En anteriores posts, el mantenimiento predictivo fue mencionado como uno de los principales habilitadores digitales de la Industria 4.0. El mantenimiento, ligado a la revolución industrial, sin embargo, nos ha acompañado en nuestra evolución como seres humanos.
Desde la prehistoria, nuestros antepasados han construido herramientas que sufrían desgaste y que, a veces, se rompían sin previo aviso. La solución era simple: tallar una nueva herramienta. Al crear mecanismos más elaborados (e.g. rueda de madera), la alternativa natural al desecho se convirtió en la reparación a cargo del artesano. Los telares mecánicos de la Primera Revolución Industrial eran aún más complicados de reparar por lo que surgieron oficios específicos que evolucionaron hacia los operarios de mantenimiento actuales. Durante esta evolución, el desgaste y las roturas de piezas sin previo aviso continuaba siendo parte del día a día de las fábricas.
¿Por qué se ha roto de repente este engranaje que ayer funcionaba perfectamente? El cerebro humano puede asimilar conceptos como la linealidad de acontecimientos (estaciones, noche y día, …) o incluso eventos que suceden a intervalos más o menos regulares. Sin embargo, estos imprevistos desquiciaban a los operarios. ¿Cómo podemos asegurarnos de que ese engranaje no vuelva a romperse? La respuesta era biológicamente predecible: “… pararemos la máquina cada 2 días (por ejemplo) y revisaremos el desgaste del engranaje…”
Esta tradición ha derivado en la práctica habitual del mantenimiento que se aplica en la industria y en productos de consumo como, por ejemplo, nuestros automóviles. Nuestro concesionario nos obliga a realizar revisiones periódicas (e.g. cada 10.000 km) para comprobar elementos críticos (frenos, correa de distribución, …) y cambiar piezas con un mayor desgaste (ruedas, filtros …). Esto se denomina mantenimiento preventivo, y se aplica en fábricas u otro tipo de instalaciones (e.g. aerogeneradores) para evitar averías imprevistas. Sin embargo, estas averías no se pueden eliminar (son eso, imprevistas) y es necesaria su reparación. Hablamos de mantenimiento correctivo. El que nadie quiere hacer.
¿Cómo ponerle freno a toda esta catarata de averías inesperadas, gastos de reparación y revisiones innecesarias? Una de las disciplinas en las que más ha trabajado CARTIF desde sus inicios es el mantenimiento predictivo que persigue mitigar (no sería realista asumir que vamos a eliminar lo imprevisto) las averías inesperadas y reducir las revisiones periódicas de las máquinas. De nuevo el mantenimiento predictivo puede explicarse como una respuesta biológica previsible al problema de averías inesperadas. Se basa en la revisión periódica usando señales características del entorno o de la propia máquina que nos puedan indicar de forma anticipada un funcionamiento anómalo. La ventaja de este mantenimiento es que no requiere parar la máquina como en el preventivo. Por ejemplo, un motor eléctrico puede tener un consumo normal cuando funciona correctamente, pero este consumo aumentará si algún elemento del motor sufre algún desgaste excesivo. Vigilando el consumo de forma adecuada podemos entonces detectar averías incipientes.
Siguiendo con el ejemplo del motor eléctrico, ¿cuál debe ser la variación mínima de consumo a tener en cuenta para decidir que debemos parar el motor eléctrico y efectuar una reparación? Como en muchas decisiones de la vida, es necesario aplicar un criterio de coste/beneficio, valorando cuánto podemos perder si no reparamos dicho motor frente a cuánto va a costar la reparación. ¿Cómo reducir la incertidumbre en esta decisión? La respuesta es una predicción fiable de la evolución de la avería. Esta predicción estará influenciada por muchísimos factores, algunos de ellos desconocidos (es algo aleatorio como hemos dicho). Sin embargo, los dos principales a tener en cuenta en la predicción son el tipo de evolución de la avería (e.g. la evolución de la avería en una pieza frágil será muy diferente a una pieza más o menos elástica) y el régimen de trabajo al que se verá sometida la máquina (un ventilador encendido las 24 horas del día, frente al motor de un ascensor que arranca y para cada vez que alguien pulsa el botón en un piso). Una predicción fiable permitirá al responsable de mantenimiento elegir, junto con la previsión de carga productiva de la instalación, la opción más beneficiosa, que en muchos casos suele ser la planificación de la intervención de mantenimiento sin que afecte a la producción.
Otro efecto beneficioso del mantenimiento predictivo es que un tratamiento adecuado de las señales medidas ofrece indicios de qué elemento está fallando. Esto se denomina el diagnóstico de la avería y contribuye a reducir la incertidumbre en la acción de mantenimiento más adecuada. Un ejemplo es la medición de vibraciones que permiten diferenciar una avería de un motor eléctrico que tiene un exceso de vibración por un cortocircuito incipiente o debido a un rodamiento dañado. Pero eso es materia de otro post.
La Iniciativa Internacional de Compra Pública Sostenible (SPPI, Sustainable Public Procurement Iniciative) es el instrumento político fundamental a día de hoy para promover el desarrollo sostenible y avanzar hacia una economía verde que fomente el desarrollo de productos y servicios sostenibles, maximizando los beneficios sociales y medioambientales. Las Directivas de la Comisión Europea obligan a las administraciones públicas a basar sus decisiones de adjudicación en el principio de la oferta económicamente más ventajosa (MEAT), centrándose en los costes del ciclo de vida y en los productos social y medioambientalmente sostenibles. Los Estados miembros deben fomentar en general el análisis del coste de todo el ciclo de vida como una práctica habitual en las inversiones a largo plazo.
La inversión en infraestructuras de transporte tiene un impacto positivo en el crecimiento económico. Crean riqueza y puestos de trabajo, pero ha de hacerse de forma que se maximicen esos impactos positivos y se minimice el impacto negativo en el medioambiente. Concretamente, el transporte por ferrocarril supone el 0,2% de las emisiones globales en la UE27. De esas emisiones, la infraestructura supone el 28%, y la mitad se producen durante su construcción. Esto ilustra el alto impacto ambiental de estas actividades.
En el artículo del blog de IODC “Luchando contra el cambio climático: el reto de datos definitivo”, se defiende que los datos son más poderosos cuando están disponibles como datos abiertos o públicos y que los científicos no sólo utilizan los datos para monitorizar el cambio climático, sino también para ayudar a aportar soluciones, combinando la ciencia de los datos con la ciencia del clima.
En línea con estas ideas, hay una iniciativa, parcialmente financiada por el Programa LIFE+ de la Comisión Europea, que combina el análisis de ciclo de vida (ACV) con técnicas de análisis inteligente de datos, con el fin de mejorar la sostenibilidad de los procesos de construcción de infraestructuras ferroviarias, considerando aspectos ambientales, económicos y sociales. El objetivo es reducir las huellas de carbono e hídrica de los proyectos de construcción de infraestructuras ferroviarias desde las etapas iniciales, i.e. el diseño y la planificación.
En una reciente conferencia, Martina Werner, miembro del Parlamento Europeo y del Comité ITRE sobre Industria, Investigación y Energía, defendía que muchos fabricantes se limitan a competir en base al precio, mientras que un desarrollo riguroso de las directivas de compra, y particularmente del principio MEAT, puede proporcionar a los proveedores una ventaja competitiva. En la actualidad se tienen en cuenta numerosos factores durante el proceso de compra, incluyendo la fiabilidad de la cadena de suministro, los servicios, los costes de mantenimiento, factores medioambientales y criterios de responsabilidad social corporativa.
A partir del impacto medioambiental y social de las tareas más importantes, una herramienta de acceso abierto proporciona los valores de las huellas y determinados indicadores sociales y medioambientales como datos abiertos, para promover la incorporación de criterios medioambientales en los proyectos de construcción. Esta herramienta está disponible online, con toda la información relacionada con ACV y ACV Social (SLCA) y pretende difundir el desarrollo sostenible y allanar el camino para que administraciones públicas y licitadores utilicen este tipo de herramientas.
La filosofía taoísta establece a través del Ying y el Yang la dualidad que presenta todo lo que existe en el universo, de forma que siempre hay dos fuerzas antagonistas y complementarias que se necesitan mutuamente. Difícilmente se puede apreciar el valor de la paz sin la existencia de guerras, o de la salud si no hubiera enfermedades.
Este enfoque dual también es aplicable a la tecnología, imponiendo condiciones que en muchas ocasiones son opuestas, pero que permiten el equilibrio de los sistemas. Según establece la Termodinámica, para la producción de frío (extracción de calor a un foco de menor temperatura) tenemos que aportar energía exterior y disipar calor a un medio que está más caliente que la zona que queremos enfriar, de forma que el calor y el frío conviven como si del Ying y el Yang se tratara.
Las condiciones de habitabilidad que los seres vivos tenemos, nos obligan a mantener una temperatura adecuada para poder realizar los procesos vitales, de forma que valores entorno a los 23 ºC, nos permiten estar confortables. Sin embargo, el clima y las condiciones exteriores presentan valores en ocasiones muy alejados de este óptimo: desde los -40ºC que puede haber en las zonas próximas a los polos, hasta los 55ºC que puede haber en verano en las zonas próximas al ecuador, siendo en esencia la presencia o ausencia de radiación solar la que origina estas diferencias.
La tecnología ha desarrollado sistemas para la transformación de la energía solar en calor o electricidad, siendo por ello aplicable tanto a calefacción como a refrigeraciónsolar. La ausencia de radiación solar produce la necesidad de calefacción, y por lo tanto parece poco probable que podamos aprovechar la radiación disponible -que en general será pequeña- para calefacción. Sin embargo, la necesidad de frío sí va a estar en general asociada a la presencia de radiación solar, como si del Ying y el Yang se tratara también. De hecho, la climatización es una de las tecnologías estrella para el mundial de Qatar, en el que se van a utilizar campos de fútbol con refrigeración solar (Wolfgang Kessling:” Cómo climatizar un estadio” o en inglés “How to air-condition outdoor spaces”).
La refrigeración solar propone un conjunto de tecnologías en las que se aprovecha la radiación solar para producir frío, bien a partir de agua previamente calentada con captadores solares y sistemas sorbentes (máquinas de absorción o adsorción), bien a partir de electricidad producida con solar fotovoltaica para accionar un sistema basado en compresor. Como en el caso de los hermanos de “Hombre rico, hombre pobre”, su evolución temporal ha sido y es diferente.
Hasta hace 10 años, eran los sistemas de frío solar basados en máquinas sorbentes los que disponían de un mayor número de aplicaciones y desarrollos tecnológicos. Por aquellos tiempos, la fotovoltaica era cara. Sin embargo, con la reducción del coste que ha sufrido recientemente, el uso de fotovoltaica para producir frío solar está aumentando de manera importante. Por otro lado, hay fabricantes de máquinas de absorción con sistemas de triple efecto y rendimientos del 180% dispuestos a presentar una dura batalla por la climatización con radiación solar.
En cualquier caso e independientemente de la tecnología que se imponga, lo que tengo claro es que el futuro del frío es caliente, tan caliente como el Sol.
La agricultura y la ganadería son actividades económicas que en algunos lugares de Europa tienen un alto valor social. Además, hay que sumar el peso que tienen en la economía de muchas regiones y la importancia que se les da en las políticas de la Unión Europea. A pesar de esto, los agricultores y ganaderos no tienen fácil conseguir un rendimiento económico similar al que en su entorno social obtienen otras profesiones.
Desde la Ilustración, se han venido produciendo descubrimientos e invenciones que han permitido a la agricultura y a la ganadería mejorar las cosechas, las razas y, en general, el rendimiento de las explotaciones. El siglo XXI ha traído Internet y el Internet de las Cosas. Ni la agricultura ni la ganadería van a dejar de aprovecharse de las tecnologías de El Internet de las Cosas. Trata sobre la comunicación entre las máquinas y se apoya en la computación en la nube y en redes de sensores. Es móvil, virtual y necesita de conexiones a Internet fiables. Permite dotar a las máquinas y a los procesos de percepción del entorno y de la inteligencia necesaria para optimizar su funcionamiento por sí mismos.
La agricultura y ganadería de precisión pueden ser la puerta de entrada del Internet de las Cosas en esta actividad milenaria. Se trata de dotar de sensores a todos los elementos que participan en el proceso, desde el suelo de las parcelas hasta la maquinaria, pasando por las plantas o los animales, para tomar decisiones a partir de los datos que generan, como ya contamos aquí.
Pero, aunque el Internet de las Cosas puede mejorar el rendimiento de las explotaciones, no podemos olvidar que los precios que reciben los agricultores y ganaderos por sus productos los fija el mercado. La Política Agraria Común (PAC) ha ido evolucionando a lo largo de las décadas desde una posición proteccionista (anterior a la entrada de España en la UE), hasta la situación actual, en la que el mercado está prácticamente desregulado y, por lo tanto, las rentas de los agricultores y ganaderos están sujetas a los vaivenes del mercado. Estando así las cosas, una organización de la oferta podría ayudar al sector agropecuario a defender sus intereses. ¿Podría el Internet de las Cosas contribuir a la organización de la oferta de la agricultura?
Imaginemos una región en la que todas las explotaciones tuvieran implantado el Internet de las Cosas para desarrollar sus tareas de manera eficiente. En principio sólo sería un paso más en la tecnificación agropecuaria, y supondría el registro de todos los parámetros que determinan el rendimiento de una explotación y que describen su estado. Imaginemos ahora que todas las explotaciones se comunican entre sí de manera autónoma y comparten toda la información que registran los sensores. Imaginemos, por fin, que esa red de explotaciones por la que fluye toda la información tuviera inteligencia.
Esta inteligencia artificial recibiría, además, información sobre quiénes son y dónde están los posibles compradores, los precios que pagan, el estado de las cosechasen regiones competidoras, las predicciones de mercado y climáticas. Con toda esta información sobre el estado de las explotaciones y del mercado, esta inteligencia artificial gestionaría las explotaciones a las que está conectada, sugiriendo a los agricultores y ganaderos diferentes acciones con el objetivo de maximizar los precios de venta. Por ejemplo, podría llegar a la conclusión de que el precio máximo de cierto producto se obtendrá si se oferta cierto número de toneladas a determinado comprador en determinado día. De entre todas las explotaciones elegiría a aquéllas en las que el producto haya alcanzado el mejor grado de madurez e indicaría a los agricultores el día en el que todos ellos deberían recoger el producto para ofrecérselo conjuntamente al comprador seleccionado.
Un esquema como el propuesto convertiría a las explotaciones en cosas conectadas a Internet con la inteligencia necesaria para optimizar por sí mismas su funcionamiento. Además, facilitaría la mejora de las condiciones de trabajo y de vida en el medio rural por su posible impacto en la renta del sector agropecuario.
A la mayoría de nosotros nos ha ocurrido. Abrir la despensa, coger un paquete de arroz, harina o pasta y….¡bicho! Nos encontramos con que nuestros alimentos están infectados con insectos.
La contaminación por insectos de alimentos almacenados es un problema muy molesto para los consumidores y de gran preocupación paras las empresas alimentarias. Implica grandes pérdidas tanto de materia prima como de producto almacenado, que se traducen a su vez en enormes pérdidas económicas y deterioro de imagen para la marca.
Estos insectos no son patógenos y no suponen un problema de salud para el consumidor que los encuentra, pero el paquete contaminado es desechado directamente haciendo responsable, aún sin serlo en la mayoría de los casos, a la empresa fabricante.
Los insectos contaminantes de productos almacenados son diversos y atacan a multitud de productos: harina, arroz, frutos secos, frutas deshidratadas, pan, pasta alimenticia, galletas, etc. En Europa, la industria del grano representa aproximadamente 300 millones de toneladas que están expuestas al riesgo de infestación y contaminación por plagas durante el tratamiento post-cosecha, almacenamiento y en las instalaciones de las empresas alimentarias (Stesjakl, V. 2014).
Las empresas de materia prima y alimentarias se enfrentan a un gran problema intentando contener y eliminar de sus instalaciones a estos artrópodos que encuentran en silos y almacenes, un lugar ideal para alimentarse y reproducirse. Las empresas recurren a diferentes métodos de prevención, control y eliminación en todos sus procesos, con el fin de asegurar que sus productos están libres de cualquier tipo de insectos contaminantes. Además, han de pasar rigurosas auditorías en las que cada proceso y punto de sus fábricas son revisados a tal fin.
Sin embargo, una vez que sus productos salen de la fábrica, el control sobre ellos es muy difícil. Estos insectos viven para alimentarse y reproducirse, por lo que la búsqueda de alimento es su prioridad. La contaminación por insectos es mucho más susceptible durante el proceso de transporte, durante el almacenamiento hasta su venta y en los hogares, pese a todas las medidas que haya podido tomar la empresa fabricante.
Estos artrópodos tienen un olfato excepcional y son capaces de oler el alimento a través de los embalajes y paquetes, introduciéndose por cualquier pequeño orificio o grieta de embalaje hasta llegar al alimento. Además, son capaces de perforar papel, cartón y todo tipo de plásticos (insectos penetradores). Por este motivo, los departamentos de I+D de las empresas alimentarias, y los centros de investigación con los que trabajan, están continuamente innovando en sus envases y buscando alternativas que mejoren sus embalajes y los hagan más resistentes a los insectos.
Como consumidores, debemos fijarnos en el momento de la compra si los paquetes presentan algún signo de estar dañados (perforaciones, orificios…), y al llegar a nuestra casa debemos conservar este tipo de productos en envases de vidrio o metal. Además, si en algún momento aparece en nuestra despensa algún paquete contaminado, debemos eliminar todos los productos que puedan haberse infectado y proceder a la limpieza exhaustiva de la misma.
Desde el punto de vista de la investigación, debido a las restricciones cada vez mayores en el uso de insecticidas, como el bromuro de metilo o la fosfina, se están llevando a cabo estudios para sustituir estos métodos por otras tecnologías menos dañinas y más respetuosas con el medio ambiente, como el uso de feromonas o la utilización de temperaturas extremas para la limpiezas y control de las fábricas.
En relación a los envases, los avances se orientan a la incorporación de sustancias repelentes que disuadan a los insectos de su ataque. Los últimos ensayos se orientan a la utilización de aceite esenciales que, encapsulados en polivinil alcohol, puedan ser impresos a modo de tinta sobre film de polipropileno y ser usados como material de embalaje repelente a los insectos (Heon-Joo Jo, 2015).
Con todos estos avances, cada vez será más difícil decir aquello de “hay un bicho en mi despensa”.
La medicina tiene un pilar fundamental en las herramientas que le brinda la ingeniería. La modelación matemática y computacional es clave para la generación de nuevas estrategias terapéuticas para el tratamiento de enfermedades. Detrás de muchos de los avances en medicina hay un fuerte desarrollo científico y tecnológico, que recae de una u otra manera en la ingeniería
Para la ingeniería, la salud siempre ha sido uno de sus objetivos en cuanto a la investigación aplicada. Desde el diseño y uso de tecnologías paracontrolar variables que afectan a la salud del ser humano, hasta el diseño y uso de tecnologías de control como apoyo a las ciencias de la salud. Un claro ejemplo de ésto es el avance en equipos de diagnóstico, prótesis, dispositivos de terapia, etc.
En CARTIF llevamos casi diez años investigando en una línea que refleja muy bien esta fusión de ambas disciplinas. Esta línea se ha enfocado en la mejora de los criterios utilizados por los médicos a la hora de predecir la ruptura de aneurismas de aorta abdominal, con el objetivo de identificar el momento idóneo para llevar a cabo la intervención quirúrgica desde el punto de vista de la ingeniería. En concreto, con la resistencia de materiales.
Un aneurisma de aorta abdominal es una dilatación irreversible de la pared de la aorta del segmento que transcurre entre la bifurcación de las arterias renales y las ramas de las arterias iliacas, afectando en ocasiones a estas últimas. El 70% son asintomáticos, y se detectan en estados avanzados, lo que hace más importante su evaluación de riesgo de ruptura.
La ruptura de los aneurismas de aorta abdominal (AAAs) es una de las principales causas de muerte en el mundo:
• El 8% de los mayores de 65 años y el 10% de los mayores de 80 años presentan un AAA. • Es la décima causa de muerte en mayores de 65 años en países occidentales. • Factores como el tabaquismo, la aterosclerosis, la obesidad, o la hipertensión aumentan el riesgo de padecer un AAA. • La ruptura de la arteria conlleva la muerte antes de llegar al hospital, en el 90% de los casos. • La tasa de mortalidad asociada a la intervención quirúrgica es del 5,8% para reparación quirúrgica abierta y del 1,7% para reparación endovascular.
Actualmente, se interviene quirúrgicamente cuando el aneurisma llega a 5 cm de diámetro máximo o su tasa de crecimiento es superior a 0,5 cm/año. El 24% de los aneurismas que rompen tiene un diámetro inferior al considerado como crítico. Por lo tanto, los actuales criterios clínicos empleados para evaluar el riesgo de rupturano pueden ser considerados como los predictores más fiables.
El equipo de CARTIF ha utilizado los principales parámetros geométricos de los AAAs: diámetro máximo, diámetro de la arteria sana, longitud, espesor de la pared y asimetría (forma geométrica). Estos parámetros pueden ser medidos de forma fácil por el médico a través de la tomografía axial computerizada, medio de diagnóstico utilizado por los médicos.
Estos parámetros se combinan entre sí de manera eficiente para generar la herramienta de evaluación del riesgo de ruptura. Esta herramienta se ha programado utilizando software libre y permite generar una base de datos para cada paciente, y dentro de la misma, ficheros con los datos de cada examen de seguimiento. Contiene un gestor gráfico que permite representar la evolución del Riesgo de Ruptura.
La herramienta, aporta una serie de sugerencias al cirujano, que toma la decisión más acertada sobre si es conveniente llevar a cabo la intervención quirúrgica o continuar con el seguimiento de la evolución del aneurisma.
Para comprobar que la herramienta era eficaz, se realizaron pruebas de validación sobre pacientes durante varios años. Los resultados mostraron que el método es capaz de estimar con fiabilidad el riesgo de ruptura de aneurismas, permitiendo identificar aquellos potencialmente peligrosos de romper, aun cuando su diámetro máximo sea menor que el usado por la comunidad médica en la actualidad, y permitiendo identificar aquellos casos donde la ruptura no se vaya a producir, evitando que el paciente se someta al procedimiento quirúrgico de reparación.
Con este trabajo se demuestra que la colaboración entre la medicina (liderada por el HCUV) y la ingeniería (liderada por CARTIF), es increíblemente productiva. Los resultados obtenidos permiten un gran avance con una aplicación eminentemente práctica y ponen de manifiesto la importancia que la investigación y la I+D tienen de cara a la sociedad.
