La ubicuidad de la Internet inalámbrica abre posibilidades en campos como el de la “Internet de las cosas“, un contexto de objetos interconectados: vehículos, edificios, obras de ingeniería, vías de comunicación y otras infraestructuras, etc., procesan y comparten información recolectada por sensores.

Gracias a los teléfonos inteligentes, relojes y ropa con sensores GPS, y dispositivos para llevar (“wearable computers“) similares, nosotros mismos formamos parte de la tupida red de la Internet de las cosas.

Creando nuestras estructuras activas propias

Así, por ejemplo, hay aficionados a la electrónica que activan el riego automático de su jardín o la calefacción/iluminación de su casa desde el teléfono o aplicación determinada (por ejemplo, enviando un mensaje directo, o DM, a través de Twitter).

El ingeniero de Silicon Valley y experto en lenguaje de programación C retirado Loren Amelang, ha programado un sistema de automatización doméstica en su casa-retiro de las colinas del condado de Mendocino, al norte de San Francisco (consultar artículo y fotogalería).

Amelang accede a una aplicación programada por él mismo en C desde la que manipula (usando el móvil o cualquier dispositivo conectado a Internet) la instalación solar, la temperatura de las estancias, el suministro de electricidad a dispositivos con transformador, y otras tantas mediciones.

Una segunda piel inalámbrica sobre la biosfera: la Internet de las cosas

Lo que Amelang ha personalizado en su casa, adaptándolo a sus preferencias, es ahora factible a mayor escala: en ciudades, regiones, países o el mundo. La Internet de las cosas que se está conformando entreteje cada vez más objetos y aspectos de nuestra cotidianeidad, respondiendo a cada vez más estímulos, como si se tratara de una nueva biosfera cibernética, como si el ser humano tratara de demostrar empíricamente el funcionamiento de la hipótesis de Gaia de James Lovelock.

Instalando sensores en edificios, túneles, tuberías, puentes, etc., es posible adaptar el comportamiento de una estructura a fenómenos de estrés, reduciendo la posibilidad de catástrofes. 

Un método para proteger, con información en tiempo real, el bien común. O, dicho de otro modo, la tecnología tiene potencial moderador en los retos expuestos por la tragedia de los comunes.

Sensores en árboles

Se trabaja incluso en métodos para instalar sensores en árboles de zonas especialmente sensibles para la biosfera, como la cuenca del Amazonas, donde pruebas piloto controlan la tala ilegal capturando información en tiempo real de los árboles, usando herramientas como Google Earth.

Estas estructuras capaces de reaccionar al entorno, o superestructuras, prometen convertirse en un nuevo sector y oportunidad de negocio, capaz de reducir riesgos o permitir que puedan construirse infraestructuras hasta ahora impensables. En un futuro no muy lejano: estructuras con cimientos en el suelo que alcancen la estratosfera.

Por ejemplo, la información de los sensores ayudaría a que un edificio o un puente capeara un terremoto o fuertes vientos; detectaría y repararía una fuga en una tubería de suministro; o evitaría el desprendimiento de un túnel.

Sistema vasco de “carsharing” que se adapta al entorno: Hiriko Project

Del mismo modo, un sistema individual de transporte urbano (como el esquema de carsharing que ultima el consorcio vasco Denokinn con el coche plegable Hiriko), reaccionaría y se adaptaría a la información ambiental recolectada en el entorno: la velocidad permitida en la calzada, el tráfico en la ruta elegida, la disponibilidad de aparcamiento o de zona de carga libre en una determinada estación, etc.

Con la Internet inalámbrica y el abaratamiento de sistemas de medición, dispositivos GPS y teléfonos inteligentes, centros de investigación y empresas de ingeniería trabajan en sistemas para convertir vehículos, edificios o grandes obras de ingeniería en “estructuras inteligentes” (“smart structures”).

Las estructuras activas o inteligentes actúan como el cuerpo humano, un ejemplo de sofisticada estructura adaptativa donde el esqueleto acarrea distintos pesos y contrapesos, mientras los músculos modifican constantemente su configuración para, por ejemplo, mantenernos erguidos, caminar, transportar un objeto pesado, etc.

Emular nuestro equilibrio (con mochila y sin ella)

Si, al acarrear una pesada mochila, los músculos de nuestro cuerpo no se configuraran para distribuir un contrapeso efectivo y lograr de nuevo nuestro equilibrio, caeríamos. Una lección aparentemente tan elemental no ha sido aplicada generalizadamente en edificios y otras estructuras, por lo que cualquier modificación brusca de las condiciones ambientales provoca riesgos y daños inmediatos.

Cuando tratamos de mantener nuestro equilibrio en cualquier circunstancia, casi siempre con éxito, aplicamos inconscientemente un principio que usa “sensores” (en el cuerpo humano, nuestros nervios sensoriales), un “procesador” (el cerebro) y “actuadores” que responden a la orden para readaptarse a las condiciones ambientales (músculos).

El mismo principio sirve para una superestructura: sea un robot como Asimo, un edificio como los rascacielos que basculan sobre cimientos erigidos sobre gigantescos muelles cuando notan un terremoto, o un coche capaz de circular sin conductor, como los sistemas de navegación desarrollados con éxito de manera independiente por Google y la Freie Universität de Berlín, así como proyectos similares.

Sensores en superestructuras para hacerlas “inteligentes”

Si un vehículo es capaz de circular sin conductor, además de reaccionar cuando una rueda está desinflada, el pavimento de la carretera tiene hielo, la niebla reduce la visibilidad o el conductor se acerca demasiado al vehículo que le precede, ¿por qué no aplicar sistemas de sensores en superestructuras que reaccionen del mismo modo?

Finalmente, el sector de la ingeniería pesada aplica sistemas de activación: sensores, procesador y actuadores, que se comporten como el ser humano acarreando una mochila. Una vez aplicados los nuevos sistemas a grandes puentes o grandes edificios (aeropuertos, rascacielos), estas estructuras podrán reaccionar a vibraciones producidas por grandes rachas de viento, terremotos, etc.

Los sensores, entendidos como pequeños dispositivos capaces de medir condiciones físicas en una estructura (temperatura, vibraciones, tensión), han estado disponibles durante décadas. Una de las razones por las que su uso no se ha generalizado en grandes obras de ingeniería civil es logística: hasta la aparición de la Internet inalámbrica, los datos capturados debían ser transmitidos con cables físicos a un sistema informático igualmente aparatoso.

Adelantarse a comportamientos anómalos

Hace sólo unos años, instalar sensores en lugares como el Golden Gate Bridge requería kilómetros de cable y sofisticado mantenimiento, además de requerir distintos tipos de especialista, lo que incrementaba su conste de instalación y mantenimiento.

Estas limitaciones se han esfumado con el precio testimonial de los pequeños sensores inalámbricos, mientras los sofisticados sistemas informáticos se reducen ahora a apenas una aplicación y un teléfono inteligente.

Ya en 2006, una prueba llevada a cabo precisamente en el Golden Gate, explica The Economist, demostró cuán fácil y económico resulta en la actualidad convertir cualquier objeto u obra de ingeniería en una superestructura reactiva.

Un equipo liderado por Sukun Kim y Shamim Pakzad, de la Universidad de California en Berkeley, calcularon entonces que una red de 64 sensores inalámbricos para monitorizar el puente podían ser instalados en sus torres y plataforma principal, a un coste de 600 dólares por sensor. El coste de los dispositivos con cable, contando su instalación, ascendía por el contrario a un rango de entre 4.000 y 15.000 dólares por sensor.

Muchos detalles que pulir

Además del coste económico, los sistemas inteligentes de estructuras activas deben superar los retos de la durabilidad y la actualización tecnológica, para evitar la obsolescencia o incompatibilidad con otros sistemas en superestructuras, tanto desarrollados como por desarrollar.

Investigadores de la Universidad de Cambridge, liderados por Kenichi Soga, han testeado sensores inalámbricos durante tres años en tres localizaciones distintas del Reino Unido, para comprobar cómo las condiciones climáticas adversas y el paso del tiempo afectaban los dispositivos.

El equipo de investigación incurrió en constantes problemas técnicos de comunicación entre sensores, de modo que crearon una aplicación para determinar las mejores localizaciones para emplazar este tipo de dispositivos. También se registraron constantes problemas logísticos y técnicos, como sensores desprendiéndose de su ubicación original en túneles de metro debido a las vibraciones.

Retos y oportunidades para emprendedores

En sólo unas semanas, todos los sensores acumularon polvo suficiente como para que, finalmente, el equipo de Kenichi Soga desarrolló carcasas para combatir este inconveniente.

Asimismo, tras seis meses de numerosos cambios de batería en sensores que requirieron más energía de la planeada para recuperar conexiones con otros dispositivos cercanos, varios de ellos fallaron y tuvieron que ser reemplazados.

La experiencia del equipo de la Universidad de Cambridge sirve para ilustrar los retos a los que harán frente emprendedores y compañías que quieran desarrollar protocolos y sensores para estructuras inteligentes.

Ambos experimentos sugieren, explica The Economist, que las redes de sensores son capaces ya de transmitir información útil fácilmente procesable que podría evitar catástrofes o mejorar el mantenimiento y seguridad en tiempo real de redes de transporte, túneles de metro, tuberías, puentes, o grandes edificios.

Los expertos en estructuras activas creen que los sensores deben ser mejorados en aspectos como: el procesamiento de información, descartando ellos mismos datos irrelevantes, en lugar de tomarse la molestia de transmitirlos; o protocolos mejorados para administrar su energía con mayor eficiencia.

Transmitir la información justa gastando lo mínimo de energía

Jennifer Rice, ingeniera civil de la Universidad Tecnológica de Texas especializada en sensores, reconoce que “transmitir datos constantemente a través de una red usa mucha energía”.

Para superar esta limitación, Rice y sus colegas desarrollaron en 2009 un sistema de sensores en superestructuras para monitorizar el puente Jindo en Corea del Sur, con 113 nodos de comunicación inalámbrica, cada uno de los cuales dispone de 6 sensores.

Con simples mejoras de programación, los sensores usan mucha menos energía: cada uno de ellos ha sido programado para entrar en modo “sleep”, o bajo consumo, la mayor parte del tiempo, excepto cortos intervalos de tiempo que sirven para realizar mediciones y transmitir información.

Se requiere poco menos que un puñado de placas base con circuitería programable como la placa de código abierto Arduino, así como antenas inalámbricas y un ordenador donde recolectar la información, además de software, para convertir un objeto o infraestructura en “inteligente”, capaz de reaccionar a los datos recolectados.

Edificios, puentes, túneles…

Hasta ahora, destacan 3 tipos de estructuras activas:

• Edificios inteligentes: sensores instalados en lugares estratégicos para medir la intensidad del viento y las vibraciones de tierra; esta información es procesada y, si es necesario, activa amortiguadores hidráulicos que aplican la fuerza necesaria para ejercer de contrapeso; asimismo los edificios que notan el inicio de un terremoto pueden advertir a edificios e infraestructuras colindantes, permitiendo una respuesta más rápida y efectiva a las emergencias.
• Puentes inteligentes: sensores inalámbricos diseñados para la intemperie son instalados a lo largo de la infraestructura para monitorizar vibraciones, desplazamiento y temperatura. Esta información pasa de sensor en sensor hasta llegar a la unidad central de proceso para ser analizada. Si se detecta algún problema, como un cable con riesgo de soltarse o el inicio de una grieta, el sensor envía una advertencia.
• Túneles inteligentes: varios sensores inalámbricos son instalados en distintos puntos y a lo largo del túnel para monitorizar su desplazamiento, temperatura o humedad. Esta información es transmitida de sensor en sensor hasta llegar a la unidad de proceso. De este modo, se pueden detectar e incluso prevenir anomalías.

Ropa, personas, vehículos privados, transporte: un entorno que reacciona en tiempo real

Ropa, personas, vehículos privados, transporte público, carreteras, nudos de comunicación estratégicos, edificios, infraestructuras. Con la Internet de las cosas, cada uno de estos elementos puede aportar información relevante tanto al individuo como al conjunto de la estructura para lograr que ésta funcione con la mayor eficiencia posible en tiempo real.

El profesor del MIT William J. Mitchell, desaparecido en 2010, ideó el proyecto Smart Cities (ciudades inteligentes), interpretando la aplicación práctica de sensores en superestructuras, además de servirse de la Internet de las cosas.

De un edificio a un barrio, ciudad, región, país, continente, mundo. De un individuo a su red más próxima, la población de su localidad, región, etcétera.

Un mundo interconectado que respete la privacidad y la libertad individual

La interconexión entre información relevante a distintos niveles, realizada de manera respetuosa con la intimidad y privacidad de las personas, así como respetando su voluntad, podría reducir el consumo desmesurado de recursos, la contaminación o la generación de residuos, además de mejorar el tráfico y evitar las pérdidas económicas derivadas de los atascos.

Por no hablar de la mejora de la seguridad y de la preparación ante acontecimientos inesperados, tanto naturales como causados por el ser humano.

En agosto de 2007, por ejemplo, mientras varios vehículos circulaban por el puente que cruza el río Misisipí cerca de Mineápolis en la carretera I-35W, éste se colapsó. Murieron 13 personas y más de 100 resultaron heridas.

El puente había sido construido en 1967 y se había previsto su reemplazo en 2020. De haber contado con un sistema de monitorización en tiempo real, la infraestructura no se habría colapsado.

A medida que las gigantescas infraestructuras construidas a lo largo del siglo XX y en los primeros años del XXI en todo el mundo envejecen, existe una tremenda oportunidad de negocio para garantizar la seguridad de las personas que las usan.

Asimismo, los nuevos objetos y proyectos de obra civil, desde vehículos hasta aeropuertos, pueden ser ya planificados como estructuras activas desde su propia concepción, como ocurre en Tokio con los rascacielos.