Dentro del marco de las Titulaciones Oficiales de Grado y Máster impartidas en la ETSII, como por ejemplo, el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales (GITI) y el Grado en Ingeniería Química (GIQ), las asignaturas de ciencias básicas tienen una importante presencia en los planes de estudio. Esta presencia no es accesoria, ya que para poder resolver problemas complejos y multidisciplinares en cualquier tecnología industrial, es esencial tener un conocimiento amplio en multitud de áreas de Física y Química. En la ETSII, una buena parte de este conocimiento se imparte en forma de prácticas de laboratorio y demostraciones experimentales.

En prácticamente todas las experiencias de laboratorio, al menos en el área de Química, que es a la que pertenece este Grupo de Innovación Educativa, la evidencia experimental se apoya con fuerza en el uso de instrumental específico de análisis y toma de datos. Durante la carrera, los estudiantes reciben formación en métodos de análisis e instrumentación, los principios físicos que rigen las medidas, su control y regulación automática, la electrónica, etc. Todos estos aspectos son básicos para entender en profundidad el proceso de análisis, y así poder interpretar cualquier anomalía producida durante la toma de datos.

Es importante recalcar que es inviable que el alumno entienda totalmente el funcionamiento de cada uno de los aparatos de medida que se utilizan durante las prácticas. Por poner un ejemplo, en la asignatura Química II, del segundo semestre del GITI y el GIQ, hay una práctica de introducción a los métodos de análisis utilizando la técnica de espectrofotometría UV-visible. En dicha práctica, se emplean espectrofotómetros comerciales, que son calibrados y puestos a punto por el Personal de Administración y Servicios (PAS) antes de cada sesión. Durante la práctica, el personal docente y el PAS emplea unos minutos en explicar los fundamentos del funcionamiento de los espectrofotómetros, con el fin de evitar que los alumnos terminen utilizándolos como una caja negra, en la que sólo se introduce una muestra, se aprieta un botón, y se copia el resultado que aparece en pantalla, sin plantearse ninguna otra pregunta acerca del proceso que está teniendo lugar. Uno de los focos de atención de la práctica es que los alumnos entiendan el fenómeno físico/químico de la absorción de diferentes compuestos químicos de bandas específicas del espectro de luz UV-visible. Explicando algunos detalles sobre el funcionamiento del instrumento de medida, se consigue completar su nivel de comprensión del fenómeno físico/químico y se provoca que el alumno active su pensamiento crítico sobre lo que se ha producido en la práctica. Si el alumno, además, fuera capaz de ver las tripas del instrumento y montarlo por sí mismo, su aprendizaje será mucho más completo y enriquecedor.

Recientemente se ha producido una pequeña revolución en el área del hardware, similar en cierto modo a la que se produjo en el mundo del software hace años con la aparición del software libre. Esta revolución se apoya, entre otros, en dos pilares: la aparición hace años de plataformas open-source hardware como Arduino y la democratización (debido a una bajada considerable de precio) del proceso de prototipado rápido de piezas mecánicas mediante impresoras 3D.

Arduino es una tarjeta microcontroladora de pequeño tamaño y precio (por ejemplo, el modelo Uno se puede conseguir por un precio aproximado de 20€), que contiene una unidad de procesamiento, entradas y salidas digitales y analógicas, y conexión USB (opcionalmente se dispone también de módulos de ampliación para conexión Ethernet o WIFI) para conectarse a un PC. Esta configuración permite interaccionar con el entorno mediante adquisición de datos (es necesario disponer de sensores de calidad y diseñar algunos circuitos electrónicos para adaptar las señales) y envío de señales a los actuadores adecuados (de nuevo adaptando la señal si es necesario). La tarjeta Arduino se introdujo originalmente con los estudiantes en mente, para ofrecerles un modo barato de programar sensores e interaccionar con objetos. Tanto el diseño de las tarjetas Arduino como el software para programarlas es de código abierto. Es una plataforma sencilla, barata y fácil de utilizar que ha promovido una auténtica explosión de aplicaciones, tanto caseras como más avanzadas, que se pueden encontrar fácilmente haciendo una búsqueda en Internet. Ya se ha adoptado en muchos centros Universitarios, como apoyo a la docencia teórica y como plataforma de ensayo y prototipado rápido de pequeños circuitos electrónicos y sistemas de instrumentación y control. En la ETSII, se utiliza en asignaturas de troncales como Fundamentos de Electrónica (3er curso GITI) y Sistemas Microprocesadores (4º curso GITI, especialidad Automática y Electrónica), y en asignaturas de libre elección como Cibertech y otras.

Por otra parte, la impresión 3D permite crear un objeto tridimensional de prácticamente cualquier geometría a partir de un modelo digital. La fabricación se realiza mediante la adición de capas sucesivas de material, generalmente resinas fundidas de ABS, PLA o PVA. Esta tecnología permite el prototipado rápido de piezas, e incluso el diseño y creación de montajes completos que en algunos casos son de calidad suficiente para ser utilizados en la práctica. El precio de las impresoras 3D ha caído espectacularmente en pocos años. Esto ha permitido que surja en la red una explosión de páginas web con aplicaciones y ejemplos prácticos de cómo utilizar la impresión 3D para fabricar objetos ornamentales, juguetes y hasta piezas de construir equipamiento de laboratorio (como, por ejemplo, las piezas para montar un banco de laboratorio de óptica). También existe un movimiento bastante extendido de impresión 3D open-hardware. Se comercializan kits de bajo precio para montar una impresora 3D por precios por debajo de los 1000€, y el software para convertir los diseños 3D en instrucciones para la impresora también es libre. Además, como curiosidad, en algunos casos incluso se distribuyen los planos de las propias piezas que forman parte de la impresora. De este modo, es casi posible construir una impresora a partir de las piezas que imprime otra. Al mismo tiempo, la impresión 3D está entrando, poco a poco, en el sistema educativo, sobre todo en titulaciones de Ingeniería. En la ETSII, el Grupo de Innovación Educativa para la Docencia Innovadora en Máquinas tiene una larga experiencia en el prototipado rápido y en su uso como herramienta en la docencia.

Con este proyecto de IE pretendemos aprender y montar la estructura de hardware, software, y conocimientos necesarios para permitir que los alumnos puedan diseñar y crear instrumentación de laboratorio de bajo coste. La parte de hardware y software se centrará principalmente en la plataforma Arduino utilizando el propio software de la plataforma o librerías que permiten programar la tarjeta Arduino desde Matlab, Simulink o Labview, todos disponibles en la UPM. La parte de sensores, actuadores y circuitos electrónicos se desarrollará en colaboración con profesores del Grupo de Innovación Educativa en Electrónica Industrial. El diseño de las piezas y soportes necesarios para montar los instrumentos se realizará mediante la tecnología de impresión en 3D, en colaboración con profesores del Grupo de Innovación Educativa para la Docencia Innovadora en Máquinas.

Una de las propuestas preliminares de instrumento de laboratorio low-cost que hemos barajado diseñar y construir es un espectrofotómetro en el rango de frecuencias correspondientes al espectro visible. El instrumento precisa de una fuente de luz cuyo espectro es continuo y contiene todas las frecuencias del visible. La luz de esta fuente pasa a través de un “monocromador” (un prisma o una rejilla de difracción). Seleccionando el ángulo de incidencia de la luz respecto al monocromador, se selecciona una de las frecuencias del espectro. El haz monocromático seleccionado atraviesa una rendija y la muestra, normalmente en disolución y colocada en una cubeta transparente y ésta a su vez en un portamuestras. La luz no absorbida por la muestra alcanza un fotodetector en el que se registra la intensidad de la luz transmitida con respecto a la luz incidente en la muestra, lo que permite calcular el espectro de absorbancia de la muestra analizada. En este caso, el Arduino se utilizaría para controlar el ángulo del monocromador (es decir, la frecuencia de la luz incidente en la muestra) y para registrar la intensidad recibida por el fotodetector. Por otra parte, las piezas correspondientes a los soportes de la fuente luminosa, el monocromador, el portamuestras y el fotodetector se diseñarían digitalmente y se fabricarían mediante la impresora 3D.

Para la realización con éxito del proyecto, es fundamental adquirir el siguiente hardware necesario:

• Un ordenador de mesa para programar las tarjetas Arduino y diseñar e imprimir a la impresora 3D.
• 5 tarjetas Arduino. El número se puede incrementar dependiendo del número de instrumentos que se fabriquen y de la complejidad de los mismos.
• Una impresora 3D. En este caso hay dos vías posibles: comprar un kit automontable, cuyo precio gira en torno a 700€, o comprar una impresora ya montada y calibrada, cuyo precio puede ser de unos 1400€.
• Material fungible para fabricar piezas de plástico. Dependiendo de la calidad de la impresora adquirida, el precio del fungible necesario puede oscilar entre 200 y 400 euros.
• Componentes electrónicos, sensores y actuadores. Para la construcción de un espectrofotómetro, es necesario adquirir al menos una fuente de luz halógena, una rejilla difractora y fotodetectores.

Los instrumentos diseñados y fabricados serán utilizados en el futuro en prácticas de las asignaturas de Química I y Química II (ambas en el GITI y en el GIQ), así como las asignaturas de Experimentación en Química y Química Analítica.

Además, otro objetivo de este proyecto es crear los cimientos básicos para poner en marcha una nueva asignatura para INGENIA, del plan de estudios del Máster Universitario de Ingeniería Industrial. Creemos que el diseño y fabricación de instrumentos de laboratorio es un campo completo y multidisciplinar que requiere de muchas de las competencias específicas que adquieren los alumnos que estudian en la ETSII (Física, Química, Materiales, Electrónica, Mecánica, Transmisión de Calor, Mecánica de Fluidos, Fabricación, etc) y en el que se pueden evaluar algunas competencias transversales como:

• Trabajo en Equipo. Alumnos, preferentemente de especialidades diferentes, deberán coordinar sus contribuciones personales en aras de un objetivo común.
• Uso de las TIC. Uso de entornos de programación (Arduino, Matlab, Labview), crear aplicaciones que monitoricen los experimentos y envíen los resultados de forma interactiva a una página web (a través del portal Plot.ly). Se desarrollarán documentos y tutoriales para iniciar a los alumnos en todas las herramientas necesarias.
• Resolución de Problemas. El diseño óptimo, con recursos limitados, de un instrumento científico conlleva la resolución de una serie de problemas que los propios alumnos se deberán formular.
• Creatividad. Se evaluará positivamente que la solución ofrecida por los alumnos aporte elementos novedosos y creativos en el diseño del instrumento.
• Diseño de Experimentos. Los propios alumnos deberán diseñar los experimentos necesarios para calibrar y evaluar si el instrumento creado funciona correctamente.

La nueva asignatura se articularía alrededor de proyectos de diseño dirigidos a grupos de 5-6 estudiantes de diferentes especialidades. De este modo, se promovería el aprendizaje mediante proyectos y el trabajo en equipo en un ambiente multidisciplinar. Consideramos que una asignatura Ingenia que gire en torno al diseño de instrumentos científicos puede resultar muy enriquecedoras para el currículum académico de los Ingenieros que estudian en la ETSII.

Los resultados del proyecto se difundirán en los congresos y jornadas de Innovación Educativa correspondiente, así como en el congreso Bienal de la Real Sociedad Española de Química que tendrá lugar en 2015.

REFERENCIAS

1. Pearce J.M., “Open-Source Lab”, Elsevier, (2014). Pearce J.M., “Building Research Equipment with Free, Open-Source Hardware”, Science 337, 1303 (2012). Libro y artículos que detallan la filosofía que pretendemos seguir en este proyecto.
2. http://www.thingiverse.com, Diseños 3D personalizables abiertos.
3. Gasparesc, G.,  Development of a low-cost system for temperature monitoring”, IEEE Explore 2013; Anzalone G.C., Glover A.G. and Pearce J.M., “Open-Source Colorimeter”, Sensors 2013, 13, 5338-4346; Albert D.R, Todt, A. and Floyd Davis, H., “A Low-cost Quantitative Absorption Spectrophotometer”, J. Chem. Ed. 2012, 89, 1432-1435. Algunos de los muchos ejemplos que hay en la literature sobre el uso de open hardware y software para construir instrumentos científicos.

1. FASE 1 (2 meses): Selección de uno o dos instrumentos para ser diseñados como experiencia piloto de este proyecto. Inventario de equipos, componentes y accesorios necesarios. Adquisición de PC de sobremesa, tarjetas Arduino, impresora 3D y fungibles y otros componentes electrónicos.
   RESULTADOS: Instalación, puesta a punto y prueba de todos los componentes.
2. FASE 2 (2 meses): Diseño teórico del instrumento de análisis. Inventario de componentes necesarios.
   RESULTADOS: Prototipo preliminar de un instrumento en Arduino.
3. FASE 3 (4 meses): Diseño integral de un instrumento, con soportes, sujeciones, y componentes. Fabricación, utilizando la impresión 3D para la mayor parte posible de piezas.
   RESULTADOS: Prototipo final de un instrumento con carcasa y conexiones.
4. FASE 4 (4 meses): Elaboración de toda la documentación necesaria para el futuro: manuales, tutoriales de software y hardware, ejemplos detallado del instrumento creado. Este contenido será parte de un PFC de un alumno. Explorar el diseño de otros instrumentos, a nivel diseño teórico. Elaboración de ficha de asignatura para INGENIA. Uso del instrumento fabricado por parte de alumnos de 1º/2º.
   RESULTADOS: Documentación final. Proyecto de Fin de Carrera. Ficha Asignatura. Otros diseños.

La mejor forma de evaluar la puesta en marcha de una infraestructura de conocimientos, hardware y software para el diseño y fabricación de instrumentos científicos low-cost es el éxito de los instrumentos fabricados y el precio reducido respecto al precio de mercado de un instrumento comercial. Se establecerán unos umbrales de precisión y de rango de medida para el instrumento, y el diseño los debe cumplir. El indicador de éxito del diseño corresponderá a la comparación entre las especificaciones de diseño y las especificaciones conseguidas. El indicador de coste será el precio del instrumento diseñado dividido entre el precio del instrumento comercial. Consideraremos un éxito que el diseño tenga un precio inferior al 20% del instrumento comercial, siempre que cumpla con las especificaciones mínimas para poder ser utilizado en prácticas de laboratorio.

En este proyecto piloto colaborará un alumno, que utilizará parte de sus resultados para realizar un PFC. Se evaluará su trabajo adaptando algunas de las rúbricas disponibles en la ETSII para la evaluación de competencias transversales. Esto nos ayudará, además, para generar las rúbricas necesarias para evaluar la nueva asignatura Ingenia que se propondrá al final del proyecto.