamade invasores hostiles y dañinos. Aunque parezcaincreíble, hasta diez de estas máquinas podrían in-troducirse dentro de una célula en reparación sinque causen desarreglos de importancia [Schneiker89].

Factorías en la luna

Pasando a otra dimensión, la presencia del cre-cimiento demográfico, la degradación del ambientenatural, el rápido agotamiento de los recursos delplaneta, todo ello significa que el desarrollo de unpoder industrial extraterrestre es inevitable. Es po-sible incluso que nuestra continuación como espe-cie podría muy bien depender de la explotación de

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1. El estadio arcilloso; la transición al siguienteestadio tiene lugar por fijación del dióxido decarbono y del nitrógeno dentro de ácidos orgá-nicos.

COMPUTACION y ESTUDIO DE LA VIDA

recursos extra-terrestres. Al respecto, nuestra lunaofrece abundante provisión de importantes minera-les y tiene un número de ventajas para la factoríaque la hacen atractiva como sede industrial. Dadoel costo y peligro asociado con el uso de trabajado-res humanos en una localización tan remota y aza-rosa, una factoría lunar deberá estar automatizadaen el más alto grado posible [Laing 89].

La instalación lunar deberá ser flexible, de modoque su torrente productivo sea fácilmente modifica-ble por control remoto y requiera un mínimo deatención humana. Sin embargo, siendo así que unafactoría lunar podrá agotar los recursos minerales,descomponerse o pasar a ser obsoleta, tarde otemprano tendrá que ser relocalizada o reconstrui-da. Esto requiere una nueva gran inversión de ca-pital, junto con la presencia, otra vez, de grannúmero de obreros de construcción y toda clase detécnicos en lugares remotos y peligrosos. Al pasarel tiempo, este proceso de sustitución cara y azarosatendrá que ser repetido muchas veces. De ahí queun estudio de NASA [Cliff 80] ha llegado a laconclusión de que el proceso de reposición deequipo debe ser evitado, de modo que una empresade factoría lunar pueda requerir solamente unaúnica inicial inversión de capital.

La solución sugerida es una factoría lunar auto-mática, de múltiple producto, controlada desde latierra, reprogramable y autoreproductora. En esaforma, descendientes sucesivos podrán ser copiasde la factoría original, o bien versiones mejoradas,reorganizadas o aumentadas por control.remoto quereflejan las cambiantes necesidades humanas.

Especulaciones Filosóficas

Origen de la vida

Existen dos escuelas de pensamiento en relacióncon el origen de la vida. Una se basa en la premisade que las 'proteínas aparecieron primero. La se-gunda postula que los ácidos nucléicos aparecieronprimero. Ninguno de estos dos modelos basadosen la química orgánica son plausibles a la luz delos hallazgos geológicos. Recientemente ha surgidouna tercera teoría, la teoría de la arcilla, que enseñala bíblica doctrina de que la vida viene del barro.

Teoría de los tres estadios

De acuerdo con esta teoría sobre el origen de lavida, es verosímil especular que la evolución habrápasado por tres estadios:

2. El estadio carbónico; la culminación del esta-dio carbónico tiene lugar allograrse el despren-dimiento del material genético de su soportearcilloso; la transición al próximo estadio seda por adquisición de conocimiento y "evolu-ción cultural".

3. El estadio del conocimiento; su culminaciónse dará cuando la cultura se autonomice de susostén carbónico.

El surgimiento original

Los primeros organismos fueron cristales mi-croscópicos de arcilla que se reproducían por losprocesos comunes de crecimiento y fractura de cris-tales, y que acarreaban información genética comopatrones de defectos de cristalización. Estos defec-tos tendrán influencia en las propiedades físicas dela arcilla y en sus capacidades catalíticas, y de esamanera habrían proveído a sus poseedores de lacapacidad de controlar parcialmente el medio am-biente de su inmediato vecindario, uno de los atri-butos fundamentales de la vida. [Cairns-Smiths 85] .

El primer "Golpe de Estado" Genético

Los cristales de arcilla que constituyeron losproto-organismos tropezaron por casualidad conuna manera de absorber compuestos carbónicos desu vecindario como materiales de construcción yherramientas, e incluso como depositarios externosde información genética. Esta maquinaria carbó-nica resultó tan eficiente que los proto-organismosque la usaron ganaron la partida contra sus compe-tidores, y pasaron eventualmente a basarse comple-tamente en la química del carbono sin que quedaranvestigios de su pasado cristalino. A. G. Cairn-Smiths, el químico que concibió esta teoría, lo habautizado con el nombre de golpe de estado gené-tico ("genetic takeover") [Cairns-Smiths 82].

El segundo "Golpe de Estado" Genético

Los seres humanos somos híbridos: parte natu-raleza y parte cultura. La parte cultural es construi-da, y depende para su existencia del fundamentobiológico. Las máquinas, como entes puramente

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culturales, no participan de ese dilema de la condi-ción humana. Más tarde o más temprano seráncapaces de manejar su propio diseño y construc-ción, librándose así de los últimos vestigios de susformaletas biológicas; comenzará entonces la etapapost-biológica de la evolución.

Las máquinas podrán continuar nuestra evolu-ción cultural, incluido su cada vez más rápido auto-mejoramiento, sin nosotros, y sin los genes quenos construyeron. Será antonces que nuestro ADNquedará cesante, habiendo pasado la antorcha yperdido la carrera en una competencia planetariacontra sus propias criaturas. A partir de' ese mo-mento y dentro del nuevo orden de cosas, el porta-dor de la información genética será exclusivamenteel conocimiento transmitido de mente a mente. Latotal independencia de la cultura frente a la biologíahabrá quedado consumada [Moravec 89].

NOTAS

(l) Un milímetro es equivalente a 10 a la -3 metros (ununo con tres ceros delante, es decir 0.001).

Una nanómetro es equivalente a 10 a la -9 metros000000ס0.0) 1).

(2) En milímetro es equivalente a 10 a la -3 metros (ununo con tres ceros delante, es decir 0.001).

Un micrón es equivalente a lOala -6 metros .(001סס0.0)(3) Tal vez sea mejor identificar lo que hasta ahora se ha

llamado "mecánico" como "fabril", es decir, propio de las fábri-cas.

(4) En las células vivientes, los sustratos metabólicos sedifunden de enzima a enzima, al igual que se difunden lasmoléculas de ARN con sus bloques de información. En unsistema difusivo, cada unidad está conectada de manera efectivacon todas las otras unidades.

(5) Dícese de los componentes moleculares tales como ARNy las proteínas que componen los ribosomas, los cuales se difun-den y chocan unos con los otros en todas las posiciones yorientaciones posibles. Los que tienen superficies complemen-tarias se integran para formar una nueva estructura.

(6) Las estructuras orgánicas están organizadas topológica-mente, es decir, no tanto con base en la geometría sino en laconectividad. Por ejemplo, la forma de una membrana importamenos que su continuidad. Igualmente, el largo de un músculoes menos importante que los puntos a que está ligado.

(7) La piel crece para cubrir al organismo: no tiene que serrediseñada cuando los genes o el ambiente dan lugar al desarrollode un gigante. Igualmente, el cráneo crece para albergar el

cerebro, los músculos se adaptan al tamaño de los huesos, ylos sistemas vasculares se extienden para permear los tejidos.

(8) En las fábricas se hace uso extenso del tansporte cana-lizado, por ejemplo fajas transportadoras, tubos, cables y varillasde transmisión, para llevar material, energía o información. Enun sistema canalizado prototípico cada máquina debe estar ligadaespecíficamente con sus suplidoras y con sus consumidoras.

(9) Las fábricas automatizadas hacen uso del ensamblajeposicional. Su prototipo es el robot ciego que impulsa un ejedentro de la localización esperada de un agujero.

(10) Dícese de los componentes que tienen tamaños, formasy posiciones definidas en relación unos con los otros; la resul-tante geometría fija se presta para el ensamblaje posicional yel transporte canalizado.

(11) El prototípico componente inerte es un objeto rígidocuya forma especial calza estrictamente en otro componente(como la tuerca y el tornillo). Un cambio en uno de ellos exigeun cambio correspondiente en el otro, si es que se quiere quesigan con la capacidad de integrarse. .

BmLIOGRAFIA

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Ciaudio GutiérrezUniversity of Delaware

Newark, Del. 19716U.S.A.