Lineas de investigacion
La investigación en un centro tecnológico como CARTIF surge de la necesidad de mejorar los procesos de producción, difusión y explotación de conocimientos científicos y tecnológicos. El papel de un centro tecnológico dentro del sistema ciencia-tecnología-sociedad debe ser doble: por un lado, transfiriendo a las empresas los últimos desarrollos, y por otro, actuando como productor de ideas y conocimientos que puedan dar lugar a nuevos desarrollos.
Además de ir incorporando diversas líneas de investigación a lo largo de los últimos 20 años, CARTIF dispone de un Plan de Investigación que orienta a sus investigadores desde la generación de nuevos conocimientos, hasta su gestión, utilización, explotación y difusión. La organización del trabajo en el Centro se ha hecho tradicionalmente por unidades de trabajo/investigación, denominadas Divisiones. Parte del éxito de los proyectos desarrollados se debe a la transversalidad de los conocimientos de estas Divisiones y a cómo interactúan las diversas líneas de investigación para dar un servicio integral al cliente.
Líneas de investigación
La División de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) cuenta con una consolidada línea de investigación englobada dentro de los “Sistemas Inteligentes basados en Conocimiento”. Dentro de este campo, la División desarrolla una investigación aplicada a problemas tanto de ámbito social como del entorno industrial y de servicios, con el fin de obtener soluciones tecnológicas, económicas y socialmente viables de gran valor añadido. A lo largo de estos 20 años, las principales áreas de aplicación de esta línea de investigación han sido la conservación y mantenimiento inteligente de infraestructuras; los factores humanos y sociales: eInclusión, eTraining, Ambient Assisted Living; y la gestión documental a través de la detección y gestión de incoherencias.
Esta actividad investigadora ha cristalizado en diversos proyectos. Entre ellos, destacan el proyecto CIBIC, que sirvió para mejorar los servicios prestados por las empresas de conservación de infraestructuras, en base a la aplicación de nuevas tecnologías para llevar a cabo el concepto de sistemas inteligentes que ayudaran a mejorar la calidad y la innovación de dichos servicios. En cuanto al proyecto OPTIRAIL, tiene como objetivo principal el desarrollo de un marco inteligente basado en conocimiento que ayude a optimizar tanto las operaciones de mantenimiento ferroviario como el proceso de toma de decisiones del mantenimiento en vía en el ámbito europeo
Por su parte, la División de Robótica y Visión Artificial ha venido desarrollando una intensa labor investigadora, respaldada por un número importante de proyectos y contratos de investigación así como por publicaciones científicas.
Los investigadores trabajan en torno a tres líneas de investigación: Robótica Industrial y de Servicios, reconocimiento de formas y texturas y digitalización 3D-color.
La Robótica Industrial permite la integración de sensores y actuadores a medida (embebidos, embarcados o externos) y sistemas de adquisición para monitorización y control, línea que se complementa con el reconocimiento de formas aplicado al control de calidad en industria agroalimentaria y manufacturera.
En cuanto a la Robótica de Servicios, se ha materializado en el desarrollo de robots para el transporte de mercancías en entornos industriales y de servicios, robots de inspección, limpieza y específicos. Además, se trabaja en otra línea de robots con capacidad de interacción social, que integran capacidades de reconocimiento de voz, reconocimiento facial, gestión de diálogo, emocional y que pueden proveer servicios a las personas.
Las líneas de reconocimiento de formas y de digitalización se utilizan en el sector de las infraestructuras, la edificación y el patrimonio artístico, pues permiten desarrollar sistemas de inspección de infraestructuras de obra civil y ferroviaria (carreteras, túneles, puentes) y su posterior digitalización y análisis de deformaciones así como la monitorización de procesos de deterioro. Esta línea trabaja además en la caracterización cuantitativa y extracción automática de planos, la inmersión en entornos gráficos, realidad virtual o aumentada y la elaboración de catálogos informatizados para documentación, diagnosis, intervención y difusión.
De entre los proyectos realizados por el personal investigador de esta División, uno de los más emblemáticos es “Robots de Servicio con capacidad de Interacción. Validación por grandes periodos en un entorno hotelero” en el que se ha desarrollado “Sacarino”, un robot social que realiza labores de botones en un hotel. Tras años de investigación, ya se encuentra en fase de comercialización.
La División de Agroalimentación y Procesos Sostenibles reúne al mayor equipo de CARTIF, que aborda la investigación considerando los principios de la Economía Circular. Por eso, entre sus 6 líneas está la obtención y purificación de compuestos naturales e incorporación a la matriz de productos de alto valor añadido (del sector agroalimentario, cosmético y/o farmacéutico, realizando desde el diseño del proceso de extracción hasta su escalado en planta piloto) y la aplicación de procesos y herramientas biotecnológicas a la industria agroalimentaria. El proyecto DIANA ejemplifica la primera de estas líneas al obtener productos alimentarios saludables a partir de nuevas formulaciones de antioxidantes naturales, mientras que el proyecto VALORPLUS, del programa KBBE, fruto del trabajo de la segunda línea, apuesta por el desarrollo de biorrefinerías integradas de ciclo cerrado, al hacer un uso completo de la biomasa, minimizando la producción de residuos y generando el máximo valor posible a partir de los recursos disponibles
El proyecto “Obtención de biocombustibles de 2ª generación, mediante la aplicación de la tecnología de (co)-gasificación. Biorrefinerías basadas en principios termoquímicos”, del Programa PID, sería un buen ejemplo de lo desarrollado en la línea de desarrollo de la tecnología de co-gasificación, pirolisis y torrefacción para su aplicación industrial.
En el ámbito del medioambiente estarían otras tres líneas. La valorización energética y material de residuos y subproductos, que aborda el tratamiento desde un punto de vista físico (procesos de separación, micronizado, termoconformado, aditivación), químico (solvólisis, craqueo, termólisis) y biológico (biometanización de residuos orgánicos).
En la línea de Tecnologías avanzadas en el tratamiento de efluentes se estudian sistemas de depuración, incluyendo la eliminación de contaminantes emergentes como los disruptores endocrinos, y también recuperación de productos de alto valor añadido en el sector biotecnológico. En el proyecto TECOAGUA se evaluaron tecnologías para reducir los niveles de THM por debajo de límites legalmente establecidos en el agua de consumo humano que proporcionan las ETAP.
Y, finalmente, en la línea de Desarrollo de productos y formulaciones de aplicación en entornos urbanos para la eliminación de contaminantes gaseosos, se ha trabajado en sensorización de la contaminación y en los métodos de incorporación de TiO2 en materiales como mortero, pinturas o pavimentos asfálticos, y el funcionamiento durante su uso. En esta línea se han obtenido dos patentes: un dispositivo de monitorización de la calidad del aire y una formulación fotocatalítica de tratamiento de asfaltos que elimina la contaminación que produce la circulación de vehículos.
En la División de Automatización y Control Industrial, las líneas de investigación se orientan a la mejora en la eficiencia de los procesos y el aumento de la productividad de las factorías. En el ámbito más clásico del Mantenimiento Predictivo y Diagnóstico Industrial se han desarrollado o adaptado algoritmos de diagnóstico basados en análisis espectral, modelos físicos o inteligencia artificial para aplicarlos a problemas específicos. Al utilizarlos junto con métodos estadísticos y matemáticos para la detección de cambios en las señales, es posible predecir la evolución futura de los fallos detectados. Por otro lado, la investigación en el Control Óptimo de Procesos Industriales persigue un funcionamiento de las líneas de producción en el que se alcance un compromiso entre los múltiples requisitos a veces contradictorios que se imponen en el proceso. En este ámbito se han desarrollado y aplicado métodos para la optimización energética o la mejora de las prestaciones para alcanzar los puntos de operación definidos. Entre las últimas líneas de investigación incorporadas se encuentra la de Machine Learning, Sistemas Expertos y Técnicas de Data Science. Estas son herramientas transversales que pueden ser aplicadas a diversos problemas de Big Data en el ámbito industrial. Los métodos desarrollados en estos años incluyen herramientas para la clasificación de defectos a partir de los datos medidos, el ajuste de modelos de funcionamiento y la toma de decisiones. También son métodos utilizados para la predicción del comportamiento.
Estas líneas de investigación y otras que se desarrollan en la División de Automatización se han podido aplicar en numerosos proyectos permitiendo así su validación en el entorno industrial. Así por ejemplo, en LASHARE y CLET se han desarrollado métodos novedosos para el control de la calidad en soldadura láser. En las líneas de pintura de la factoría de Renault en Valladolid se ha instalado un sistema de mantenimiento predictivo de motores eléctricos de velocidad variable desarrollado por CARTIF aplicado en este caso a sistemas extractores de ventilación. Las técnicas de machine learning, se han empleado en el mantenimiento de trenes suburbanos, desarrollando un sistema de toma de decisiones para predecir las averías y generar de manera automática planes de mantenimiento óptimos.
En la División de Ingeniería Mecánica se cuenta con capacidades de experimentación y simulación del comportamiento mecánico y estructural de los distintos materiales y componentes de máquinas. Aunque gran parte de las necesidades de diseño y prototipado se pueden cubrir con análisis sencillos, aparecen casos que precisan cálculos más sofisticados. Entre ellos cabe destacar la no linealidad material debida a la plastificación de metales, el daño estructural y o la fatiga mecánica, que han sido objeto de proyectos de investigación con notable productividad científico-técnica.
Asimismo, se han propuesto metodologías para tratar la no linealidad geométrica debida a los problemas de contacto local y grandes desplazamientos. Precisamente con la tendencia actual al uso de materiales de mayores prestaciones, se hace necesario considerar aspectos que tradicionalmente no condicionaban el diseño. Aparece la necesidad de incorporar sistemas que añadan amortiguamiento estructural adicional que limiten los desplazamientos vibratorios de grandes estructuras como chimeneas industriales, seguidores solares, aerogeneradores o pasarelas peatonales. Estas estructuras sufren grandes oscilaciones debidas a acciones indeterminadas (viento turbulento, tránsito peatonal) que es preciso conocer y controlar. Para ello se recurre a formulaciones acopladas de modelos estructurales y fluidomecánicos, lo cual requiere altas capacidades computacionales. A este respecto se ha colaborado activamente con grupos de investigación de otras universidades nacionales (UCLM, UPM) y europeas (Sheffield y Warwick, RU) materializada en estancias prolongadas del personal investigador, obtención de doctorados con mención europea y participación conjunta en la organización de congresos como el reciente 6WCSCM sobre monitorización y control estructural.
En colaboración con el Hospital Clínico de Valladolid y en base a simulaciones computacionales, se ha desarrollado en otra línea de investigación un modelo multiescalas que permite predecir, con suficiente precisión para ser clínicamente relevante, el riesgo de ruptura de aneurismas de aorta abdominal sobre bases personalizadas del paciente. A través de factores biomecánicos se logra formular el denominado Índice de Riesgo que se pretende emplear como herramienta para toma de decisiones médicas. Las actividades anteriores caen dentro del ámbito de la ingeniería mecánica, si bien tienen interconexiones con otras ramas de la ingeniería como la automatización y control y las tecnologías de la información o la medicina. En este sentido, fruto de los trabajos multidisciplinares realizados se ha conseguido implementar sistemas novedosos de monitorización de bajo coste y se dispone de patentes sobre dispositivos electromagnéticos.
La División de Ingeniería Biomédica plantea un enfoque denominado “Tecnologías Sanitarias Integradas” cuyo objetivo es el desarrollo de métodos, tecnologías y soluciones sanitarias que permitan la aplicación de sistemas robotizados en interacción directa con un ser humano, teniendo en cuenta el estado fisiológico del individuo y capaces de manejar elevados volúmenes de datos, información y conocimiento (mediante su captura o interacción con sistemas externos) con la fiabilidad, seguridad y eficiencia necesarios en este ámbito.
Se trabaja en dos áreas: una es el desarrollo de tecnología para la atención de pacientes crónicos y la otra es la robótica aplicada a la salud. La primera línea se enmarca en uno de los grandes retos actuales en Europa, que es el envejecimiento de la sociedad. Las actuaciones que se plantean para paliar este problema van enfocadas en dos sentidos: uno es el desarrollo de modelos de gestión socio-sanitarios integrados e innovadores y el otro es el desarrollo de tecnología que permita soportar estos nuevos modelos.
En CARTIF la investigación se ha especializado en la utilización de estándares internacionales de interoperabilidad de sistemas de información en entornos sanitarios; estos estándares son los que permiten que múltiples sistemas de información, aplicaciones que hay en la residencia habitual del paciente, el centro de salud, el hospital o en otros prestadores de servicios sanitarios, puedan compartir y entender la información que comparten. Esto no está resuelto a nivel tecnológico y es una línea caliente de investigación.
En la segunda línea, se trabaja en el desarrollo y evolución de la robótica para rehabilitación. Physiobot es un robot cartesiano con control háptico, que por medio de juegos y aplicando el paradigma “Assist as needed” (complementa el movimiento asistiendo según la necesidad), trata de estimular la plasticidad neuronal de los pacientes que sufrieron un Accidente Cerebro Vascular (ACV). Además del desarrollo tecnológico estamos colaborando con Unidades de Daño Cerebral para la validación clínica, con resultados preliminares interesantes.
La División de Energía comenzó centrando su investigación en el desarrollo de herramientas de predicción eólica. Los equipos han desarrollado técnicas para la predicción energética de parques eólicos basadas en medidas in situ y variables meteorológicas con un horizonte de predicción a corto plazo (de 8-24 horas para redes aisladas, 24-48 para redes interconectadas).
Otra línea complementaria fue la de Interacción de la energía eólica con la red eléctrica y acumulación en hidrógeno. Partiendo del estudio del impacto que la tecnología eólica tiene dentro de las redes eléctricas (a nivel de calidad de red y discontinuidad de potencia entregada), se han diseñado sistemas, basados en pilas de combustibles y electrolizadores, que mejoren su gestión, asumiendo las variaciones de potencia de los parques eólicos, de manera que operando en paralelo con los mismos, el operador de la red vea en el conjunto generación eólica-pilas de combustible un sistema flexible a las variaciones de la demanda.
La línea de Sistemas de telegestión y telecontrol se basa en la gestión remota de instalaciones, sean éstas de cualquier naturaleza, para aumentar su fiabilidad y minimizar los gastos de mantenimiento. Si se trata de edificios, el objetivo es asegurar el confort y minimizar el gasto de energía.
En la línea de Refrigeración mediante fuentes renovables se trabaja en la integración en la edificación de sistemas de climatización alternativos, empleando de forma conjunta la energía solar térmica y fotovoltaica, la energía geotérmica y la refrigeración mediante máquina de absorción.
El proyecto BaaS es el mejor ejemplo de la línea de Control, automatización de viviendas y creación de ambientes inteligentes. Se busca optimizar el rendimiento energético en el dominio de aplicación de los edificios no residenciales, en su etapa de operación. El sistema BaaS engloba un sistema de gestión de datos, una plataforma de servicios middleware, modelos energéticos de predicción y control de servicios y servicios de APO (asesoramiento, predicción y optimización por sus siglas en inglés) .
Y, finalmente, una de las líneas de investigación más exitosas de la División y de CARTIF, es la de Eficiencia energética en edificios y distritos. SMART CITIES. A través de los proyectos en marcha, se está desarrollando un modelo de regeneración urbana integral y sostenible, mediante la implantación en las ciudades de soluciones tecnológicas innovadoras en los sectores de la energía, el transporte y las TICs, con el objetivo de acelerar la transformación de las ciudades europeas en áreas urbanas inteligentes para el progreso social y la regeneración ambiental, así como en áreas de atracción y motor del crecimiento económico. Los proyectos DIRECTION, R2CITIES, CITyFiED y REMOURBAN, son los mejores ejemplos actuales del trabajo desarrollado en esta línea..
Contribuciones científicas
El desarrollo de estas líneas de investigación, a nivel científico, se ha plasmado en publicaciones en revistas nacionales e internacionales de prestigio, de los que más de la mitad corresponden a revistas indexadas en JCR-SCI (Journal Citation Reports). La relación completa de estas publicaciones puede consultarse en la web de CARTIF.
Además, el Centro mantiene alianzas con instituciones académicas y de investigación de todo el mundo, y sus investigadores participan en los congresos internacionales de referencia en sus materias de investigación.
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