Modos de facilitar el despegue tecnológico: caso de los materiales y estructuras inteligentes
| Autor | Celia Graves |
| Cargo | CEST |
Asunto: Las estructuras inteligentes y otras aplicaciones de los materiales inteligentes generan un valor añadido en su aplicación, reduciendo costes y aumentando la funcionalidad. Las aplicaciones abarcan el transporte, la ingeniería civil, el material médico y la tecnología de fabricación. Europa se está quedando atrás actualmente respecto a Japón y a EE.UU. en el despegue tecnológico y en el conocimiento sobre los materiales inteligentes.
Relevancia: Si Europa tiene que competir eficazmente en el campo de las estructuras inteligentes, se necesita un plan que fomente la innovación y facilite el despegue comercial. Esto requiere que las políticas comprendan las oportunidades clave con las que se enfrenta el sector y la identificación de los campos en los que la intervención política puede suponer una contribución significativa. Muchos datos actuales sugieren que la mayor limitación al progreso no depende de la existencia o falta de investigación básica, sino de la ausencia de un mecanismo adecuado que facilite la transferencia de los resultados de las investigaciones al mercado.
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Introducción
Las estructuras inteligentes son estructuras compuestas, al menos en parte, por materiales inteligentes. Tales materiales presentan generalmente las siguientes características (Scientific Generics Ltd, 1993):
propiedades que sean, de alguna forma, inesperadas o nuevas;
capacidad para responder físicamente a estímulos externos sin precisar un tratamiento externo de la información;
reversibilidad y reciclabilidad, particularmente en el caso de sistemas; y
aplicabilidad general a varias situaciones.
El cuadro 1 presenta ejemplos actuales de materiales inteligentes y sus aplicaciones en estructuras y sistemas.
Cuadro 1 Ejemplos de materiales y aplicaciones
Material inteligente Aplicación
Materiales con memoria de forma incorporación en tejidos para ropas
implantes médicos
acoplamientos hidráulicos
tallado de roscas
Fluidos electro-reológicos estimulación del cambio de forma en actuadores
Materiales piezoeléctricos sensores en la industria aeroespacial
amortiguamiento en sujeciones de motores
Los usuarios de materiales inteligentes perciben esta "inteligencia" como una característica de la aplicación más que como una característica latente de la tecnología. Su mejor cualidad no aparece en la producción de los materiales, sino en sus aplicación en sistemas y estructuras. A modo de ilustración, diremos que, si bien los materiales con memoria de forma se suministran inicialmente en configuraciones relativamente sencillas, tales como hilos, varillas y películas delgadas, muestran en cambio un amplio intervalo de aplicaciones, como se observa en el Cuadro 1. Esta variedad de usos ilustra claramente el valor genérico de los materiales inteligentes dentro de los sistemas y estructuras a los que se incorporan.
Aunque muchos aspectos de la política europea ofrecen una amplia aplicabilidad para los materiales inteligentes, el lugar idóneo para su investigación y desarrollo se canaliza actualmente a través del programa Brite-Euram (Industrial and Materials Technologies - Brite-Euram III). El objetivo general de este programa es conseguir un desarrollo sostenible que apoye la preparación de la fábrica del futuro. Los campos de investigación cubiertos por el programa abarcan la integración de nuevas tecnologías en los sistemas de producción y los materiales avanzados, como un ejemplo de tecnologías para información sobre productos. Los mecanismos de apoyo incluyen investigación de costes compartidos y proyectos de desarrollo tecnológico (RTD), redes temáticas, acciones concertadas y medidas de acompañamiento dirigidas a obtener los mejores resultados del programa.
Retos tecnológicos
A pesar del atractivo genérico de las estructuras y materiales inteligentes para su empleo en una amplia variedad de mercados técnicos y comerciales, es necesario solucionar antes varios problemas pendientes, si se quiere desarrollar su potencial comercial en Europa. A nivel fundamental, la historia de los materiales inteligentes ha tendido a caracterizarse por el desarrollo de tecnologías orientadas a un problema más que por nuevos planteamientos basados en soluciones. Una clave a este respecto, consiste en establecer la diferencia entre los materiales inteligentes y las estructuras y sistemas en los que están típicamente integrados.
Mientras que, generalmente, el acceso a los materiales propiamente dichos no está limitado, el acceso a nuevas aplicaciones está restringido por una serie de factores. Uno de los más importantes es una falta de conocimiento, en términos tanto de conocimiento/comprensión de los materiales (y de su aplicabilidad) como de la estimación de la necesidad de adaptar tales materiales a sistemas y estructuras específicos si se quiere que proporcionen un valor añadido. Por ejemplo, aunque los fluidos electro-reológicos son bien conocidos, muchos tecnólogos son incapaces de precisar los cambios de viscosidad y rigidez que se pueden alcanzar durante su uso. También hay una tendencia a la superespecialización, como resultado, en parte, del sensacionalismo de aplicaciones poco prácticas y, en parte, de subestimar el valor de aplicaciones más vulgares. Un ejemplo de fallo en el entendimiento de la tecnología está en la percepción de una baja durabilidad, que proviene de la falta de conocimiento técnico y de la falta de estimación de los procesos de fabricación y producción. Por ello, aunque es posible usar materiales básicos para fabricar componentes que fallen tras cinco ciclos o un millón de ciclos, los usuarios a menudo lo ignoran.
Los materiales con memoria de forma son un buen ejemplo de un desarrollo promovido por el avance tecnológico. El conocimiento y la comercialización se han apoyado con demostraciones, pero ha existido una tendencia a concentrar el progreso en sectores individuales específicos, (por ejemplo, aplicaciones médicas), con pocos desarrollos intersectoriales.
Un reto particular consiste en adaptar las tecnologías a aplicaciones individuales y en identificar y resolver los desfases. Esto requiere la colaboración entre suministradores y usuarios de la tecnología para identificar zonas de sinergia y enlace entre aplicaciones. Un área donde se precisa dicha sinergia es la de los polímeros con memoria de forma, que ha experimentado, hasta la fecha, poco despegue comercial debido a que sus índices de coste/rendimiento no han sido los adecuados para las aplicaciones consideradas.
En este momento hay una amplia gama de organizaciones relacionadas con varios aspectos de las estructuras y los materiales inteligentes, que incluyen a la Universidad de Pisa (geles poliméricos), Siemens (piezoeléctricos), Scandinavian Memory Metals (memoria de forma), Strathclyde University (extensómetros) y Bosch (fluidos electro-reológicos). En el caso de los materiales con memoria de forma, las aplicaciones se están desarrollando por varios caminos, incluyendo las estrategias "cesta" de compañías que desarrollan aplicaciones especiales específicas, las estrategias de avance tecnológico de los fabricantes y los métodos "ad hoc" de otras compañías. Existe poca coordinación entre los grupos de organizaciones implicados y son pocas las oportunidades de fertilización mutua de las ideas.
Las PYMEs que trabajan en el campo de las estructuras y los materiales inteligentes abordan muchos de los problemas con su experiencia en otros sectores. Un aspecto en el que existen algunas diferencias es el de la adaptación de las tecnologías a las aplicaciones. Aunque no es probable que las PYMEs puedan competir en el desarrollo inicial de la tecnología (que normalmente requiere inversiones importantes en I+D) pueden trabajar con éxito en el desarrollo de aplicaciones. En contraste con campos tales como la biotecnología, las últimas etapas de comercialización de materiales inteligentes requieren una variedad de proyectos, ingeniería y fabricación especializados superior al esfuerzo científico original.
La mayor parte de los usuarios europeos han adoptado tradicionalmente la postura de "seguidor" y pretenden seguir los acontecimientos hasta que juzgan llegado el momento de actuar. Esto ha sido particularmente cierto en el sector aeroespacial, donde EE.UU. y Canadá lideraron los nuevos desarrollos. Muchos usuarios son relativamente desconocedores, o tienen visiones equivocadas, de las posibilidades de los materiales inteligentes. Sólo unos pocos se han preparado para adoptar un planteamiento más activo. Este fenómeno se ha visto reforzado por la falta de conocimiento mencionado anteriormente que, a su vez, actúa como freno a un despegue mayor entre los usuarios potencialmente pioneros.
El acercamiento a los materiales y sistemas inteligentes varía en las distintas partes del mundo. Mientras en EE.UU. ha tendido a tener preferentemente una orientación estructural, enfocada a los productos finales más que a los procesos subyacentes, Japón se ha concentrado en tecnologías más "blandas" como la electrónica y lo ha conseguido desde la perspectiva de un conocimiento básico. La aproximación europea ha estado más cerca de la adoptada en EE.UU. que de la de Japón. La diferencia de planteamiento se puede ilustrar con el sector aeroespacial, donde EE.UU. y Europa han adoptado respectivamente métodos opuestos de "fabricar" y "comprar". Aunque Europa se ha mantenido ampliamente adelantada respecto a sus competidores en términos de conocimiento básico, se ha retrasado en la comprensión y aceptación comercial.
Aspectos políticos: presente y futuro
El estado actual de las tecnologías de materiales en Europa proporciona bastantes oportunidades de intervención política para mejorar la posición competitiva general y el potencial de éxito a largo plazo. Más adelante se discuten las áreas posibles de actividad, actuales y futuras. En muchos casos interesa a todas las partes que se consiga el progreso. Por ello es importante particularmente para los políticos asegurar la aplicación de mecanismos apropiados para fomentar la acción colectiva.
Orientación de esfuerzos - Es necesario un planteamiento selectivo para apoyar la I+D, ya sea basándose en áreas de esfuerzo existentes o en desarrollos para aprovechar las oportunidades que surgen. Los posibles campos prioritarios abarcan las aplicaciones médicas y los sensores.
Mejora de conocimientos para comprender mejor el ámbito de aplicación de los materiales inteligentes y estimular los planteamientos holísticos de proyectos futuros - Estos conocimientos necesitan difundirse ampliamente en el campo industrial a fin de romper el círculo actual de resistencia a la iniciación de nuevos desarrollos, provocado por el desconocimiento de los beneficios que pueden proporcionar. También es necesario llenar el amplio espectro de temas de fabricación que abarcan desde la ingeniería hasta el diseño. Resaltar los planteamientos holísticos facilitaría la optimización del valor añadido en las aplicaciones. Por ejemplo, para que sea efectivo un activador del techo de un invernadero necesita solamente un sencillo dispositivo con memoria de forma, mejor que un sistema de baterías activado por un sensor controlado electrónicamente. La mejora de conocimientos se puede conseguir, al menos parcialmente, mediante una campaña paneuropea de enseñanza. Un aspecto importante podría consistir en encontrar la solución más adecuada a un problema, más que en instrumentar tecnologías específicas. El papel de los políticos adoptaría aquí la forma de facilitar la organización e instrumentalización, apoyar una iniciativa directriz de la industria o alguna combinación de ambas. Los mecanismos específicos abarcarían circulares, seminarios, talleres y conferencias.
Apoyo a los demostradores - Los demostradores proporcionan un medio de enseñar el empleo práctico de una tecnología para una aplicación particular o un conjunto de aplicaciones. Pueden desempeñar un papel clave para facilitar el conocimiento y la comprensión (superando los desfases entre las expectativas tecnológicas y las posibilidades del material) y se acepta su potencial como mecanismo de arranque de tecnologías nuevas o emergentes y para estimular el efecto de "bola de nieve", que lleva a la innovación de ideas derivadas. Este tipo de planteamiento puede también reducir el riesgo técnico y comercial para los usuarios que adoptan tecnologías inteligentes y aumentar, por tanto, las probabilidades de despegue. Los demostradores pueden ser de gran ayuda para destacar las características de las nuevas tecnologías y las nuevas aplicaciones de las tecnologías existentes. Esto es oportuno particularmente para los materiales inteligentes y su incorporación a sistemas y estructuras inteligentes. Podrían conseguirse buenos resultados copiando directamente a fabricantes del mismo sector industrial, copiando directamente y/o adaptando las mismas funciones en nuevos sectores industriales e innovando para funciones alternativas. Esto a su vez podría facilitar el aumento de la reproducibilidad, la durabilidad y la reciclabilidad.
Normas - El moderno diseño industrial precisa datos significativos y accesibles, que abarquen aspectos tales como características básicas, especificaciones comunes, nomenclatura y resultados de ensayos. Cualquier material que no se defina en estos términos se encontrará probablemente en gran desventaja, particularmente a la vista del aumento del diseño por ordenador. Los materiales para los que no existen normas no pueden entrar en modelos precisos en el desarrollo de nuevos productos y es probable que sean desechados en favor de otros que sí las tienen. Los políticos deben garantizar la existencia de marcos adecuados, trabajando conjuntamente con la industria para desarrollar normas. Este tipo de actividad también contribuirá a la promoción del conocimiento.
Mayor colaboración - Un mayor grado de colaboración ayudaría a asegurar la adecuación de la tecnología, y los desarrollos responderían suficientemente a problemas existentes de modo que tendrían valor para los usuarios. Asegurando que la tecnología se considere en conjunto, mejor que individualmente, aumentaría el potencial para beneficio en costes y en funcionalidad. Los políticos pueden facilitar una mayor colaboración proporcionando alguna forma de servicio intermediario u organismo dedicado a reunir a clientes y suministradores potenciales. Debería existir también un lugar para promover el diseño holístico como un objetivo a largo plazo. Debería atenderse a proporcionar alguna forma de foro regular para el intercambio de puntos de vista entre los grupos considerados.
Garantía de disponibilidad de estructuras de financiamiento apropiadas - Como las estructuras y los materiales inteligentes no entran dentro de las disciplinas científicas tradicionales, requiriendo su investigación un planteamiento interdisciplinar, ha sido difícil conseguir financiación y estructura administrativa apropiadas en la comunidad académica. En los años recientes ha habido algunos desarrollos genéricos útiles en esta área y es necesario asegurarse de que esto continuará. También es importante garantizar que, como consecuencia de la mejora de las comunicaciones, existan mecanismos adecuados que permitan la colaboración productiva entre los sectores académico e industrial.
Conclusiones
Cada desarrollo de nuevos materiales tiene la potencialidad de ocasionar una cascada de nuevas aplicaciones. Estas comprenden esencialmente:
copia directa o adopción de los mejores métodos existentes;
rediseño de productos existentes incorporando nuevos materiales con funcionalidad mejorada o coste reducido; y
productos innovadores.
El reto que se plantea a los políticos es garantizar la existencia de las condiciones apropiadas para aprovechar ese potencial.
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Palabras clave
materiales inteligentes, estructuras inteligentes, políticos, conocimiento
Referencias
Scientific Generics Ltd, Smart Technology, Department of Trade and Industry, 1993
Contactos
Celia Graves, CEST
Tel. +44 171 354 9942, fax. +44 171 354 4301, e-mail cgreaves@cest.org.uk
Sobre el autor
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Celia Greaves es Jefe de Proyecto en el CEST, Centre for Explotation of Science and Technology. Tiene más de diez años de experiencia en aplicación e innovación en un amplio campo de tecnologías. Sus temas de interés en el CEST son las tecnologías emergentes, comercio y medio ambiente, y transporte.
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