Blog

May 27, 2023

Innovación en acción: Nuevos enfoques en materia de vivienda podrían conducir a hogares más eficientes • Servicio de noticias • Universidad Estatal de Iowa

Publicado el 11 de abril de 2023 a las 9:05 am Shelby Doyle, profesora asociada de arquitectura y profesora Stan G. Thurston en Diseño y Construcción, en el Laboratorio de Robótica Arquitectónica de ISU Student Innovation

Publicado el 11 de abril de 2023 a las 9:05 a.m.

Shelby Doyle, profesora asociada de arquitectura y profesora Stan G. Thurston de Diseño y Construcción, en el Laboratorio de Robótica Arquitectónica del Centro de Innovación Estudiantil de ISU. Imagen más grande. (Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa)

Por Fred Love, Servicio de Noticias

AMES, Iowa – Shelby Doyle enciende una luz en una habitación oscura del reluciente Centro de Innovación Estudiantil de la Universidad Estatal de Iowa, una catedral de la creatividad donde Cyclones puede diseñar y construir de todo, desde videojuegos originales hasta automóviles solares.

La luz revela un par de brazos robóticos de color naranja instalados en una mesa gigante en la parte trasera del Laboratorio de Robótica Arquitectónica. Los robots ayudan a Doyle, profesor asociado de arquitectura y profesor Stan G. Thurston de Design Build, a investigar cómo la automatización puede ayudar a que la construcción de viviendas sea más segura y eficiente. También enseñan a los estudiantes de ISU cómo abordar la tecnología de vanguardia, una habilidad que seguramente les resultará útil a lo largo de sus carreras.

"Las tecnologías digitales cambian muy rápido", dijo Doyle. “No puedo enseñar a los estudiantes todo lo que necesitarán saber durante todo el transcurso de sus carreras porque encontrarán tecnologías que aún no existen. Lo que puedo hacer en un laboratorio como este es ayudar a los estudiantes a tener una actitud y un conjunto de habilidades sobre cómo abordar las nuevas tecnologías como diseñador”.

Los brazos robóticos y el trabajo realizado con ellos en el laboratorio de ISU podrían iluminar un futuro en el que los robots desempeñarán un papel importante en las obras de construcción. De hecho, mentes innovadoras en todo el campus de ISU están inventando, investigando y perfeccionando nuevas aplicaciones para tecnología emergente que podría cambiar la forma en que se construyen y mantienen las casas.

Doyle dijo que los robots no construirán casas por sí solos en el corto plazo. Pero pueden brindar apoyo para trabajos repetitivos o peligrosos que tradicionalmente requieren mano de obra humana intensiva. Por ejemplo, podrían levantar y mover paneles grandes o atar barras de refuerzo y apilar ladrillos.

“Creo que el futuro de los robots en la construcción no consiste en sustituir la mano de obra humana; se trata de aumentar las cosas que ya hacemos”, dijo Doyle.

Esto se debe a que las obras de construcción suelen ser entornos tan dinámicos que resulta difícil automatizar muchas tareas. Piense en una fábrica típica, donde se pueden construir y programar robots para realizar la misma tarea de la misma manera en el mismo lugar miles y miles de veces sobre una superficie plana a temperaturas controladas. Ahora comparemos esto con un sitio de construcción donde el trabajo a menudo se realiza en terreno irregular y con condiciones climáticas cambiantes. Todas esas variables complican el uso de la robótica. Doyle dijo que el aprendizaje automático podría hacer que los robots se vuelvan más adaptables a las condiciones siempre cambiantes en las obras de construcción. Pero llevará tiempo desarrollar e integrar una tecnología tan sofisticada.

Mientras tanto, Doyle dijo que los robots son prometedores en su capacidad para operar impresoras 3D, que pueden dar forma al concreto según especificaciones precisas. La investigación de Doyle pretende abordar uno de los mayores retos que actualmente frenan el uso de la impresión 3D en la construcción, el de combinar la impresión con otros sistemas constructivos y reducir la huella de carbono de materiales de construcción como el hormigón.

Doyle está trabajando junto a Pete Evans, profesor asistente de diseño industrial, y otros profesores y personal de ISU en el Proyecto de Vivienda con Tecnologías Innovadoras Asequibles 3D. El proyecto implica una colaboración entre Iowa State, Iowa Central Community College y la empresa constructora privada Brunow Contracting para abordar la falta de viviendas asequibles en las comunidades rurales. El proyecto comenzó en 2022 y recibió una subvención de 2,1 millones de dólares de la Autoridad de Desarrollo Económico de Iowa.

El proyecto creará un campo de capacitación para que estudiantes y profesionales de la industria de la construcción adquieran experiencia con tecnologías emergentes en Iowa Central Community College en Fort Dodge. Esto incluye oportunidades para experimentar y establecer mejores prácticas en un sitio de construcción cercano. Evans describe las instalaciones de Fort Dodge como una “base de operaciones” donde los estudiantes, profesores y profesionales de la construcción pueden enseñar, capacitar y probar nuevas ideas.

Ese trabajo es muy necesario debido a las muchas preguntas sin respuesta que rodean el uso de la robótica y la impresión 3D en la construcción, dijo Evans. La impresión 3D, por ejemplo, es una práctica en la que máquinas controladas por computadora forman materiales, capa por capa, para ajustarse a especificaciones precisas. Evans y sus colegas están estudiando si las impresoras 3D de tamaño industrial pueden formar estructuras de hormigón que podrían combinarse con otros materiales y métodos de construcción avanzados para construir casas de manera más eficiente. Esta primavera, Evans y sus colegas están ensamblando una impresora de construcción 3D capaz de depositar estructuras de concreto basadas en modelos digitales. La enorme impresora medirá 41 pies por 40 pies, pero su diseño modular permitirá empacarla y transportarla de un sitio de construcción a otro.

La esperanza es que la robótica y la impresión 3D puedan conducir a una mayor eficiencia en la construcción de viviendas, tal como lo ha hecho la robótica en la manufactura y otras industrias. Pero todavía no ha llegado.

"La nueva tecnología no es una solución mágica", dijo Evans. "Tiene que madurar a través de muchas implementaciones iterativas para poder avanzar en los procesos existentes".

Entre los mayores desafíos que enfrentan estas tecnologías a medida que maduran está la actualización de los códigos de construcción para permitir su uso, dijo Evans. Los códigos de construcción actuales no tienen en cuenta el uso de robots ni los materiales experimentales que Evans y Doyle están estudiando.

Otra gran cuestión que está abordando el grupo de Evans es cómo optimizar el tipo de hormigón que se utilizará con las impresoras 3D. Debido a que el concreto se bombea a través de la boquilla de la máquina, la mezcla es diferente al concreto convencional, que generalmente consiste en cemento, arena y agua mezclados con un agregado como grava para hacerlo más fuerte. Evans y sus colegas están estudiando soluciones alternativas, como materiales reciclados, plásticos y biomateriales para lograr una mezcla más sostenible.

Normalmente, el hormigón también se refuerza con acero y otros materiales para añadir resistencia a la tracción. En una obra de construcción moderna, los trabajadores construyen encofrados interiores de acero y luego vierten hormigón en el encofrado. Pero ese enfoque no funcionará con la impresión 3D. Para encontrar una solución, Doyle está probando diferentes métodos, como usar dos impresoras al mismo tiempo para combinar hormigón y refuerzo.

A principios de este semestre, Doyle y un grupo de estudiantes pasaron dos semanas en Boston en el Centro de Tecnología Autodesk, una empresa de fabricación de alta tecnología. Exploraron la fabricación aditiva de refuerzo para reducir los puentes térmicos y fortalecer las paredes de hormigón producidas por impresoras 3D. Doyle dijo que ese tipo de oportunidad, además de obtener experiencia práctica en el Laboratorio de Robótica Arquitectónica, prepara a los estudiantes para adaptarse a la tecnología en constante cambio en el mundo de la arquitectura.

La tecnología también podría cambiar las reglas del juego para las comunidades que buscan comentarios de los ciudadanos o trabajan para aumentar la participación comunitaria. Alenka Poplin, profesora asociada que enseña ciencias de la geoinformación en el departamento de planificación regional y comunitaria, admite que puede resultar difícil convencer a personas ocupadas para que dediquen su tiempo a mejorar los senderos para bicicletas o la eficiencia energética en sus comunidades. Pero, ¿y si pudieras encontrar una manera de hacer que ese proceso sea divertido?

Poplin dirige un curso sobre ciudades inteligentes y sostenibles en el que los estudiantes exploran la utilidad de los videojuegos, las plataformas en línea e incluso proyectos colaborativos de arte y artesanía para fomentar la participación del público. Los estudiantes también trabajan directamente con la ciudad de Ames para implementar estrategias de participación lúdica y ayudar a los funcionarios de la ciudad a obtener información valiosa de los residentes, que pueden informar importantes decisiones de planificación comunitaria.

Invitar comentarios públicos en las reuniones del consejo municipal es un método probado y verdadero para recopilar ese tipo de información, pero Poplin dijo que esos métodos tradicionales podrían pasar por alto a algunas partes de la comunidad, particularmente a los grupos marginados.

Pero ¿y si pudieras gamificar el proyecto? ¿Qué pasaría si la ciudad ofreciera una plataforma en línea para que los residentes arrastraran y soltaran edificios en un paisaje virtual para mostrar a los funcionarios de la ciudad lo que quieren ver en un mercado propuesto? ¿Y qué pasaría si los residentes pudieran ver lo que se les ocurre a otros miembros de la comunidad y dejar comentarios sobre lo que les gusta o no les gusta?

El enfoque de los geojuegos puede construir un nuevo tipo de relación entre los residentes y los planificadores urbanos y brindar nuevas perspectivas cuando las ciudades consideran la construcción, los carriles bici, la transitabilidad a pie, el acceso a Internet y una gran cantidad de otros temas.

"Esto va más allá de los datos y del punto de vista técnico", dijo Poplin. "Este trabajo es para brindar el punto de vista humano, la experiencia que tienen los residentes y la experiencia que les gustaría tener".

Los geojuegos también pueden ayudar a los residentes a comprender mejor temas complejos y compensaciones, como la eficiencia energética, dijo Poplin. Ha trabajado en un prototipo de juego que permite a los jugadores emplear varias técnicas de construcción para ver cómo afectan la eficiencia energética de un edificio. ¿Podría una aplicación de geojuegos que simula cómo optimizar tu factura de servicios públicos convertirse en el próximo Candy Crush? Es sólo una de las preguntas que Poplin se hace en su investigación.

"Cuando viajas en autobús o en tren, puedes ver a personas inmersas en juegos en sus dispositivos portátiles", dijo. "¿Podemos tomar esa experiencia de juego, aprender de ella y aplicarla en el proceso de participación de la comunidad para que la gente disfrute explorando estos temas?"

Ulrike Passe, profesora de arquitectura, está redescubriendo los beneficios de los métodos de diseño anteriores a la electricidad que casi desaparecieron en los Estados Unidos durante el siglo XX, y está utilizando las últimas tecnologías para llevar esos principios más lejos que nunca.

"Antes de la electrificación y antes de que los sistemas mecánicos formaran parte de los hogares, sólo había una forma de enfriar un edificio: la composición espacial y las cajas de hielo", dijo Passe. "Esas estrategias se perdieron en los últimos 80 años".

La composición espacial se refiere a cómo se distribuye un edificio y cómo interactúa con su entorno. El paisaje, la vegetación y las condiciones climáticas, por ejemplo, pueden influir en cómo la sombra y el flujo de aire natural pueden enfriar y ventilar una estructura. Esos elementos perdieron importancia cuando la electricidad barata y ampliamente disponible convirtió el aire acondicionado en un elemento básico del diseño y la construcción de edificios.

"En la era moderna, diseñamos edificios de cualquier forma sin conexiones con el entorno que los rodea", dijo Passe. "Pero, en los últimos 20 años, la ventilación natural como medio para reducir el consumo de energía ha comenzado a regresar a la construcción residencial y a la mayoría de los otros tipos de edificios".

Ese resurgimiento del interés se debe en gran medida al cambio climático, afirmó. Un número cada vez mayor de propietarios de viviendas valoran la eficiencia energética para ahorrar dinero y reducir su huella de carbono. También están buscando formas de adaptarse a las interrupciones cada vez más comunes en la red eléctrica provocadas por desastres naturales. Las casas diseñadas con principios de composición espacial serían más cómodas para vivir durante emergencias, como el derecho de 2020 que dejó a muchos habitantes de Iowa sin electricidad durante días.

Passe dijo que la ubicación de balcones, porches y pasillos interiores puede influir en la forma en que el aire fluye naturalmente a través de una estructura. La elección de los materiales de construcción también es de importancia crítica.

Para maximizar estos principios, Passe y sus colaboradores están realizando experimentos y creando nuevas tecnologías para apoyar a los arquitectos. El equipo de investigación incluye a Baskar Ganapathysubramanian, profesor de ingeniería mecánica; Alberto Passalacqua, profesor asociado de ingeniería mecánica; Janette Thompson, profesora Morrill de ecología y gestión de recursos naturales; Yuyu Zhou, profesor asociado de ciencias geológicas y atmosféricas; y Michael Dorneich, profesor de ingeniería de sistemas industriales y de fabricación.

En 2009, el equipo participó en el Solar Decathlon del Departamento de Energía de EE. UU., una competencia universitaria para diseñar y construir edificios de alto rendimiento y bajas emisiones de carbono que mitiguen el cambio climático. Los investigadores de ISU crearon Interlock House en Honey Creek Resort State Park en Moravia, Iowa. Construida con un techo inclinado cubierto de paneles solares, la estructura utiliza un diseño solar pasivo y ventilación natural para regular la temperatura con menos electricidad necesaria para enfriar. Opera casi a cero emisiones netas, lo que significa que produce casi tanta energía limpia como la que utiliza.

El equipo de investigación recopiló casi una década de datos sobre el uso de energía del edificio. Esto incluye un conjunto de sensores que mapearon cómo fluyen el aire y la luz solar a través de la estructura, proporcionando a Passe una gran cantidad de información para guiar su trabajo futuro.

Más recientemente, Passe lidera un equipo de investigación multiinstitucional que diseña una aplicación para brindar advertencias anticipadas sobre emergencias por calor extremo. Los investigadores recibieron una subvención de 1,2 millones de dólares de la Fundación Nacional de Ciencias a principios de este año para recopilar datos y desarrollar el sistema automatizado de alerta de calor para los vecindarios vulnerables de Des Moines.

Los participantes en el estudio instalarán un sensor en la parte más calurosa de su hogar que monitorea la temperatura y el flujo de aire. Los algoritmos de aprendizaje automático examinarán los datos recopilados durante el proyecto y tendrán en cuenta la física de las diferencias de temperatura y el flujo de aire. A continuación, los investigadores diseñarán una aplicación que permita a los residentes ingresar datos específicos de su entorno de vida y luego recibir advertencias personalizadas sobre la posibilidad de calor peligroso.

La combinación de principios de construcción preeléctricos con la última tecnología y materiales podría cambiar la forma en que se construyen las viviendas en las próximas décadas.

"Es sólo una mentalidad que necesita cambiar un poco", dijo Passe. "Si se eliminan seis meses de impulsar activamente el aire a través de un edificio, se ahorran muchas emisiones de carbono".

Innovation at Work es una serie de historias, fotografías y videos que destacan los esfuerzos colaborativos de los investigadores del estado de Iowa para desarrollar soluciones, productos y tecnologías innovadoras. Visite la galería de historias de Innovation At Work y lea las otras entradas de la serie 2023:

Mentes innovadoras en todo el campus de la Universidad Estatal de Iowa están inventando, investigando y perfeccionando nuevas aplicaciones para tecnologías emergentes que podrían cambiar la forma en que se construyen y mantienen las casas. Las impresoras de construcción 3D, la robótica y los geojuegos son sólo algunas de las posibilidades de alta tecnología que se están desarrollando para mejorar la vivienda y la construcción.

Pete Evans, profesor asistente de diseño industrial, está montando una enorme impresora de construcción 3D en Fort Dodge. Imagen más grande. (Christopher Gannon/Universidad Estatal de Iowa)