Estudio de las tendencias y estado del arte en el desarrollo de dispositivos miniatura y su aplicación en entornos inteligentes

TRABAJO FINAL DE CARRERA TÍTULO DEL TFC: Estudio de las tendencias y estado del arte en el desarrollo de dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes. TITULACIÓN: Ingeniería Técnica de Telecomunicación, especialidad Sistemas de Telecomunicación AUTORAS: Verónica Blanco Rodríguez Eva Aranda Bodelón DIRECTOR: Jordi Berenguer i Sau FECHA: 30 de junio de 2006 Título: Estudio de las tendencias y estado del arte en el desarrollo de dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes. Autoras: Verónica Blanco Rodríguez Eva Aranda Bodelón Director: Jordi Berenguer i Sau Fecha: 30 de junio de 2006 Resumen La integración de dispositivos nanotecnológicos en sistemas de comunicación inteligentes permite la interactuación de estos sistemas entre sí. En el presente documento se estudia y definen estas nuevas tecnologías y sistemas. En el primer capítulo se define el concepto de nanotecnología haciendo especial hincapié en su desarrollo y evolución hacia la base de las nuevas tecnologías de comunicación. Se profundiza en los dispositivos electrónicos en miniatura, explicando las características de los MEMS (Sistemas Micro-Electromecánicos). Estos dispositivos prometen revolucionar el área nanotecnológica, ofreciendo capacidades de decisión y de control necesarios en los sistemas inteligentes. En el capitulo tercero se estudian nuevos materiales denominados “materiales inteligentes”. Estos se caracterizan por integrar sistemas nanotecnológicos que les permiten responder ante estímulos externos, cambiando sus propiedades e incluso su forma cumpliendo la funcionalidad para la cuál fueron diseñados. En el siguiente capitulo se describen los proyectos más significativos e innovadores en el ámbito de las TIC. Estos proyectos se clasifican según el lugar donde han sido desarrollados y financiados. Para un mejor entendimiento de los entornos inteligentes, se describen los principales sistemas de comunicación que permitirán unificar los diferentes dispositivos que lo componen. Finalmente, después de todo el estudio realizado en los capítulos anteriores se presentan dos posibilidades de entornos inteligentes. Primeramente se describe un centro docente inteligente, creando nuevos sistemas que faciliten a los estudiantes su aprendizaje mediante la comodidad y facilidad para obtener información. El otro entorno elegido para el estudio es una oficina inteligente. La aplicación de estas nuevas tecnologías aumentará el rendimiento de sus empleados incrementado los beneficios de la empresa. Title: Study of tendencies and states of art in the development of devices in miniature and its application in intelligent surroundings Authors: Verónica Blanco Rodríguez Eva Aranda Bodelón Director: Jordi Berenguer i Sau Date: June, 30th 2006 Overview The integration of nanotechnologies devices on intelligent communication systems allows the underperformance of these systems to each other. The present document studies and defines these new technologies and systems. In the first chapter the nanotechnology concept is defined, doing special emphasis in its development and evolution towards the base of the new technologies of communication. It deepens in the electronics in miniature devices, explaining the characteristics of MEMS (Micro Electronic Mechanical System). These devices promise to revolutionize the nanotechnology area, offering capacities of necessary decision and control in the intelligent systems. In the third chapter one studies new materials, called "intelligent" materials. These are characterized to integrate nanotechnology systems that allow them to respond before external stimuli, changing their properties and even its form for fulfilling the functionality for which was designed. In the following chapter it has described the most significant and innovating projects in the scope of the TIC. These projects are classified according to the place where they have been developed and financed. For a better understanding of the intelligent places, the main systems of communication are described. That will allow unify the different devices that compose it. Finally, after all the study made in the previous chapters, two possibilities of intelligent places appear. First an intelligent teaching institution is described, creating new systems that facilitate to the students learning by means of the comfort and facility to obtain data. The other place, that has been chosen for the study, is an intelligent office. The application of these new technologies will increase the yield of its employees and will increase the benefits of the company. ÍNDICE INTRODUCCIÓN ...............................................................................................1 Capítulo 1. Nanotecnología................................................................................2 1.1 Nanociencia y nanotecnología................................................................................ 2 1.2. Beneficios y riesgos de la nanotecnología............................................................. 2 1.2. Origen y evolución................................................................................................ 3 1.3. Situación actual de la nanotecnología ................................................................... 4 1.4. Aplicaciones.......................................................................................................... 7 1.6. Proyectos llevados a cabo...................................................................................... 9 1.7. Predicciones de futuro......................................................................................... 15 Capítulo 2. Aplicación de la nanotecnología al desarrollo de dispositivos electrónicos...................................................................................................... 16 2.1. Introducción......................................................................................................... 16 2.1.1. Evolución de los MEMS .............................................................................. 16 2.1.2. Clasificación y aplicaciones de los MEMS.................................................. 17 2.1.3. Desarrollo de los MEMS a nivel internacional ............................................ 18 Capítulo 3. Aplicación de la nanotecnología en el desarrollo de nuevos materiales.........................................................................................................20 3.1 Elementos nanotecnológicos insertados en objetos.............................................. 22 3.1.1 Etiquetas inteligentes (RFID, Radio Frequency IDentification):.................. 22 3.1.2. Polímeros (carretera y construcción, armadura)........................................... 23 3.1.3. Ladrillos inteligentes.................................................................................... 23 3.1.4. Ropa inteligente (lavandería de nanotejidos) ............................................... 24 3.1.5. Papeles electrónicos...................................................................................... 25 3.1.6. Bolígrafo portátil inteligente ........................................................................ 25 Capítulo 4. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 27 4.1 Amigo (Unión Europeo)..................................................................................... 27 4.2. Gator Tech (Florida)............................................................................................ 28 4.4. Sistema automático de reconocimiento personal (Japón).................................... 36 4.4. Requesting Pervasive Service By Touching RFID TGAS (Finlandia) ............... 38 4.5. Voice Smart Home (La casa controlada con la voz)........................................... 39 Capítulo 5. Sistemas de comunicación ............................................................41 5.1. Redes Ad Hoc...................................................................................................... 41 5.2. Cuarta generación de telefonía móvil.................................................................. 42 5.3. UMTS.................................................................................................................. 43 5.4. WIMAX............................................................................................................... 44 5.5. WIFI .................................................................................................................... 45 5.6. Bluetooth ............................................................................................................. 45 5.7. GPRS................................................................................................................... 46 5.8. Ethernet................................................................................................................ 47 5.9. GPS...................................................................................................................... 47 Capítulo 6. Escenarios de futuro...................................................................... 49 6.1. Colegio inteligente............................................................................................... 49 6.1.1. Diseño de la entrada al centro. ..................................................................... 51 6.1.2. Diseño de conserjería. .................................................................................. 51 6.1.3. Diseño de la sala de mantenimiento............................................................. 52 6.1.4. Diseño de los baños...................................................................................... 52 6.1.5. Diseño de la cocina....................................................................................... 53 6.1.6. Diseño de las aulas. ...................................................................................... 54 6.1.7. Diseño del terrado......................................................................................... 55 6.1.8. Diseño de exteriores..................................................................................... 55 6.1.9. Diseño de elementos comunes en todo el recinto......................................... 56 6.2. Oficina Inteligente............................................................................................... 58 6.2.1. Diseño de los espacios exteriores y parking................................................. 59 6.2.2. Diseño de la entrada a la oficina................................................................... 60 6.2.3. Diseño de la sala de administración. ............................................................ 60 6.2.4. Diseño de la sala de empleados.................................................................... 61 6.2.5. Diseño de la sala de reuniones...................................................................... 61 6.2.6. Diseño de los despachos............................................................................... 62 6.2.7. Diseño del baño............................................................................................ 62 6.2.8. Diseño del área de descanso......................................................................... 63 6.2.9. Diseño de los elementos comunes................................................................ 63 6.3. Diagramas de sistemas de telecomunicaciones................................................... 64 CONCLUSIONES............................................................................................. 67 Impacto medioambiental............................................................................................ 68 Bibliografía ....................................................................................................... 69 ÍNDICE...............................................................................................................2 ANEXO 1..................................................................................................................... 5 ANEXO 2..................................................................................................................... 8 ANEXO 3................................................................................................................... 13 ANEXO 4................................................................................................................... 16 Introducción 1 INTRODUCCIÓN La aparición de la nanotecnología ha desencadenado una nueva área de investigación cuyo objetivo es el control del comportamiento y la estructura fundamental de la materia a nivel atómico y molecular, esto quiere decir que la nanotecnología trabaja con las propiedades de la materia a escala nanométrica: un nanómetro (la mil millonésima parte de un metro). A esta escala, la materia ofrece propiedades diferentes y, muchas veces, sorprendentes. Se trata de una tecnología que ofrece posibles soluciones a muchos problemas actuales mediante materiales, componentes y sistemas más pequeños, más ligeros, más rápidos y con mejores prestaciones. Asimismo se considera que la nanotecnología puede hacer una aportación esencial en la búsqueda de soluciones para problemas medioambientales de carácter global, a través del desarrollo de productos y procesos más ajustados para usos específicos, permitiendo el ahorro de recursos, y la disminución de emisiones y residuos. Actualmente, se ha comenzado a tomar consciencia de esta nueva tecnología a escala internacional, la cual sin duda alguna supondrá una revolución; sin embargo, el concepto de nanotecnología aún no es muy conocido por la sociedad. En Europa se empezó ya a invertir en programas de investigación de nanotecnologías a partir del período que va de mediados a finales de la década de los 90. Estas investigaciones han permitido crear una fuerte base de conocimientos, que tendrán sus frutos si se asegura que la industria y la sociedad europeas inviertan en el desarrollo de nuevos productos y procesos. El objetivo de este trabajo es explorar el estado del arte actual sobre el desarrollo de de sensores y actuadores y su aplicación al desarrollo de entornos inteligentes, también llamados “pervasive computing” o “ubiqutuos computing”, en los cuales el usuario interacciona de forma directa con el entorno sin que perciba su existencia. 2 Estudio de mecanismos de congestión en redes DHT Capítulo 1. Nanotecnología 1.1 Nanociencia y nanotecnología El concepto de nanociencia se asocia al estudio de las propiedades de los objetos y fenómenos a escala nanométrica permitiendo la manipulación de las estructuras moleculares y de sus átomos. La nanotecnología se ocupa de la manipulación “controlada” y producción de objetos materiales, instrumentos, estructuras y sistemas a dicha escala a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. La manipulación de los átomos y de las moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, componentes y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas. Para comprender cual es el alcance de la nanotecnología es necesario aclarar que el mínimo microchip de hoy en día, es considerado demasiado grande por los nanotecnólogos ya que es visible. 1.2. Beneficios y riesgos de la nanotecnología La nanotecnología molecular permitirá la fabricación de prototipos de productos muy potentes. Estos prototipos llegarán de forma inminente, una vez estén aprobados, ya que previsiblemente los últimos pasos necesarios para desarrollar la tecnología serán más fáciles que los pasos iniciales y muchos habrán sido ya planificados durante el propio proceso. La repentina llegada de la fabricación molecular no nos debería sorprender. Actualmente se está investigando el impacto a nivel social que esta nueva tecnología puede conllevar, debido a que la nanotecnología suscita sentimientos contradictorios. Por un lado aporta muchas ventajas, sin embargo las consecuencias son imprevisibles, lo que provoca cierta incertidumbre en su implantación futura. La nanotecnología se ha de desarrollar de forma segura y responsable. Su avance deberá respetar principios éticos y será preciso estudiar científicamente sus riesgos potenciales para la salud, la seguridad y el medio ambiente con el fin de prever la normativa necesaria. En la Tabla 1.1 podemos ver una reflexión sobre los principales beneficios y riesgos que puede suponer la nanotecnología. Nanotecnología 3 Tabla 1.1: Beneficios y riesgos de la nanotecnología. Beneficios Riesgos Mejoras en el entorno de las personas Solución a la contaminación atmosférica Generación y almacenamiento de energía Mejora del diagnostico de enfermedades Monitorización de la salud Tratamiento de aguas Efectos indeseados de las nanopartículas en los organismos Reciclaje de las nanopartículas una vez finalizado su ciclo de vida útil Partículas fuera de control (plaga verde) Desequilibrio económico y político Armamento de destrucción masiva Reducción de mano de obra 1.2. Origen y evolución El desarrollo de la nanotecnología viene de lejos; se inició hace más de medio siglo. Los primeros estudios los realizó en los años 40 Von Neuman sobre la posibilidad de crear sistemas autoreproductivos. Sin embargo no fué hasta 1959 cuando el físico norteamericano y premio Nobel Richard Feynman, hizo referencia a las posibilidades que aportaban el estudio de la nanociencia y la nanotecnología, durante el discurso que dio en el Caltech (Instituto Tecnológico de California) el 29 de diciembre de 1959 titulado “Al fondo hay espacio de sobra” (There's Plenty Room at the Bottom), donde expuso: “Los principios de la Física, tal y como yo los entiendo, no niegan la posibilidad de manipular las cosas átomo por átomo… Los problemas de la Química y la Biología podrían evitarse si desarrollamos nuestra habilidad para ver lo que estamos haciendo, y para hacer cosas a nivel atómico”. Las palabras de Feyman no tuvieron demasiada trascendencia hasta comienzos de los 80, cuando un estudiante de pre-grado del Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT), Eric Drexler predijo que la nanotecnología podría usarse para solucionar muchos de los problemas de la humanidad, a su vez que podria utilizarse para crear armas de gran potencia. Creador del Foresight Institute y autor de libros como “Máquinas de la creación” muchas de sus predicciones iniciales no se cumplieron, y sus ideas parecen exageradas en la opinión de otros expertos, como Richard Smalley, premio Nobel en Química por el descubrimiento de los Bukminsterfullerenos o Bukckyballs (1). Ya en 1997 se consigue fabricar la guitarra más pequeña del mundo, que tiene aproximadamente el tamaño de una célula roja de sangre. En 1998 a partir de los Bukminsterfullerenos descubiertos anteriormente, convierten un nanotubo de carbón en un nanolápiz con capacidad de escritura. En el año 2000 los laboratorios Lucent & Bell, junto con la universidad de Oxford, crean los primeros motores de ADN demostrando la convergencia entre la biotecnología y la nanotecnología. En 2001 los investigadores de IBM desarrollan circuitos lógicos para las computadoras a nivel nanométrico y James Gimzewski crea la 10 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes próstata (PSMA), desarrollando instrumentos médicos accesibles, de coste bajo y que den una diagnosis correcta aproximadamente el 100% de los casos. Participantes EL.EN. SPA, R.&D. LABORATORY ITALIA UNIVERSITE DE LIEGE. BÉLGICA UNIVERSITAET BERN SUIZA INSTITUTE OF CANCER RESEARCH: ROYAL CANCER HOSPITAL REINO UNIDO TP21 GMBH ALEMANIA Proyecto 2 Utilización de materiales nanométricos para sensores y microsistemas médicos implantados que permitirán mejorar la salud y la calidad de vida (HEALTHY AIMS) Este proyecto ha sido financiado por el 6º programa Marco de la Unión Europea. La base del proyecto es el desarrollo de microsistemas tecnológicos y de comunicación que se implementarán directamente en el ser humano, para actuar como medidores de constantes vitales, y a su vez como emisor de los datos obtenidos, utilizando sistemas de comunicación de banda ancha. Las principales razones por las que se ha decidido aplicar estos sistemas en la medicina son su reducido tamaño ideal para ser insertado en el cuerpo humano, su capacidad para adquirir datos y transmitirlos su bajo consumo, fiabilidad, etc. La idea principal de este proyecto es el desarrollo de las tecnologías que permitan crear estos sistemas para después implementarlos en el sector biomédico. El resultado de este proyecto será el incremento de la calidad de vida de las personas, al facilitar la detección precoz de enfermedades, o mejorar la salud de personas enfermas. Resultado de todo ello va a ser la reducción de costes de los sistemas sanitarios públicos, y una mayor eficacia en la atención médica. Algunos de los usos pensados para este proyecto pueden ser estimulación de los nervios, control de la vejiga, supervisión de la presión, etc., lo que supondrá un gran avance, ya que más del 50% de los habitantes occidentales sufren alguna de estas enfermedades. Detalles del proyecto Siglas Del Proyecto: ADONIS Referencia Del Proyecto: 16880 Fecha Del Comienzo: 2005-10-18 El Proyecto Costó: 3,02 millones euro Estado Del Proyecto: N/A Financiamiento Del Proyecto: 2,23 millones euro Número De registro Del Control: 74866 Nanotecnología 11 Detalles del proyecto Siglas Del Proyecto: HEALTHY AIMS Referencia Del Proyecto: 1837 Fecha Del Comienzo: 2003-12-17 El Proyecto Costó: 24,58 millones euro Estado Del Proyecto: N/A Financiamiento Del Proyecto: 15 millones euro Número De registro Del Control: 75515 Participantes TO BE DECIDED BÉLGICA ZARLINK SEMICONDUCTOR LIMITED REINO UNIDO UNIVERSITAET WIEN AUSTRIA UNIVERSITY OF SALFORD REINO UNIDO THE UNIVERSITY OF NEWCASTLE UPON TYNE REINO UNIDO ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITAET FREIBURG ALEMANIA TWI LIMITED REINO UNIDO THE SALISBURY HEALTH CARE NATIONAL HEALTH SERVICE TRUST REINO UNIDO SAFT FRANCIA QUEEN MARY AND WESTFIELD COLLEGE, UNIVERSITY OF LONDON REINO UNIDO NORTH BRISTOL NATIONAL HEALTH SERVICE TRUST REINO UNIDO THE NEXUS ASSOCIATION FRANCIA MICROTEC GESELLSCHAFT FUR MIKROTECHNOLOGIES MBH ALEMANIA MEDIPLUS LIMITED REINO UNIDO INTERUNIVERSITAIR MICRO-ELECTRONICA CENTRUM VZW BÉLGICA INSTYTUT TECHNOLOGII ELEKTRONOWEJ POLONIA IIP - TECHNOLOGIES GMBH ALEMANIA HAHN-SCHICKARD-GESELLSCHAFT FUER ANGEWANDTE FORSCHUNG E.V. ALEMANIA FINETECH MEDICAL LIMITED REINO UNIDO UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI ESPAÑA ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE SUIZA COCHLEAR EUROPE LIMITED REINO UNIDO CAMPUS MICRO TECHNOLOGIES GMBH ALEMANIA ASSUTA MEDICAL CENTERS LTD. ISRAEL CENTRAL RESEARCH LABORATORIES LIMITED REINO UNIDO Proyecto 3 Seguridad y calidad en los alimentos supervisados por microsistemas (GOODFOOD) Este proyecto ha sido financiado por el 6º programa Marco de Unión Europea. 12 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes GoodFood tiene como objetivo desarrollar la nueva generación de métodos analíticos basados en las soluciones de micro y nanotecnología (MST y MNT) para dar garantía completa de seguridad y de calidad a lo largo de la cadena de la industria alimentaria. Las preocupaciones y el futuro de los alimentos en lo relacionado con la seguridad y la calidad requerirán cada vez más un acercamiento multidisciplinario y universal, basándose en el uso masivo de sistemas simples de detección, capaces de ser utilizados en los sistemas de envasado y envoltorios de alimentos. La tecnología que se utiliza hoy en día para determinar la calidad de los alimentos es muy costosa y se necesita demasiado tiempo para hacer un análisis lo suficientemente exhaustivo de los alimentos. El proyecto GoodFood proporcionará tecnologías más baratas que simplificarán notablemente los procesos de análisis de calidad y seguridad de los alimentos. La necesidad de aumentar el control de productos en diversos pasos críticos de la cadena alimenticia (control de materias y de la materia prima de la alimentación, de la mejora de la transformación de los alimentos, de la supervisión el almacenaje y logística, y del control la seguridad y calidad de productos finales) será tratada por GoodFood con una integración vertical y horizontal de la experiencia del alimento y de la electrónica de desarrollar un sistema con las soluciones a los requisitos específicos de seguridad y de calidad. Detalles del proyecto Siglas Del Proyecto: GOODFOOD Referencia Del Proyecto: 508774 Duración: 912 meses Fecha Del Comienzo: 18-12-2003 El Proyecto Costó: 17,43 millones euro Estado Del Proyecto: Ejecución Financiamiento Del Proyecto: 9 millones euro Número De registro Del Control: 71195 Participantes MICROZONE LIMITED REINO UNIDO TENCAS DE CASASECA SL ESPAÑA BIONOSTRA, SL. ESPAÑA AZTI FUNDAZIO / FUNDACION AZTI ESPAÑA HOCHSCHULE FUER TECHNIK + ARCHITEKTUR LUZERN SUIZA BIO-SENSE BVBA BÉLGICA ACTEL SCCL ESPAÑA MIDRA, MULTIDISCIPLINAR INSTITUTE FOR DEVELOPMENT RESEARCH AND APPLICATIONS ITALIA EADS DEUTSCHLAND GMBH ALEMANIA UNIVERSIDAD ROVIRA I VIRGILI ESPAÑA NATIONAL CENTRE FOR SCIENTIFIC RESEARCH "DEMOKRITOS" GRECIA UNIVERSIDAD POLITECNICA DE CATALUNYA ESPAÑA Nanotecnología 13 UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESPAÑA UNIVERSIDAD DE BARCELONA ESPAÑA SCUOLA SUPERIORE DI STUDI UNIVERSITARI E DI PERFEZIONAMENTO SANT' ANNA ITALIA COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE FRANCIA CENTRO SUISSE D'ELECTRONIQUE ET DE MICROTECHNIQUE SA DE CSEM - RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT SUIZA FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. ALEMANIA CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE ITALIA UNIVERSIDAD DE CRANFIELD REINO UNIDO ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE SUIZA FUNDACION TEKNIKER ESPAÑA ISTITUTO TRENTINO DI CULTURA ITALIA NESTEC S.A. SUIZA APIBIO FRANCIA SYNAPSIS - SOCIETA A RESPONSABILITA LIMITATA ITALIA LINKOEPINGS UNIVERSITET SUECIA UNIVERSITY COLLEGE CORK - NATIONAL UNIVERSITY OF IRELAND, CORK IRLANDA Proyecto 4 Utilización de nanotubos para sistemas de proyección de grandes dimensiones (CANADIS) Proyecto financiado por el 5º programa Marco de la Unión Europea Los sistemas de proyección electrónicos son pieza clave en los sistemas de comunicación. La actual convergencia entre la televisión y la sociedad de la información, ha propiciado el desarrollo de nuevos sistemas de proyección de mayor superficie de proyección que los existentes hasta el momento, y permitiendo su portabilidad sin perder resolución de imagen. Mediante estos sistemas los usuarios podrán proyectar lo que deseen (cine, TV, etc.) proporcionados por los nuevos sistemas de comunicación sin hilo, sin perder las características iniciales de la imagen (resolución, etc.) Una de los objetivos de los desarrolladores es la creación de sistemas de proyección con áreas mínimas de 40” para aplicaciones de TV, permitiendo el aumento de estas áreas hasta en 15”. Detalles del proyecto Siglas del Proyecto: CANADIS Referencia del Proyecto: Ist-1999-20590 Fecha de comienzo: 31-08-2000 Duración: 36 meses Coste del Proyecto: 7,08 millones euro Fecha Fin: 2003-08-30 14 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Estado del Proyecto: Terminado Financiamiento del Proyecto: 2,8 millones euro Número de registro del Control: 55426 Participantes COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE FRANCIA MOTOROLA INC. ESTADOS UNIDOS FRAUNHOFER GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. ALEMANIA THALES AVIONICS LCD SA FRANCIA AIXTRON AKTIENGESELLSCHAFT ALEMANIA LINKOEPINGS UNIVERSITET SUECIA CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE FRANCIA ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE SUIZA Proyecto 5 Sistemas de Bio-detección integrados en textiles (BIOTEX) Este proyecto ha sido financiado por el 6º programa Marco de la Unión Europea. Se trata de la integración en materiales textiles de sistemas de bio-detección a fin de obtener datos sobre la salud del usuario. Estos sistemas permiten la supervisión de los signos vitales del usuario sin que éste se percate, además permite la detección precoz de enfermedades. Uno de los beneficiarios de estos sistemas va a ser la sanidad pública, ya que podrán mantener el control de los pacientes las 24 horas del día sin necesidad de emplear una persona para obtener estos datos, reduciendo por tanto los costes económicos. Estos sistemas están principalmente pensados para aquellas personas que no se alejadas de centros sanitarios, están convalecientes o que padecen una enfermedad crónica. Hasta el momento este tipo de sistemas se han empleando principalmente para deportistas donde, con medidas básicas (temperatura corporal, electrocardiograma, ritmo de respiración, etc.), se puede supervisar y prevenir posibles riesgos cardiovasculares. El proyecto de BIOTEX tiene como objetivo integrar sistemas que permitan detectar irregularidades bioquímicas o enfermedades a partir de los sensores integrados en la vestimenta, sin que los usuarios se percaten de su existencia. Los datos que obtienen estos sensores se transmiten, proporcionando un mapa sobre la salud y las condiciones medicas del usuario. Detalles del proyecto Siglas del Proyecto: BIOTEX Referencia del Proyecto: 16789 Nanotecnología 15 Fecha Del Comienzo: 28-07-2005 Coste del Proyecto: 3,11 millones euro Estado del Proyecto: N/A Financiamiento del Proyecto: 1,9 millones euro Número de registro del Control: 75579 Participantes UNIVERSIDAD DE DUBLÍN IRLANDA SOFILETA SAS FRANCIA BALNEARIO DE PENELOPE ITALIA THUASNE FRANCIA SMARTEX S.R.L ITALIA UNIVERSIDAD DE PISA ITALIA COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE FRANCIA 1.7. Predicciones de futuro Las predicciones sobre los futuros desarrollos y aplicaciones de la nanotecnología se focalizan entre otras, en las tecnologías de información y comunicaciones (TIC), y más concretamente en los dispositivos de almacenamiento masivo, de los que ya hay prototipos funcionales, aunque no se encuentran en fase de producción ni explotación comercial. A más largo plazo, se prevé que la aplicación de la nanotecnología facilite el desarrollo de nanomáquinas y su continuación natural: los nanorobots. Una nanomáquina es un dispositivo molecular capaz de realizar una tarea mecánica (abrir una compuerta, hacer girar un eje,…) encomendada antes a dispositivos mucho mayores. Los nanorobots van un paso más allá y cuentan entre sus posibilidades con la autorreplicación, o fabricación de copias de sí mismo, o capacidad de efectuar reparaciones (ya sea en el cuerpo humano o en sistemas mecánicos) sin necesidad de dirección desde el exterior. 16 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Capítulo 2. Aplicación de la nanotecnología al desarrollo de dispositivos electrónicos 2.1. Introducción Los “Micro Electrical Machined Semiconductors” (MEMS) son circuitos integrados que se basan en la integración de elementos, sensores y actuadores, a escala nanométrica, en un substrato común de silicio o metal, los cuales interactúan con el circuito electrónico. Los MEMS prometen revolucionar el área nanotecnológica a partir de la electrónica, ya que permiten el desarrollo de productos inteligentes, aumentando la capacidad de cálculo de la microelectrónica con las capacidades de decisión y de control de dispositivos (sensores y actuadores) y ampliando los usos posibles. Los sensores captan la información ambiental, permitiendo a la electrónica del circuito el procesado de ésta. Mediante los actuadores se ejecuta la acción que permita el control del entorno, con el objetivo de obtener el resultado deseado. 2.1.1. Evolución de los MEMS Los MEMS empezaron a ser desarrollados a partir de 1970 para sensores de presión o temperatura, acelerómetros u otros dispositivos de baja frecuencia. Los MEMS son dispositivos en miniatura que usan el movimiento mecánico para provocar un cortocircuito o un circuito abierto en una línea de transmisión. El primer dispositivo MEMS fue desarrollado en 1990-1991 por DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), éste estaba especialmente diseñado para aplicaciones de microondas. Se demostró que tenía un buen funcionamiento hasta los 50 GHz, resultado mucho mejor que el conseguido por los dispositivos GaAs (Arseniuro de Galio) hasta el momento, lo que despertó el interés a varios grupos de EE.UU. (Rockwell Science Center y Texas Instruments). En los 10 últimos años los MEMS han sufrido un considerable crecimiento debido a su potencial comercial debido entre otras características a su bajo coste. Durante estos años se han investigado diversos dispositivos pero únicamente mediante MEMS se ha podido alcanzar una frecuencia máxima de operación de más de 40 GHz con pérdidas muy pequeñas. Aplicación de la nanotecnología al desarrollo de dispositivos electrónicos 17 2.1.2. Clasificación y aplicaciones de los MEMS Según el origen de la energía que necesitan para crear un movimiento mecánico podemos clasificar los MEMS en: mecánicos, electrostáticos, magnetoestáticos, piezoeléctricos o térmicos. Por ahora, han demostrado fiabilidad los dispositivos electroestáticos, térmicos y magnetoestáticos, cuya frecuencia de trabajo está entre 0.01 y 100 GHz. Los más utilizados son los electroestáticos ya que son los que tienen menor consumo. Los MEMS son dispositivos muy lineales por lo que no generan productos de intermodulación en comparación con los semiconductores, por la inexistencia de corrientes de tipo exponencial. por lo que pueden tolerar grandes corrientes de RF crear productos de intermodulación. Otras características destacadas son: su pequeño tamaño, su masa inapreciable, su insensibilidad a la aceleración y su bajo consumo. En la tabla 2.1 podemos observar algunas de las aplicaciones más significativas de estos dispositivos. Tabla 2.1: Aplicaciones de los MEMS 18 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Dentro de las aplicaciones de los MEMS podemos diferenciar tres grandes áreas: - Redes de conmutación: las actuales redes utilizan sistemas de comunicación que incluyen interruptores y filtros que se ajustan a sus necesidades (perdidas de aislamiento, potencia…) a pesar de ser voluminosos. Gracias a las ventajas de los dispositivos MEMS podrán usarse tanto en sistemas de satélite, como en estaciones base o terrenas, creando sistemas más pequeños y ligeros que los actuales. - Circuitos de bajo consumo: los actuales dispositivos que trabajan a altas frecuencias y tienen un bajo consumo, tienen un alto coste. La sustitución de estos dispositivos por MEMS introducirá una mejora económica. - Sistemas inalámbricos: los dispositivos MEMS pueden permitir el desarrollo de sistemas inalámbricos de baja potencia integrando las antenas, osciladores de bajo ruido, filtros, etc., aprovechando las características de bajas pérdidas y elevado factor de calidad, que presentan éstos dispositivos. 2.1.3. Desarrollo de los MEMS a nivel internacional En la Tabla 2.2 podemos observar las distintas empresas que se dedican a la investigación y desarrollo de MEMS a nivel internacional. Tabla 2.2: Centros de investigación de dispositivos MEMS. Aplicación de la nanotecnología al desarrollo de dispositivos electrónicos 19 Todavía se debe trabajar para asegurar el correcto funcionamiento de los MEMS en cualquier tipo de ambiente. Hasta la fecha de hoy, los resultados obtenidos se han definido en ambientes controlados (libres de contaminación), aspecto clave para favorecer su rápida expansión. 26 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes tapamos el bolígrafo. O si lo preferimos, podemos mandarlo a un fax por módem, o por correo electrónico o incluso a un teléfono móvil. Mientras que se escribe en el teclado se puede leer lo que el programa va interpretando en una pequeña pantalla que va incorporada al bolígrafo, para corregir errores de interpretación. El invento, que se ha llamado SmartQuill, no verá la luz en los mercados hasta dentro de dos años, pero los expertos de British Telecom y otras empresas británicas ya están probándolos. Actualmente se está investigando como novedad para las siguientes versiones del producto, incorporar un dispositivo que reconozca la firma del usuario como contraseña, es decir, que el bolígrafo sea personal e intransferible, y si no firma el propietario al comenzar la sesión de "dictado", el invento no funciona. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 27 Capítulo 4. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC Este apartado se centra en los proyectos más significativos que se están llevando a cabo actualmente. Clasificamos los proyectos según el país en el cual se desarrolla, de tal manera que diferenciamos la Unión Europea y otros países como Japón y Finlandia. 4.1 Amigo (Unión Europeo) En tiempos pasados, la automatización casera, las comunicaciones, la informática, etc., eran dominios separados. Actualmente esto ya está empezando a cambiar, la integración de la tecnología inteligente en el hogar empieza a ser realidad ya que conduce a muchas nuevas oportunidades debido a que la gente puede utilizarla de manera libre y recíprocamente. Sin embargo, la aceptación general de esta tecnología por parte del usuario está bastante atrasada y un tema importante es conseguir la amplia aceptación del usuario y la introducción en el mercado de nuevos dispositivos los cuales ofrecerán asumir las exigencias del consumidor. Amigo es un proyecto integrado (IP) financiado por la Comisión de las Comunidades Europeas en el sexto programa Marco. Comenzó el 1 de septiembre del 2004 y tiene una duración de 42 meses, es decir hasta el 28 de febrero del 2008. El proyecto cuesta unos 24 millones de euros y el estado ayuda con una financiación de 13 millones de euros. El consorcio del proyecto esta formado por 15 socios (Telecom, Microsoft, INRIA, VTT, Philips, Telefónica…) de la industria, de laboratorios de investigación y de universidades a partir de 7 países europeos (Finlandia, Francia, Alemania, Grecia, Italia, España y Países Bajos). El proyecto Amigo apunta a superar los obstáculos a la aceptación de la tecnología inteligente dentro del hogar. Su objetivo es investigar y desarrollar dispositivos inteligentes, estandarizar esta nueva tecnología y crear nuevos servicios interconectados para los usuarios del hogar. También demostrará la utilidad de los servicios inteligentes e intentará descifrar las condiciones necesarias para que los sistemas resulten atractivos a los usuarios, creando y demostrando los usos del prototipo que mejoran la vida diaria, dirigiéndose a todos los aspectos vitales del usuario. El proyecto se centrará en la investigación de tres dominios: seguridad, información y hospitalidad dentro del ambiente familiar. Amigo tiene en el Parque tecnológico de Álava (España), un laboratorio para la experimentación de tecnologías domóticas y energéticas en la vivienda (Domolab), consta de dos plantas con una superficie de 183m2 distribuidos en 28 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes siete espacios (cocina, comedor, dos salas, un dormitorio y dos baños) y está dotado de una serie de instalaciones entre las que se pueden destacar las siguientes: - Comunicación de datos con el exterior, cableado multimedia, cableado estructurado para vídeo, audio y datos en todas las habitaciones. - Tres sistemas de distribución de frío y calor (suelo radiante, conductos de aire e instalación hidrónica para radiadores) para permitir pruebas de una amplia gama de sistemas de control y de generación de frío o calor. - Sistema domótico para la gestión de los electrodomésticos, de las seguridades como fugas de agua, fugas de gas, etc., simulación de presencia y consumos, automatización de tareas, etc. - Sistema de ventilación regulado en función de la humedad relativa en la vivienda. Figura 4.1: Vista general de Domolab (casa piloto) Este proyecto podría definir el gran paso hacia la introducción del hogar inteligente, solucionando los problemas de aceptación y creando servicios y ventajas para los usuarios. 4.2. Gator Tech (Florida) Históricamente el hombre ha construido edificios para crear un entorno controlado para poder vivir y para poder trabajar. Pero a lo largo de las últimas décadas han cambiado las prioridades en diseño y la organización de edificios, especialmente en el caso de las oficinas. Ahora, se le empieza a dar más importancia a la concepción de un edificio desde su etapa de concepción inicial para así incorporar, desde un principio, todos los elementos que servirán posteriormente para tener un ambiente más productivo, minimizando los costos. Esta tendencia es cada vez más fuerte y ya es irreversible. Un edificio inteligente es aquel que proporciona un ambiente de trabajo productivo y eficiente a través de la optimización de sus cuatro elementos Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 29 básicos: estructura, sistemas, servicios y administración. Los edificios inteligentes ayudan a los propietarios, operadores y ocupantes, a realizar sus propósitos en términos de costo, confort, comodidad, seguridad, flexibilidad y comercialización. Desde el punto de vista computacional, el término “Edificio Inteligente” sugiere la presencia de sistemas basados en técnicas de inteligencia artificial, programados, capaces de: - Tomar las decisiones necesarias en un caso de emergencia. - Predecir y auto diagnosticar los fallos que ocurran dentro del edificio. - Tomar las acciones adecuadas para resolver dichos fallos en el momento adecuado. - Monitorizar y controlar las actividades y el funcionamiento de las instalaciones del edificio. La sociedad envejece, de modo que el cuidado de todas las personas que alcanzan esta fase de su vida provocará un incremento exponencial de los costes de asistencia domiciliaria durante los próximos 20 años. Es posible que si dedicamos parte de este dinero a dotar a los hogares de sistemas más automatizados, los gastos sociales disminuyan. Un grupo de de ingenieros y científicos de la Universidad de Florida, bajo la dirección de Sumi Helal, y especializados en domótica, están diseñado un hogar inteligente experimental, para aquellas personas mayores que no desean vivir en una residencia o recibir cuidados específicos, este hogar proporciona automáticamente mucha de la asistencia que necesitarán de forma habitual. El objetivo del proyecto es diseñar y poner en práctica espacios inteligentes futuros utilizando una arquitectura viable. A la hora de diseñar han de crear la tecnología y los sistemas que realizarán. Estos sistemas los aplicarán en espacios extensibles y adaptantes con el fin de ser cada vez más programables para aprovechar lo máximo posible los espacios. El prototipo de este curioso y avanzado hogar inteligente está habitado por una sola persona llamada Matilda, de 85 años, aunque en realidad no es un ser vivo real, sino un maniquí de tamaño natural. Matilda es una persona con poca memoria, débil a causa de su avanzada edad, pero a pesar de ello le gusta ser independiente en sus propias horas durante el máximo tiempo posible, evitando de esta manera el traslado a un centro geriátrico. La casa posee una sala de estar completamente amueblada, cocina, dormitorio y baño. Esta situada en la cuarta planta de la Universidad de Florida donde se halla el laboratorio de informática. No es un espacio muy grande, pero sí suficiente para una hipotética persona que viviera sola o junto a un compañero de edad semejante. En este hogar inteligente podemos encontrar muchos electrodomésticos “inteligentes”, como un microondas que reconoce el tipo de plato que se le introduce y que por lo tanto no necesita que se le diga el tiempo de cocción, o 30 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes una serie de sensores que vigilan constantemente los movimientos del anciano. Tales dispositivos, y muchos otros, están interconectados a través de una red informática, permitiendo el diálogo entre ellos y entre los dispositivos y el usuario. El objetivo es hacer la vida más fácil a los ocupantes de la casa. Así, si se produce una fuga de agua que llega al suelo, los sensores la detectarán y nos informarán, incluso por teléfono móvil (en caso de que no estemos en casa). Si nos visita alguien, los sensores determinarán en qué habitación nos encontramos y una cámara nos enviará la imagen del recién llegado. Para abrir la puerta, el propio visitante podrá hacerlo a través de una llamada telefónica que incluirá un código de seguridad. El anciano no tendrá que moverse de su posición si no lo desea o no puede hacerlo. Actualmente se estima que sólo un 10 por ciento de las personas que han superado los 60 años necesita asistencia exterior en su vida diaria. Sin embargo, casi el 50 por ciento de los hombres y mujeres que pasan de los 80 sí la precisan. Existe el estereotipo de que las personas mayores rechazan la tecnología, pero se ha demostrado que esto no es así. Sólo deben tenerse en cuenta factores tales como la facilidad de uso. Un sistema capaz de reconocer la voz humana podría ser usado para múltiples tareas, como encender las luces, el equipo de música, la televisión, mover las cortinas o cualquier otra cosa. La asistencia médica a distancia, con sensores aplicados al cuerpo de los usuarios que informarán a los doctores del estado del paciente, será otro importante campo a tener en cuenta. En esta casa inteligente, los ingenieros tienen un espacio para probar sus ideas y para evaluar si podrán aplicarse en un futuro próximo. Elementos de la casa inteligente - Smart cameras Las cámaras fotográficas ayudan a proporcionar un ambiente seguro en todos los espacios y alrededores de la vivienda. La gerencia del software de las cámaras fotográficas permite características tales como la detección del movimiento y el control de otros dispositivos inteligentes de la casa basada en el análisis de la imagen. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 31 Figura 4.2: Cámara inteligente. - Smart blinds Control automático de la luz dependiendo de la diferencia de la luz exterior e interior a través de persianas motorizadas. Con estas persianas inteligentes se obtiene un ahorro de energía. Figura 4.3: Persianas inteligentes. - Ultrasonic localitation tracking Sensores para detectar el movimiento, la localización, y la orientación del residente. Los sensores ultrasónicos están instalados en las esquinas del techo de cada estancia. El residente tiene que usar un chaleco en el cual están integradas las etiquetas ultrasónicas que pueden detectar la localización del residente. - Smart floor Suelo capaz de detectar la presencia humana y puede seguir la localización de todos los inquilinos de la casa. Detecta caídas e informes a los servicios de emergencia. Los sensores de presión se encajan en cada azulejo del suelo. Figura 4.4: Sensores de presión en los azulejos. 32 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes - Smart mailbox Buzón de correo que detecta el correo y lo notifica al inquilino. Figura 4.5: Buzón de correo inteligente. - Smar front door La puerta posee una etiqueta RFID que permite la entrada a los dueños de la casa y al personal autorizado. La puerta consta de un micrófono, una cámara fotográfica, texto LCD, cierre eléctrico, y altavoces para la comunicación con el dueño de una casa y el control de la entrada a la vivienda a los visitantes. Figura 4.6: Puerta principal inteligente - Smart display Pantallas que se colocan en cada estancia de la casa, su función es comunicarse con el residente de la vivienda. Figura 4.7: Displays inteligentes. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 33 - Smart phone El teléfono además de sus funciones habituales, permite actuar como mando a distancia a todas las aplicaciones y jugadores de medios. En caso de emergencia puede dar un aviso a los inquilinos si estos se encuentran ausentes. - Smart closet Armarios que pueden dar sugerencias de la ropa en función de las condiciones atmosféricas exteriores. Los lectores de RFID están instalados en el armario para leer las etiquetas encajadas en la ropa. Notificarán al habitante en caso de que use la ropa inadecuada para el tiempo actual. Figura 4.8: Armario inteligente. - Smart bed Cama inteligente integrada por sensores capaces de supervisar patrones de sueño de sus inquilinos y es capaz de controlar las noches de insomnio. Avisa al inquilino en caso de que éste se deje la estufa encendida cuando se va a dormir. Figura 4.9: Cama inteligente. 34 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes - Smart bathroom La bañera es capaz de regular la temperatura del agua, incluso puede saber quién está dentro de la bañera y regular la temperatura según su preferencia mediante una base de datos. El dispensador de jabón avisa en caso de falta de jabón y controla el nivel de higiene del inquilino. Figura 4.10: Baño inteligente - Smart mirror Espejo capaz de mostrar mensajes o recordatorios importantes cuando el inquilino está enfrente de el. Figura 4.11: Espejo inteligente. - Social distant dining La cocina consta de un sistema de video-conferencia que permite cenar manteniendo una conversación con un pariente o amigo de otra localización. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 35 - Smart wave El microondas y el horno utilizan tarjetas RFID para saber qué clase de alimento desea el habitante cocinar para poder aconsejar y mostrar recetas con esos alimentos. Cuando el alimento está listo el habitante será notificado. Figura 4.12: Horno y microondas inteligentes - Smart refrigerador La nevera controla los alimentos según la disponibilidad y la caducidad. Crea listas de la compra automáticamente y integra un consejero sobre la preparación de la comida basado en los artículos existentes en ese momento en el refrigerador y en la despensa. - Smart laundry Conjuntamente con el armario inteligente, la lavadora notifica al dueño de cuando puede hacer la colada (por motivos de carga) y también puede dar advertencias cuando juntas la ropa blanca con la ropa de color. Figura 4.13: Lavadora inteligente. 42 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Esta aplicación permite el uso de dispositivos tales como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y PDA’s. Figura 5.1: Arquitectura de la red ad hoc de la aplicación UbiqMuseum 5.2. Cuarta generación de telefonía móvil La cuarta generación de telefonía móvil es un nuevo paso de las telecomunicaciones hacia la movilidad y accesibilidad universales basado en la convergencia de UMTS con distintos tipos de redes complementarias unidas bajo el protocolo IP. El usuario alternará de forma automática, sin interrupciones y manteniendo la calidad de transmisión entre las distintas redes según su ubicación, sin que el usuario se percate. Una de las principales ventajas que proporcionara la cuarta generación será las altas velocidades de transmisión que podrán alcanzar desde los 20 a los 100 Mbps en las transmisiones de UMTS e incluso el Gigabyte en las redes locales y los hostpots. Por lo tanto la cuarta generación permitirá al usuario la utilización simultánea de varias aplicaciones como serian videoconferencias, reproducción de películas, etc. Actualmente el principal investigador de nuevas tecnologías de la cuarta generación es Japón. La operadora en telefonía móvil NTT DoCoMo trabaja en ello desde 1998 y ha demostrado en varias ocasiones los progresos que han logrado. Uno de los resultados más satisfactorios fue la transmisión de datos donde se obtuvieron velocidades desde 300 Mbps en una estación hasta 135 Sistemas de comunicación 43 Mbps en la otra estación mientras viajaban en un vehículo en movimiento (30 Km/h) con una distancia entre estaciones de 1Km aproximadamente. La problemática que plantea la cuarta generación no sólo son los desafíos que plantean cada tipo de red empleada, hay otros problemas que se plantean que se han de solucionar para el correcto funcionamiento de las nuevas tecnologías como por ejemplo la degradación que se produce en la señal cuando el terminal se aleja a más de 1 Km de distancia de la estación base, o el tamaño y consumo de energía de los prototipos ya que resultan excesivos, entre otros. No se sabe con certeza cuando se producirá la implantación de esta nueva tecnología en España, ya que la cuarta generación ha de suceder a UMTS la cual todavía no se ha implantado considerablemente hoy en día. Figura 5.2: Ejemplo de red de comunicaciones 4G. 5.3. UMTS UMTS es un estándar de telefonía móvil celular de banda ancha y alta velocidad (de 2 Mbps en adelante). Se basa en extender las actuales tecnologías móviles inalámbricas proporcionando mayor capacidad, posibilidades de transmisión de datos y una gama de servicios mucho más extensa, usando un innovador programa de acceso radioeléctrico y una red principal mejorada. Apropiado para una variedad de usuarios y tipos de servicios. 44 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Figura 5.3: Diagrama estándar UMTS 5.4. WIMAX WIMAX es una tecnología de transmisión de datos inalámbrica, diseñada para ser utilizada en el área metropolitana (MAN), proporcionando accesos concurrentes en áreas de hasta 48 kilómetros de radio y a velocidades de hasta 70 Mbps. Está diseñada para trabajar con un gran ancho de banda, por lo que puede operar en diferentes frecuencias, que van desde los 2GHz a los 66GHz, esto permite que pueda ser utilizada en áreas urbanas, suburbanas y zonas rurales, incluso sin tener una visión directa entre el terminal y la estación base. Figura 5.4: Acceso inalámbrico a una Figura 5.5: Acceso inalámbrico pequeña ciudad a un área urbana Sistemas de comunicación 45 5.5. WIFI Wifi es un protocolo de comunicación inalámbrica de área local (LAN) cuyo nombre técnico es IEEE 802.11b. Ofrece interconexión entre un máximo de 10 equipos y acceso inalámbrico a Internet a una velocidad de hasta 11Mbps. Está diseñado para su utilización en hogares, pequeñas, medianas o grandes empresas, así como en todo tipo de lugares públicos. Posee un radio de acción de hasta 100 metros en espacios abiertos y de unos 45 metros en recintos cerrados con paredes. Para su utilización sólo se necesita de un pequeño módem interno que se conecta a la red telefónica y eléctrica y una tarjeta de red (USB) para cada equipo que forme parte de la red inalámbrica. Aunque se considera que la norma 802.11b es suficientemente fiable, rápida y segura, se están desarrollando diferentes categorías. Una que ya está aprobada por el comité normativo es 802.11a, que ofrece una velocidad de 54 Mbps, un alcance máximo de 35 metros y funciona a 2,4 GHz. Figura 5.6: Conexión entre distintos dispositivos mediante el sistema wireless. 5.6. Bluetooth Bluetooth es un estándar empleado en enlaces de radio de corto alcance, destinado para reemplazar el cableado existente entre dispositivos electrónicos como teléfonos móviles, Asistentes Personales Digitales (PDA), ordenadores, entre otros dispositivos, ya sea en el hogar, en la oficina, en el automóvil, etc. La tecnología empleada permite a los usuarios conexiones instantáneas de voz y datos entre varios dispositivos en tiempo real. Opera en la banda de 2.4 GHz y los datos se pueden intercambiar a velocidades de hasta 1 Mbps. Tiene un alcance máximo de 100 metros. El modo de transmisión empleado, asegura protección contra interferencias y seguridad en el envío de datos. Entre sus 46 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes principales características, pueden nombrarse su robustez, baja complejidad, bajo consumo y bajo costo. Recientemente, la tecnología Bluetooth ha demostrado ser una plataforma de soporte prometedora en las redes ad hoc. Las redes que utilizan Bluetooth como tecnología base ofrecen ventajas considerables en las aplicaciones debido a la habilidad de Bluetooth para localizar de forma transparente tanto dispositivos cercanos como los servicios que estos ofrecen. Figura 5.7: Diagrama de conexión entre dispositivos Bluetooth. 5.7. GPRS El sistema GPRS se puede entender como la extensión del sistema móvil GSM para la transmisión de información mediante la conmutación de paquetes. La gran ventaja que aportó el sistema GPRS ante el sistema GSM en la utilización del canal de comunicación por más de un usuario, lo que permite mejorar los recursos de la red. La conmutación de paquetes aporta grandes beneficios a la comunicación en la transmisión de datos, ya que para transmitir este tipo de información se puede utilizar un flujo variable en el tiempo, por lo cual en momentos de inactividad de los canales se puede aprovechar para enviar datos de otras comunicaciones. Este sistema puede transmitir a una velocidad de hasta 114 Kbps y permitiendo entre otros servicios la conexión a Internet, la transmisión de grandes volúmenes de datos, etc. Sistemas de comunicación 47 Figura 5.8: Ejemplo de red GPRS. 5.8. Ethernet Ethernet es una red local cableada. Presenta un rendimiento de 10 Mbits/seg. y utiliza un método sensible a la señal portadora mediante el cual las estaciones de trabajo comparten un cable de red, pero sólo una de ellas puede utilizarlo en un momento dado. El método de acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones se utiliza para arbitrar el acceso al cable. Las redes Ethernet pueden ser cableadas con diferentes tipos de cable, cada uno de ellos con sus ventajas e inconvenientes. Figura 5.9: Sistema de comunicaciones Ethernet. 5.9. GPS Sistema de navegación por satélite capaz de ofrecernos una posición geográfica o una referencia temporal muy precisa. 48 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes El principio del funcionamiento del sistema GPS es una constelación de 24 satélites que están en 6 trayectorias orbitales diferentes que transmiten constantemente información relativa al tiempo, sus órbitas, identificación, etc. Estos satélites están en continuo movimiento dando dos vueltas completas al mundo en 24 horas. Cada uno de estos satélites transmite en 3 frecuencias, de tal manera que los usuarios pueden calcular su posición en tres dimensiones, (latitud, longitud y altura), rumbo y velocidad de desplazamiento mediante un sencillo terminal receptor, en base al tiempo empleado por las señales en viajar desde cada satélite y la medida de la desviación de la frecuencia de la señal recibida. Estos datos pueden ser transmitidos, además, a través de una red GSM o UMTS a una posición de control por lo que se puede tener información sobre la localización de cualquier objeto o persona, en cualquier punto del planeta. Figura 5.10: Sistema de comunicaciones GPS. Escenarios de futuro 49 Capítulo 6. Escenarios de futuro Durante los últimos años ha surgido dentro de la comunidad científica, que trabaja en el ámbito de las interfaces de usuario, una nueva área de trabajo que esta recibiendo una gran atención, los llamados entornos inteligentes. A continuación se proponen diferentes escenarios inteligentes que integran dispositivos nanotecnológicos. Se definen las necesidades surgidas en cada uno de los entornos, así como los dispositivos que mejor responden para dar solución a éstas. 6.1. Colegio inteligente Con el diseño de un colegio inteligente se pretende mejorar los sistemas de enseñanza actuales mediante la integración de nuevas tecnologías en los centros. Se proporcionará una mayor seguridad y confort a los alumnos y profesionales mediante el control del entorno, lo que les favorecerá a mejorar su rendimiento. Así mismo se crearán sistemas de reciclaje, consumo de energía, etc., mediante sistemas ecológicos inteligentes, de modo que se perjudique lo menos posible al medioambiente. A continuación se muestra un ejemplo de prototipo de colegio inteligente de educación primaria. El colegio consta de dos plantas de altura. En la primera planta se encuentran los espacios que ofrecen servicios a los alumnos y profesores, como la conserjería, mantenimiento, etc., y en su exterior la zona habilitada para el recreo (ver plano 6.1). En la segunda planta podemos encontrar 16 clases y dos baños. Estas dos plantas se comunican mediante 3 escaleras, una central y dos laterales, y un ascensor (ver plano 6.2). 50 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Figura 6.1: Plano de la planta 1 del centro docente. Figura 6.2: Plano de la planta 2 del centro docente. En los siguientes apartados se detallan los sistemas diseñados para cada una de las salas. Escenarios de futuro 51 6.1.1. Diseño de la entrada al centro. A todos los alumnos y el personal del centro se les asignará una tarjeta RFID, que deberán llevar integrada en algún objeto personal (ropa, mochila, etc.) para poder acceder al centro, ya que la entrada principal estará dotada por un sistema de acceso restringido. Este sistema estará compuesto por un lector de RFID y un sensor de presencia. El lector leerá las tarjetas de las personas que se acerquen a la entrada vía radio, y mediante comparación con el código de la escuela, el lector será capaz de reconocer si la tarjeta pertenece o no al centro. Si la persona pertenece al centro, el lector activará mediante bluetooth el sensor de presencia, el cuál permitirá la entrada al individuo abriendo automáticamente la puerta. En caso que la persona lleve una tarjeta ajena al centro o no la posea el lector no activará al sensor, no se abrirán las puertas, y para poder acceder al interior deberán ponerse en contacto con el personal de conserjería a través del timbre. En el hall se instalará otro lector que permitirá la identificación de las personas autorizadas a entrar en el centro, y enviará la información de la tarjeta a la unidad de control instalada en conserjería. En la puerta también se instalará un contador, que permitirá controlar el número de personas que entran al centro, esta información se enviará a la unidad central de control, que comparará sus datos con los del lector de RFID con el objetivo de detectar si ha entrado una persona no autorizada. Si la unidad de control detecta durante la comparativa que ha entrado una persona ajena enviará un aviso a la PDA del conserje mediante wireless. La entrada también estará dotada por cámaras de seguridad. Estas cámaras grabarán lo que suceda en el exterior de la entrada mediante barridos del espacio en el tiempo, enviarán esta información a un servidor situado en la conserjería, y a se podrán visualizar, en tiempo real, en dos pantallas lo que suceda en el exterior. 6.1.2. Diseño de conserjería. En la conserjería se encuentra el servidor que controla las cámaras de seguridad. También las dos pantallas que permiten visualizar lo que ocurre. Todo este sistema de detección está controlado por el vigilante de seguridad. En esta sala también se encuentra la unidad principal de control, la cuál recibirá y procesará todos los datos de los sistemas del centro. Actuará, según la configuración introducida, enviando órdenes al dispositivo correspondiente. 58 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes 6.2. Oficina Inteligente La oficina inteligente enriquecerá el entorno de trabajo, proporcionando un mayor confort y posibilidades de personalización a los usuarios. Mejorando toda una serie de elementos facilitará el desarrollo de las actividades que se desarrollan en el entorno habitual de trabajo, eliminando algunos otros aspectos que actúan como obstáculos. El nuevo entorno de oficina reduce las distracciones permitiendo el control del entorno físico, mejora la participación y la colaboración de los empleados a través de la constante exposición de información e incrementa la rapidez y acceso a la misma por parte de los miembros de un equipo de trabajo, obteniendo a su vez una mayor productividad y mejorando la utilización del espacio. La oficina está situada en un recinto privado, donde se encuentra un edificio de dos plantas de altura rodeado de jardines. La planta baja se utilizará como parking de uso exclusivo para los empleados. En la segunda planta podemos encontrar los espacios donde se realizar los servicios que la empresa ofrece. Entre ellos podemos distinguir los despachos principales, la sala de reuniones, la sala donde se encuentran los empleados contratados, la recepción, la sala de administración donde podemos encontrar la sala de control, los baños y el área de descanso. Figura 6.6: Plano de la planta 0 de la oficina inteligente Escenarios de futuro 59 Figura 6.7: Plano de la planta 1 de la oficina inteligente En los siguientes apartados se detallan los sistemas diseñados para los espacios de la oficina. 6.2.1. Diseño de los espacios exteriores y parking. En la entrada principal al recinto habrá un sistema de identificación mediante un sistema de reconocimiento de voz que permitirá el acceso de los empleados dentro del recinto. En caso que la persona sea ajena a la empresa (cliente, suministrador, etc.) deberá activar el intercomunicador que hay en la entrada que le comunicará con el vigilante de seguridad. A su vez el vigilante de seguridad contactará con la recepción mediante una línea telefónica interna para autorizar su paso. La entrada de vehículos al recinto estará controlada por un sistema de RFID que abrirá automáticamente la barrera al detectar el vehículo de un empleado. Si quisiera acceder una persona ajena a la empresa deberá contactar con el vigilante mediante otro intercomunicador. En la caseta del vigilante se encontrarán las pantallas que permitirán la visualización de lo registrado por las cámaras de seguridad situadas en diferentes puntos del recinto (parking y exteriores). En el exterior del recinto habrá jardines en los que se instalarán sistemas de riego automático que proporcionarán agua a las plantas según las características que hayan captado los sensores de humedad instalados en la tierra. 60 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes El interior del edificio en la planta baja se encontrará el parking donde se instalarán cámaras de seguridad conectadas mediante cable a las pantallas de la caseta del vigilante y al servidor donde se guardarán las imágenes durante un cierto periodo de tiempo. Todas las plazas del parking dispondrán de un sensor de proximidad que detectará si están libres activando un led de color verde o en caso contrario un led de color rojo, con el objetivo de facilitar la búsqueda de aparcamiento. 6.2.2. Diseño de la entrada a la oficina. En la entrada a la oficina se encuentra la recepción la cuál estará dotada de un lector de RFID para el control de las entradas y salidas de los empleados, es decir, mediante una tarjeta RFID que los empleados deberán llevar se podrá controlar sus horarios sustituyendo al antiguo sistema de fichaje. En caso que el empleado salga a deshoras de la oficina el lector enviará la información a la base de datos del servidor donde los supervisores podrán acceder a ella para su control. 6.2.3. Diseño de la sala de administración. En la sala de administración se encontrará una pequeña sala donde se instalarán el servidor, la centralita, etc., por ello deberá tener una temperatura inferior al del resto de la oficina. Para el control de esta temperatura se instalará el la puerta un sensor de presión, que en caso que la puerta este abierta más de 30 segundos haría saltar una alarma para que una persona cercana la cerrara, de este modo se podrá ahorrar energía para la refrigeración. Todas las personas que trabajan en la oficina en la zona de administración tendrán a su disposición teléfonos con llamadas por reconocimiento de voz, con la cual se podrán poner en contacto entre ellas mediante la línea interna de telefonía. El material de oficina se almacenará en un armario situado en la zona de administración, el cual integrará un sistema lector de RFID que permitirá hacer el inventario diario de los productos de su interior. Todo el material estará identificado por una RFID. Al hacer el inventario el armario leerá las tarjetas de todos los productos que almacena y mostrará en una pequeña pantalla las cantidades de éstos y los productos que faltan. En esta zona también se instalarán los archivadores de información, los cuales serán electrónicos. Estos permitirán obtener los documentos que se desee a partir de la ordenación por orden alfabético, es decir, al introducir el valor de la letra inicial del documento en una pantalla táctil que integrará el archivador, Escenarios de futuro 61 este sólo abrirá el estante o cajón en la que se encuentren los documentos que tengan este valor en común. 6.2.4. Diseño de la sala de empleados. Los monitores de todos los empleados serán movibles y permitirán una rotación casi completa del mismo, con el fin de no limitar la ubicación de los trabajadores. Esto será posible gracias a su diseño y a su ligereza. Cada empleado dispondrá de una PDA, está contendrá toda la información que este le introduzca. Todas ellas estarán conectadas entre ellas mediante una red ad-hoc, facilitando la transmisión de datos entre compañeros. La unidad de control de la empresa tendrá instalado un software que permita a todos los empleados ver la localización dentro de la empresa de sus compañeros, gracias a las tarjetas RFID y los lectores instalados en cada sala. Este sistema facilitará la comunicación y el trabajo conjunto entre los empleados, ya que en todo momento podrán saber la localización del compañero. Las PDA’s podrán ser utilizadas como agendas personales permitiendo ver a los demás compañeros aquellos datos que sean públicos y permitirles saber su disponibilidad. Los trabajadores dispondrán de lámparas individuales que regularán automáticamente la potencia de luz según los datos que obtenga un sensor luminoso. 6.2.5. Diseño de la sala de reuniones. En caso de producirse una proyección y las cortinas estén abiertas, éstas automáticamente se cerrarían para una mejor visualización de la pantalla. Al encenderse el proyector este enviará vía bluetooth una orden al sistema de cierre de las cortinas para que no dejen entrar la luz. La sala dispondrá de una pantalla táctil en la que se podrá pedir lo que se necesite para la proyección, bebidas para los clientes, documentos, etc. y esta información se enviará a la pantalla de recepción para que les hagan llegar lo que necesiten. La información de la pantalla de la sala de proyección se enviará vía wireless a la unidad central de control que la reenviará al sistema de la recepción. La mesa de reuniones integrará una serie de pantallas con sensores ópticos para que sean táctiles. Con esto se podrán observar documentos en el momento de la reunión si fuera preciso. 62 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes 6.2.6. Diseño de los despachos. Cada despacho tendrá sensores de temperatura, que identificarán la temperatura ambiente y la temperatura del individuo que está dentro. Estos datos se enviarán a la unidad de control donde serán comparados, y donde ésta decidirá si hace falta refrigeración o calefacción y enviará la orden para ser ejecutada. Con este sistema se obtendrá un mayor confort y una reducción de distracciones. Los despachos también dispondrán de una pantalla táctil de grandes dimensiones en la que se podrá visualizar la disponibilidad de las personas mediante la red ad-hoc y su ubicación en la empresa. Además se podrá visualizar la localización de los vehículos de la empresa mediante dispositivos gps que llevarán integrados. En todas estas salas habrá un sensor de presencia para controlar la iluminación. 6.2.7. Diseño del baño. Todos los grifos estarán dotados de sensores de proximidad que permitirán la salida de agua cuando el usuario ponga cerca de éste sus manos. Con estos dispositivos se evitará que se malgaste el agua. Se incorporarán sensores de proximidad en los secadores de manos, los cuales se encenderán solamente cuando detecten presencia a una distancia determinada. Los dispensadores de jabón incorporarán un sensor de capacidad que controlará el nivel de jabón de su interior, enviando un aviso a la unidad de control en caso que el nivel sea bajo para que la persona responsable lo reponga. Estos dispensadores también incorporarán sensores de proximidad que expulsen la cantidad adecuada cuando detecten las manos del usuario. En los baños encontraremos sensores de presencia que permitirán el encendido de las luces cuando detecten a alguien. Cada urinario también dispondrá de un sensor de presencia, que además del encendido de la luz de éste accionará la cisterna cuando detecte que la persona no se encuentra dentro, es decir, el sensor sólo accionará la cisterna en caso que no detecte a nadie habiendo detectado anteriormente a una persona. El material de los inodoros integrará sensores de peso que permitirán calcular la cantidad del residuo depositado por toda la superficie. Dependiendo de la cantidad de residuo el inodoro enviará un valor u otro a la cisterna, la cuál dejará pasar más o menos agua, esta transmisión de datos se realizará mediante un sistema bluetooth. El portarrollos enviará un aviso a la unidad de control cuando detecte mediante un sensor de peso que el volumen de papel del que dispone es insuficiente. Escenarios de futuro 63 6.2.8. Diseño del área de descanso. Se dispondrá de una máquina expendedora de cafés, tés…etc. Los empleados dispondrán de un número limitado de bebidas gratuitas al mes. Para el control del consumo personal, los botones de elección del producto deseado de la máquina, integrarán un lector de huellas dactilares, de manera que identificarán al individuo que los pulse. Estos sensores estarán conectados a la unidad de control mediante wireless, la cual hará una evaluación del consumo del individuo. En caso de que se exceda del máximo consumo gratuito, la máquina lo informará por lo que hará falta introducir dinero para obtener el producto. Los sofás incorporarán dispositivos que ofrecerán el servicio de masaje para los empleados, para su mayor confort en el tiempo de descanso. 6.2.9. Diseño de los elementos comunes. A continuación se detallan los sistemas integrados en los elementos que se pueden encontrar en las diferentes zonas del centro. - Ventanas: Las ventanas tendrán un sensor de presión capaz de detectar si la ventana está abierta o cerrada. Si la ventana está abierta enviará una señal a la unidad de control mediante wireless, la cual desactivará el sistema de calefacción o refrigeración de la zona donde se encuentre la ventana, con el objetivo de ahorrar energía. - Persianas: Las persianas estarán provistas de sensores luminosos que dependiendo el nivel interior y exterior de la luz cambiarán su inclinación para una mejor utilización de la luz externa. Esta modificación se producirá mediante un motor según los datos del sensor. - Sistema contraincendios: Cada estancia estará dotada de sensores de humo en el techo. En caso de incendio encenderán los sistemas de apagado (aspersores, etc.) y a su vez enviará un aviso a la oficina de bomberos más cercana a través de la línea telefónica. - Impresoras: En cada espacio habrá impresoras conectadas a todos los ordenadores de la empresa mediante wireless que permitan enviar los trabajos a cualquiera de estas independientemente de su posición y permita etiquetar dicha impresión con el nombre de la persona a la que va dirigido. Además pueden enviarlos por e-mail, fax, PDF o archivarlos. - Áreas de proyección: Se integrarán sensores ópticos por las paredes o suelos que permitirán actuar como pantallas de proyección sensibles al tacto. - Climatización: A excepción de los despachos, todas las salas estarán dotadas de sistemas individuales de control de temperatura. Se introducirá la temperatura deseada en un control remoto situado en cada sala y automáticamente se climatizará la sala con los valores deseados, independientemente una de otra. 64 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes El desarrollo de nuevas tecnologías en las empresas tiene como objetivo facilitar y mejorar el rendimiento de los empleados haciendo los procesos laborales más cortos y cómodos. Todos los empleados podrán acceder a toda la información que les sea necesaria de manera más rápida y sencilla desde cualquier lugar de la oficina, agilizando de forma notable su jornada. Gracias a la inserción de tarjetas RFID facilitarán el control de entradas y salidas de los empleados. A partir del uso de nuevas tecnologías para la realización de tareas que facilitan su labor y la creación de zonas de descanso para los empleados con nuevos servicios que les ayuden a pasar de forma más dinámica su jornada, se conseguirá una mayor productividad debido a que su trabajo será realizado en un buen ambiente laboral. Para una mejor visualización de los planos ver anexo 5. De igual manera que en el diseño de la escuela, los sensores utilizados están integrados en circuitos semiconductores de escala nanométrica. Para poder comprender mejor el funcionamiento de estos sensores ver especificaciones técnicas en el anexo 6. 6.3. Diagramas de sistemas de telecomunicaciones A continuación se detallan tres diagramas de bloques donde se puede observar las conexiones entre los distintos sistemas de los escenarios diseñados. En primer lugar (figura 6.7) se presenta el diagrama de conexionado del centro docente, en el que se observa que la mayoría de los sistemas utilizan para sus comunicaciones sistemas inalámbricos, ya sea wireless o bluetooth. Los ordenadores de la red principal de la escuela están conectados entre sí y con la unidad de control, mediante una red ethernet. Las pantallas táctiles utilizadas para la modificación de datos del servidor, están conectadas a éste mediante cable. Escenarios de futuro 65 Figura 6.7: Diagrama del centro docente Como en el caso del centro docente, la red de conexionado de la oficina muestra una estructura semejante, ya que la mayoría de sistemas utilizan redes inalámbricas. En la figura 6.8 se muestra este diagrama de forma gráfica. 66 Estudio de las tendencias y estado del arte en los dispositivos en miniatura y su aplicación en entornos inteligentes Figura 6.7: Diagrama de la oficina inteligente En el diagrama que se muestra en la figura 6.9 se puede observar el sistema de seguridad utilizado tanto en la oficina como en el centro docente. En él, se puede ver la conexión de las cámaras al servidor, y a su vez a las pantallas que permiten su visualización en tiempo real. Para conectar esta red se ha utilizado cable de fibra óptica. Figura 6.7: Diagrama del sistema de seguridad Para una mejor visualización de los diagramas ver anexo 5. Conclusiones 67 CONCLUSIONES En este trabajo se ha realizado un estudio de prospectiva acerca del desarrollo de sensores y actuadores basados en tecnología nanométrica y su aplicación a entornos inteligentes. En primer lugar se ha realizado un estudio teórico acerca de las aplicaciones de la nanotecnología en distintos ámbitos científicos y tecnológicos, destacando aquellos proyectos de investigación y desarrollo de ámbito internacional, más significativos. En segundo lugar se ha analizado los proyectos más destacados acerca del desarrollo de entornos inteligentes, revisando los tipos de sensores y actuadotes más comúnmente utilizados. Finalmente se ha propuesto el diseño de dos escenarios de futuro en los que se utilicen sensores y actuadotes integrados en el edificio para aplicaciones de control domótico. Estos escenarios se han diseñado en base a las actuales prestaciones y capacidades que presentan éste tipo de dispositivos, y su interconexión mediante las redes de comunicaciones, en especial las inalámbricas. Con el diseño de una escuela inteligente, se ha podido observar que estos sistemas proporcionarán a los centros educativos mejoras en sus métodos de enseñanza, ofreciendo a los alumnos y profesionales una mayor seguridad, confort y facilidad para la realización de sus tareas. Mediante la mejora en los sistemas de comunicación, la obtención de información será accesible de forma sencilla. Las mejoras tecnológicas en una oficina, podrían aportar un mayor control de los empleados, sin interferir en su privacidad. A su vez, las oficinas podrían ofrecer a los trabajadores progresos en los servicios laborales rindiendo de forma óptima en su trabajo. Las empresas se beneficiarían aumentando sus ingresos y su competividad. Estos sistemas inteligentes podrían ser aplicables en diferentes escenarios como sería una ciudad, un hospital, etc. facilitando la vida cotidiana de las personas/sociedad. Actualmente hay muchos estudios e investigaciones sobre la integración de estos dispositivos en los sistemas, pero para que estos entornos sean una realidad queda mucho trabajo por realizar. ÍNDICE INTRODUCCIÓN ...............................................................................................1 Capítulo 1. Nanotecnología................................................................................2 1.1 Nanociencia y nanotecnología................................................................................ 2 1.2. Beneficios y riesgos de la nanotecnología............................................................. 2 1.2. Origen y evolución................................................................................................ 3 1.3. Situación actual de la nanotecnología ................................................................... 4 1.4. Aplicaciones.......................................................................................................... 7 1.6. Proyectos llevados a cabo...................................................................................... 9 1.7. Predicciones de futuro......................................................................................... 15 Capítulo 2. Aplicación de la nanotecnología al desarrollo de dispositivos electrónicos...................................................................................................... 16 2.1. Introducción......................................................................................................... 16 2.1.1. Evolución de los MEMS .............................................................................. 16 2.1.2. Clasificación y aplicaciones de los MEMS.................................................. 17 2.1.3. Desarrollo de los MEMS a nivel internacional ............................................ 18 Capítulo 3. Aplicación de la nanotecnología en el desarrollo de nuevos materiales.........................................................................................................20 3.1 Elementos nanotecnológicos insertados en objetos.............................................. 22 3.1.1 Etiquetas inteligentes (RFID, Radio Frequency IDentification):.................. 22 3.1.2. Polímeros (carretera y construcción, armadura)........................................... 23 3.1.3. Ladrillos inteligentes.................................................................................... 23 3.1.4. Ropa inteligente (lavandería de nanotejidos) ............................................... 24 3.1.5. Papeles electrónicos...................................................................................... 25 3.1.6. Bolígrafo portátil inteligente ........................................................................ 25 Capítulo 4. Proyectos de nanotecnología destacados en el ámbito de las TIC 27 4.1 Amigo (Unión Europeo)..................................................................................... 27 4.2. Gator Tech (Florida)............................................................................................ 28 4.4. Sistema automático de reconocimiento personal (Japón).................................... 36 4.4. Requesting Pervasive Service By Touching RFID TGAS (Finlandia) ............... 38 4.5. Voice Smart Home (La casa controlada con la voz)........................................... 39 Capítulo 5. Sistemas de comunicación ............................................................41 5.1. Redes Ad Hoc...................................................................................................... 41 5.2. Cuarta generación de telefonía móvil.................................................................. 42 5.3. UMTS.................................................................................................................. 43 5.4. WIMAX............................................................................................................... 44 5.5. WIFI .................................................................................................................... 45 5.6. Bluetooth ............................................................................................................. 45 5.7. GPRS................................................................................................................... 46 5.8. Ethernet................................................................................................................ 47 5.9. GPS...................................................................................................................... 47 Capítulo 6. Escenarios de futuro...................................................................... 49 6.1. Colegio inteligente............................................................................................... 49 6.1.1. Diseño de la entrada al centro. ..................................................................... 51 6.1.2. Diseño de conserjería. .................................................................................. 51 6.1.3. Diseño de la sala de mantenimiento............................................................. 52 6.1.4. Diseño de los baños...................................................................................... 52 6.1.5. Diseño de la cocina....................................................................................... 53 6.1.6. Diseño de las aulas. ...................................................................................... 54 6.1.7. Diseño del terrado......................................................................................... 55 6.1.8. Diseño de exteriores..................................................................................... 55 6.1.9. Diseño de elementos comunes en todo el recinto......................................... 56 6.2. Oficina Inteligente............................................................................................... 58 6.2.1. Diseño de los espacios exteriores y parking................................................. 59 6.2.2. Diseño de la entrada a la oficina................................................................... 60 6.2.3. Diseño de la sala de administración. ............................................................ 60 6.2.4. Diseño de la sala de empleados.................................................................... 61 6.2.5. Diseño de la sala de reuniones...................................................................... 61 6.2.6. Diseño de los despachos............................................................................... 62 6.2.7. Diseño del baño............................................................................................ 62 6.2.8. Diseño del área de descanso......................................................................... 63 6.2.9. Diseño de los elementos comunes................................................................ 63 6.3. Diagramas de sistemas de telecomunicaciones................................................... 64 CONCLUSIONES............................................................................................. 67 Impacto medioambiental............................................................................................ 68 Bibliografía ....................................................................................................... 69 ÍNDICE...............................................................................................................2 ANEXO 1..................................................................................................................... 5 ANEXO 2..................................................................................................................... 8 ANEXO 3................................................................................................................... 13 ANEXO 4................................................................................................................... 16 ANEXO 1 Proyectos europeos dirigidos por un grupo español La Gráfica muestra los proyectos europeos de nanotecnología coordinados desde España, según hayan sido dirigidos desde las universidades, las empresas o el CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas). Se observa que la responsabilidad de coordinación se reparte equitativamente entre el CSIC y las universidades, mientras que el número de proyectos coordinados desde el sector privado, es sensiblemente menor. Si se comparan estos datos con los obtenidos para los proyectos europeos en nanotecnología, con participación española y coordinadores extranjeros (empresas 27%, institutos de investigación 38%, universidades 35 %), se observa que las tendencias son muy similares, si bien es cierto que, en el resto de la Unión Europea, existe un mayor número de coordinadores en el ámbito empresarial. Gráfica 1: Porcentaje de los proyectos europeos en el campo de la nanotecnología, coordinados desde España, dirigidos desde el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, las universidades o las empresas españolas. En la Gráfica 2 se detalla los porcentajes de proyectos europeos coordinados desde las distintas universidades españolas. Gráfica 2: Detalle del porcentaje de proyectos europeos coordinados desde las distintas universidades españolas Proyectos Europeos con participación española La Gráfica 3 muestra los proyectos europeos en nanotecnología según la clase de entidad española participante. En la Gráfica 4 se detalla la situación entre las universidades españolas. De las cinco universidades con un mayor número de proyectos europeos en nanotecnología, cuatro de ellas se encuentran entre las cinco que obtuvieron un mayor retorno del Programa Marco: Universidad de Barcelona (10,62%), la Politécnica de Cataluña (9,98%), la Complutense de Madrid (6,50%), la Autónoma de Barcelona (5,07%) y la Politécnica de Valencia (4,91%), de acuerdo con la noticia publicada por el periódico El Mundo el pasado mes de Mayo. Gráfica 3: Distribución de los proyectos de I+D entre las entidades españolas Gráfica 4: Distribución de los proyectos de I+D entre las Universidades españolas ANEXO 2 Este anexo cita y describe el trabajo realizado por tres empresas españolas, que apuestan por las mejoras tecnológicas en el ámbito de las nanotecnologías: HISPANAGAR S.A. Empresa española dedicada a la fabricación de productos derivados de algas marinas. Es una de las primeras empresas dedicadas a este sector de Europa, que mediante la mejora en sus procesos de fabricación, ha conseguido ser uno de los líderes en el mercando mundial. La compañía posee representantes en más de quince países, como por ejemplo USA, México, UK, Alemania, Italia, Francia, etc.) Desde el principio de la empresa han apostado por el desarrollo tecnológico que le permiten abordar nuevos campos. Hispanagar es líder en campos como: Alimentación (Carragenatos y Ágar), Microbiología (Ágar Bacteriológico y Peptonas) y Biología Molecular (Agarosa y Productos para Purificación e Inmovilización de Proteínas). La estrategia de la empresa ha sido desde el principio el control estricto durante toda la cadena de producción y la utilización de materias primas propias reduce costes y asegura una cierta calidad que ayuda a llegar al éxito. La empresa decidió que la creación de materias primas aportaba mejoras en calidad y medioambientales, lo que proporcionaba productos de valor añadido. Para mantenerse en la vanguardia del sector Biotecnológico ha creado el INSTITUTO DE IVESTIGACIONES APLICADAS, una entidad independiente apoyada por el Programa a Ayudas a Empresas de la Dirección General de Universidades e Investigación de la comunidad de Madrid, dedicada a la obtención de productos de alto valor añadido utilizado materias primas propias y al estudio de nuevas aplicaciones en las que se utilicen productos fabricados con Agarosa. Primero empezó con un proyecto denominado Derivatización y Activación de Geles de Azarosa, con el cuál se pudieron obtener distintos tipos de resinas con diferente grado y tipo de activación muy útiles para los procesos de inmovilización y purificación de proteínas. Hoy en día se están empezando a comercializar estos productos y están teniendo gran aceptación en mercados como el japonés. Todos los proyectos realizados por el instituto están financiados en parte por las subvenciones de la comunidad de Madrid para Empresas. Hispanagar está trabajando en un nuevo plan de investigación con el cuál están desarrollando un nuevo proyecto llamado DISEÑO DE UNA ÚNICA RESINA PARA ABORDAR UN PROBLEMA DOBLE: LA PURIFICACIÓN E INMOVILIZACIÓN SIMULTÁNEA DE BIOMOLÉCULAS (encimas, anticuerpos, etc.), con este proyecto se intentará dar un único soporte para resolver de forma conjunta dos necesidades (purificación e inmovilización de proteínas) ya que hasta el momento se requieren dos matrices diferentes. Este proyecto es de gran interés ya que en la actualidad no existe ningún producto comercial de similares característica. Además este proyecto ayudará a dar beneficio al sector biotecnológico, tanto en laboratorios de investigación como en los centros de fabricación de la industria Bioquímica y Farmacéutica. INGENIERÍA VIESCA, S.L. Empresa dedicada a la electrónica de potencia orientada fundamentalmente en las energías renovables, tales como eólica o fotovoltaica, para mercados como el ferroviario o el industrial. Esta empresa nació en Noviembre de 2004 con una gran vocación tecnológica y de servicio al cliente, cuidando al máximo las relaciones humanas. Han formado parte del Vivero de Empresas del Parque Científico de la Universidad Carlos III de Madrid desde Julio de 2005, y además colaboran con el Departamento de Tecnológia Electrónica de la Escuela Politécnica Superior, ya que creen de gran importancia la relación con la Universidad. La principal iniciativa de la empresa es la de los convertidores de potencia ya que es donde más experiencia tiene, más de 30 años. Por lo tanto, la misión de la empresa es el diseño y fabricación de Convertidores de Potencia con alto contenido tecnológico. En los mercados en los que se mueve, energías renovables, ferroviario, etc., los productos requieren que estén fabricados a medida con gran fiabilidad y calidad, incluso prima la calidad al coste. Por lo tanto, la empresa se dedica a hacer diseños específicos con gran contenido tecnológico, y no hacía el gran público. Puesto que sus equipos han de ser de gran tecnología la empresa intenta desarrollarse y evolucionar tecnológicamente al máximo adaptándose a las necesidades de su mercado. Los distintos mercados en los que trabaja Ingeniería Biseca, S.L. son: - Eólico: desarrollo y diseño de inversores para molinos eólicos. - Fotovoltaico: Estudios de viabilidad previos a la instalación fotovoltaica e inversores para instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red. - Ferroviario: Productos de ingeniería pura (consultaría para grandes empresas fabricantes de trenes que disponen de fábricas pero no de ingeniería para realizar los equipos electrónicos, y auditorias a equipos ya fabricados por otras empresas) o Venta de equipos para el sector (convertidores auxiliares, cargadores de baterías fuentes de alimentación) - Industrial: Venta de convertidores y cargadores de baterías para aplicaciones especiales en las que no existen productos estándares. Los proyectos que están realizando actualmente y que caben destacar son: - Desarrollo de un inversor para molino eólico. - Diversos temas de consultoría con referencia a convertidores para ferrocarriles. - Convertidor de alta frecuencia para baños electrolíticos. - Desarrollo de convertidores auxiliares para ferrocarril. Para garantizar la calidad de los equipos, ya que son equipos muy tecnificados disponen de un laboratorio de pruebas donde pueden hacer el control exhaustivo del producto. Algunos de sus clientes más importantes son empresas privadas que se dedican a algunos de los mercados anteriormente descritos como por ejemplo: VOSSLOH, GENERAL ELECTRIC, OERLIKON, EGALSA, EOZEN, SUINSA o empresas del sector público, como por ejemplo: FEVE. mCentric Empresa dedicada a proporcionar servicios y aplicaciones móviles de alta calidad en el área denominada "servicios de valor añadido" o SVA. Actualmente una parte muy importante de los servicios de los operadores nacionales, incluyendo componentes de los servicios "Qtal" y "Vodafone Live" de Vodafone y de "e-Moción" en Telefónica Móviles, son desarrollos de mCentric. La empresa esta abriendo caminos internacionales, ya que ha conseguido hacerse un hueco en España. Los desarrollos internacionales más importantes que está llevando a cabo son la mensajería en México, fidelización de clientes en Nigeria, etc. Algunas de las empresas con las que mCentric colabora son: Accenture, Atos Origin, Axalto, Dimension Data, LogicaCMG y empresas de tecnología como BEA Systems, Hewlett Packard, Oracle y Sun Microsystems. Hoy en día, los operadores móviles se enfrentan al reto de cómo integrar sus redes existentes con las redes de nueva generación y de cómo aprovechar las nuevas tecnologías emergentes. Al mismo tiempo, con tiempos de mercado en torno a un año para el lanzamiento de nuevos servicios, los operadores reconocen la necesidad de acelerar la innovación mediante el lanzamiento de más servicios y minimizando el tiempo de creación. Para hacer frente a estos hechos, la industria de las telecomunicaciones móviles ha definido una serie de estándares denominados OSA (Open Service Architecture) y Parlay cuyo objetivo es definir una arquitectura abierta para acceder a las capacidades de las redes móviles. Estos estándares definen principalmente una serie de APIs (Interfaces de Programación de Aplicaciones) diseñadas para proporcionar un fácil acceso a todas las capacidades de la red desde fuera de la misma. Estas interfaces cubren funcionalidades de mensajería, facturación, capacidades de terminales, gestión de llamadas, movilidad, control de sesión, conectividad, gestión de la cuenta del usuario, gestión de políticas y presencia. A partir de estos estándares, mCentric reconoció la gran oportunidad para desarrollar una plataforma dirigida al desarrollo y ejecución de servicios móviles que emplea las interfaces especificados por dichos estándares. Para llevar a cabo estos proyectos mCentric ha obtenido subvenciones oficiales, como por ejemplo la ayuda recibida de la Dirección General de Universidades e Investigación de la Comunidad de Madrid. Los operadores de móviles han basado tradicionalmente su negocio en los servicios de voz. Durante los últimos años, con la llegada de nuevas tecnologías a los terminales como WAP, y mejoras en la transmisión de datos como GPRS, los operadores están lanzando al mercado nuevos productos y servicios de datos diferentes a la voz. Estas tecnologías y servicios suponen un primer paso en la revolución que supondrá UMTS. Los operadores móviles de telecomunicaciones están haciendo frente al desafío de lanzar nuevos servicios con nuevas plataformas de servicios abiertas. Estas nuevas plataformas ofrecen una funcionalidad unificada que permite lanzar servicios de forma rápida y simple, compartiendo los mismos recursos para el conjunto de ellos. Mientras que el tráfico de las redes se desarrolla, los operadores necesitan migrar los servicios existentes a las nuevas plataformas mientras que simultáneamente explotan la plataforma compartida y sus nuevas características para lanzar nuevos e innovadores servicios de valor añadido. Para superar estos obstáculos, la plataforma BlackWidow SDP define una capa común contra la que todos los servicios interactúan. Esta capacidad está empujando a operadores a implicar a sus equipos para crear servicios más ricos y estables. Abrigando a los desarrolladores de las complejidades de las redes y de los ambientes subyacentes, BlackWidow SDP permite una mayor innovación. mCetric se ha basado en esta filosofía desde sus inicios y de ha esforzado en demostrar los beneficios de una plataforma como BlackWidow SDP. La plataforma BlackWidow SDP debe probar el concepto de una plataforma abierta, y así demostrar el potencial en la creación de servicios, lo que dará lugar a emocionantes servicios por parte del usuario final. Los proveedores buscan una plataforma capaz de proporcionar la solidez y la flexibilidad necesarias para el rápido despliegue de estos nuevos servicios. BlackWidow facilita el desarrollo de servicios de valor añadido, tanto internos como externos gracias al kit de desarrollo junto con la documentación y simuladores para la creación de aplicaciones que serán desplegadas en el entorno del operador. La plataforma de servicios BlackWidow esta integrada con los elementos de red del operador, y las aplicaciones accederán a estos haciendo uso de las interfaces OSA/Parlay. Dos tipos de aplicaciones pueden acceder a los servicios de la plataforma BlackWidow: las que se ejecutan en el contenedor de aplicaciones de la propia plataforma y aplicaciones externas. El contenedor permite hospedar ANEXO 5 Planos y diagramas de los escenarios de futuro. Sensor de Capacidad Sensor de Presión Sensor de Presencia Lector de RFID Sensor de Nicotina Pantalla Táctil Tarjeta RFID PDA PDA PDA Red Ad-Hoc Wireless Wireless Lector de RFID Bluetooth Libro electrónico Ordenadores de Clase Impresora Ordenador portátil Bluetooth Pantalla Táctil Sensor de Peso Lector de RFID Sensor de PH Wireless Unidad de Control Receptor GPS Sensor de Capacidad Sensor de Peso Sensor de Humedad Lector de RFID Sensor de Temperatura Pantalla Táctil Pantalla Recepción Pantalla Táctil Lector huellas dactilares Tarjeta RFID PDA PDA PDA Red Ad-Hoc Wireless Wireless Cable Unidad de Control Tabla 2: Especificaciones técnicas para sensores cuando se encuentran en condiciones ambientales Tabla 3: Características sensitivas. Figura 7: Circuito interno de sensores de monóxidos de carbono. Sensor de humo Tabla 4: Propiedades en condiciones de trabajo normales. Tabla 5: Propiedades para condiciones ambientales. Tabla 6: Características sensitivas. Tabla 7: Características mecánicas. Figura 8: Esquema de funcionamiento. Figura 9: Circuito integrado. Sensores de metano Figura 10: Circuito interno de los sensores de metano. Tabla 8: Propiedades en condiciones de trabajo estándar. Tabla 9: Propiedades de trabajo en condiciones atmosféricas. Tabla 10: Características sensitivas. Tabla 11: Características mecánicas. Figura 11: Circuito integrado del sensor. Sensores de distancia : Figura 12: Especificaciones técnicas de los sensores de distancia con salida analógica. Sensores de movimiento CODIGO TENSION DE CONMUTACIO N (MAX) CORRIENTE DE CONMUTACIO N (MAX) RESISTENCI A (MAX) (W) TEMPERATUR A DE OPERACION ENCAPSULAD O OBSERVACION ES FIGUR A CW13001 60VAC 40VDC 0.25A 30 -37 a 100°C NICKEL SIN MERCURIO A CM44001 240VAC 168VDC 0.5A 5 -37 a 100°C ACERO OMNIDIRECCIONAL B Tabla 12: Especificaciones técnicas del sensor de movimiento. Figura 13: Ejemplo de sensor de movimiento. Sensores de posición CODIG O TENSION DE CONMUTA CION (MAX) CORRIENT E DE CONMUTAC ION (MAX) ANGULO DIFEREN CIAL (GRADOS ) RESITENCI A DE CONTACTO S (MAX) (W) TEMPERAT URA DE OPERACIO N ENCAPSUL ADO CLIP DE MONTA JE (CODI GO) OBSERVACI ONES FIGU RA CM180 0-1 120VAC 0.1A 2° 5 -37 a 100°C ACERO 1A 1 ELECTRODO SENSIBLE AL MOVIMIENTO MINIATURA A CM132 0-0 240VAC 168VDC 0.2A @ 240VAC 0.25A @ 120VAC 10° 1 -37 a 100°C ACERO 1A 2 ELECTRODOS B CM122 0-0 240VAC 168VDC 0.2A 10° 3 -37 a 100°C ACERO 1A 2 ELECTRODOS C CK300 220VAC 5A @ 220VAC 20A @ 30VAC 32.5° - -37 a 125°C VIDRIO 7KF ANGULO DIFERENCIAL GRANDE D Tabla 13: Especificaciones técnicas del sensor de posición. Figura 14: Ejemplo de sensor de posición. Sensores de presencia. Figura 15: Especificaciones técnicas del sensor de presencia. Sensor de temperatura con salida digital Tabla 18: Características eléctricas de los sensores de temperatura con salida digital. Figura 19: Circuito de un sensor de temperatura con salida digital. Figura 20: Ejemplo de sensor de temperatura con salida digital.