Ciudades Circulares inspiradas en la naturaleza
Click here for english version.
El término Ciudades Inteligentes o Smart Cities se refiere a las ciudades que aprovechan el potencial de las tecnologías y la innovación, para promover de manera más eficiente el desarrollo sostenible y mejorar la calidad de vida de sus ciudadanos.
Se prevé que para el 2050 un 85% de la población mundial vivirá en ciudades, con lo cuál nos enfrentamos a desafíos relacionados al abastecimiento energético, emisiones de CO2, movilidad, provisión de bienes y materias primas, prestación de servicios sanitarios y de seguridad para quienes residan o visiten estos enormes y masificados centros urbanos.
Desde CINNID Innovation Partners participamos en dos desafíos de innovación abierta de Enel X y Volkswagen, que buscaban nuevos servicios y funcionalidades para infraestructura de Ciudades Inteligentes y para los automóviles conectados del futuro. Los resolvimos abordándolos de manera holística e inspirándonos en la naturaleza y resultamos ganadores de ambos desafíos; a continuación voy a compartir la metodología utilizada y algunos insights de estas experiencias tan enriquecedoras.
Al iniciar la fase exploratoria del primer desafío, con Alejandro Bollana dedicamos algunas semanas al research para actualizarnos, ponernos en contexto y analizar el potencial de algunas nuevas tecnologías para Ciudades Inteligentes. Cabe destacar que a diferencia de otros desafíos de innovación abierta en los que participamos, como NASA Space Poop Challenge, NASA Cubesat Challenge o Kura Kura Ecodesign Challenge, en este caso ya contábamos con experiencia previa en la temática. De hecho, con Alejandro nos conocimos en 2016 trabajando en la Subsecretaría de Innovación y Ciudad Inteligente del Ministerio de Modernización de la Ciudad de Buenos Aires, donde Alejandro era líder de proyectos de tecnología para Ciudad Inteligente y yo me desempeñaba como Gerente de innovación sustentable.
Nos pusimos al día en tecnologías para Ciudades Inteligentes, enfocándonos en servicios digitales, infraestructura necesaria y tecnologías asociadas. Exploramos desde mejoras básicas como digitalización de infraestructura, pasando por sistemas de sensorización, IoT y Big Data, hasta llegar a analizar modelos avanzados de Gemelos Digitales (Digital Twins), a través de los que podemos generar réplicas virtuales de los sistemas físicos, alimentarlos con datos en tiempo real, procesarlos mediante Inteligencia Artificial y machine learning, para crear representaciones vivas, que sienten, piensan y actúan.
Los Gemelos Digitales nos permiten proponer optimizaciones e inclusive predecir eventos y solucionar incidentes antes de que ocurran. Si bien parece un concepto de película de ciencia ficción como Minority Report, estamos hablando de tecnologías que actualmente se utilizan en diversas industrias en todo el ciclo de vida de un producto o servicio, desde el diseño de una turbina de avión, la simulación de un parque eólico o un edificio inteligente, e inclusive la planificación de una gran ciudad.
Para un proyecto anterior habíamos explorando la tecnología de diseño generativo, donde a herramientas de diseño como CAD se le suma la posibilidad ingresar los parámetros básicos de la pieza a desarrollar, como medidas y ubicación de puntos de conexión o anclajes, resistencia, torsión, etc., y el motor de Inteligencia Artificial se ocupa de iterar y proponer miles de alternativas de diseño, donde el diseñador elegirá la que mejor se adapta a sus necesidades. Una vez fabricado el prototipo se lo dota de sensores, se lo prueba en el mundo real y luego se lo retroalimenta con datos reales que permitirán analizar su performance y proponer mejoras para optimizar su funcionamiento. De esta manera se logran diseños innovadores, con mejores prestaciones que el diseño convencional, reduciendo materiales y peso, optimizando el uso de energía y la consecuente huella de carbono.
Lo que más nos llamó la atención en ese entonces fue que las piezas diseñadas utilizando diseño generativo tenían geometrías biomórficas; eran más parecidas a las formas que encontramos en la naturaleza, que a elementos salidos de una línea de producción industrial. Utilizando diseño generativo podemos lograr diseños extremadamente eficientes en pocos minutos, acelerando lo que a la naturaleza le llevó millones de años mediante mutación y selección natural . ¿Qué mejor que combinar el potencial de las nuevas tecnologías con los principios de la naturaleza para lograr Ciudades Inteligentes más eficientes?
A continuación, analizamos las características, funcionalidad e interdependencia de algunos de los subsistemas y componentes: redes de agua, gas y energía, smart grids, sensores inteligentes, medidores inteligentes, transporte y eMobility, redes de datos y protocolos de comunicación, y por supuesto todo lo relacionado a las necesidades de los propios ciudadanos inteligentes, quienes en definitiva son los que habitan, dan vida y propósito a las Ciudades Inteligentes.
Abordamos el desafío desde la biomimética, inspirándonos en los 3.800 millones de años de experiencia de la naturaleza, utilizando metodologías del Biomimicry Institute y procesos de diseño de BioInspired Argentina, nuestro propio laboratorio de I+D+i. Comenzamos traduciendo las funciones de los distintos sistemas que conforman las ciudades inteligentes al dominio de la biología. Exploramos cómo desempeña esas funciones la naturaleza visualizando las condiciones de ecosistemas, hábitats naturales y organismos vivos; nos propusimos incorporar los patrones unificadores de la naturaleza, conocidos como los 10 principios de la vida, como parámetro de diseño aspiracional y oportunidad para generar innovación más sostenible.
Los patrones unificadores de la naturaleza son una guía fundamental al momento de iniciar un proceso de diseño. La naturaleza: 1) Usa solo la energía que requiere y depende de la energía de libre disposición; 2) Recicla todos los materiales; 3) Es resiliente a los disturbios; 4) Tiende a optimizar en vez de maximizar; 5) Provee beneficios recíprocos 6) Opera en base a información; 7) Usa procesos químicos y materiales que son seguros para los seres vivos 8) Construye utilizando recursos que son abundantes, e incorpora recursos escasos sólo con moderación; 9) Está en sintonía con el ámbito local y es sensible al entorno; 10) Usa la forma para determinar la funcionalidad.
Le dedicamos algunas jornadas al proceso de descubrimiento, incluyendo un repaso de la taxonomía de las estrategias de la vida, y la consulta habitual al sitio web asknature.org. Luego destinamos un tiempo a la reflexión e introspección, empleando ejercicios de visualización creativa para decantar conceptos y generar insights e ideas disruptivas. Al igual que el proceso de Design Thinking, es un proceso dinámico divergente y convergente, en el cual alternamos e iteramos entre las fases de Destilar, Traducir, Descubrir, Emular y Evaluar.
Así el sistema de comunicaciones y datos encontró su contraparte en el sistema nervioso central, el cerebro, las neuronas y los axones. Los sistemas de transporte de agua, gas, bienes y residuos, en los sistemas circulatorio, respiratorio, digestivo y excretor. El sistema de energía en la célula, la mitocondria y los ATPs. El sistema de seguridad en el sistema inmunológico. Los vehículos pasaron a ser glóbulos blancos y glóbulos rojos, con funciones claramente diferenciadas, recorriendo arterias, venas y vasos sanguíneos; la Ciudad Inteligente se convirtió en la estructura de un cuerpo vivo y como tal, su autorregulación y equilibrio son gobernados por el principio de homeóstasis.
Sin más preámbulos les presento los desafíos y algunas de las soluciones propuestas:
La infraestructura de postes de luz inteligentes se puede utilizar para alojar una serie de dispositivo como por ejemplo cámaras de video, sensores, antenas Wi-Fi, etc. Esto ha dado lugar a muchos servicios en los campos de vigilancia, información climática, información de tráfico, monitoreo ambiental, monitoreo de flujos de personas, optimización de flujos de movilidad, gestión de residuos, estacionamiento inteligente, SOS, señalización digital y muchos otros. Para los propósitos de este Desafío, Enel X quería ir más allá de estos servicios “estándar” ya conocidos y lanzó un desafío de innovación abierta para buscar servicios y funciones innovadoras para ser entregados a los ciudadanos y/o municipios que puedan ser proporcionados por el uso de la infraestructura de postes de luz. Este Desafío no era solo técnico, sino también consistía en formular un servicio basado en un modelo de negocio sostenible.
Desarrollamos y presentamos tres soluciones distintas; conformamos tres equipos con los cuales trabajamos de manera remota durante varias semanas:
Water Pole, powered by Pura ®
Water Pole es un generador de agua atmosférica (AWG) mejorado y una estación de llenado de botellas para ciudades inteligentes. Brinda un servicio de gran valor para la ciudadanía, promueve la conservación de los recursos naturales y la preservación de nuestro medio ambiente al ayudar a reducir los residuos sólidos generados por las botellas plásticas de agua de un solo uso.
Bio inspiración: los escarabajos del desierto de Namibia, ubicado en la costa suroeste de África, viven en uno de los hábitats más secos del mundo. Pero algunas especies de escarabajos oscuros pueden obtener el agua que necesitan del rocío y la niebla del océano, utilizando sus propias superficies corporales. Varios investigadores están estudiando los escarabajos, así como las superficies sintéticas inspiradas en el cuerpo del escarabajo, para descubrir las funciones que desempeñan la estructura, la química y el comportamiento en la captura de agua del aire. Las ranuras o protuberancias de tamaño micro en las alas delanteras endurecidas del escarabajo pueden ayudar a condensar y dirigir el agua hacia la boca que espera del escarabajo, mientras que una combinación de áreas hidrofílicas (que atraen el agua) e hidrofóbicas (que repelen el agua) en estas estructuras puede aumentar la recolección de niebla y rocío.
Para el presente desafío de innovación abierta trabajamos en asociación con:
Lucas Barrionuevo y Leandro Barrionuevo de Pura ®, empresa argentina líder en tratamiento y depuración de agua.
Air Pole, powered by PURETi ®
Air Pole es una solución fácilmente implementable basada en recubrimientos orgánicos fotocatalíticos que contienen dióxido de titanio (TiO2), para convertir (retrofit) un poste de luz regular de 8" en un dispositivo purificador de aire autónomo altamente eficiente en aproximadamente 3 horas. La oxidación fotocatalítica es una forma innovadora de reducir los niveles de contaminación, eliminando NOX, metano y COV del aire. Cada Air Pole tiene una capacidad de absorción de óxido de nitrógeno (NOx) equivalente a 5 árboles adultos y que a diferencia de estos funciona inclusive de noche. Los postes de luz ya están plantados, ¿Por qué no convertirlos en árboles?
Bio inspiración: los árboles limpian el aire. Los árboles absorben olores y gases contaminantes (óxidos de nitrógeno, amoníaco, dióxido de azufre y ozono) y filtran las partículas del aire atrapándolas en sus hojas y corteza. No podemos imitar todos sus beneficios, ¡pero podemos proporcionar una de sus funciones a los postes de luz!
Para el presente desafío de innovación abierta trabajamos en asociación con:
Alejandro González, CEO de la empresa Asociación Aire Cultura Urbana.
Glen Finkel, CEO de PURETi. Fabricante estadounidense de recubrimientos inteligentes patentados en el espacio (NASA). PURETi produce y vende el tratamiento de superficies auto limpiante, purificador de aire y activado por luz más avanzado del mundo.
Power Pole, powered by Innobattery ®
Power Pole es un revolucionario y rentable sistema de almacenamiento de energía para Smart grids, basado en módulos inteligentes de ultra condensadores híbridos. Funciona como una “central eléctrica virtual” que contribuye a un uso óptimo de los activos de generación y la red, apoyando las energías limpias y la reducción de emisiones.
Hasta el momento, el almacenamiento de energía en un poste de luz solo se usaba para respaldar la iluminación LED de energía solar autogenerada y como respaldo para la vigilancia u otras aplicaciones críticas por igual. Las baterías de metal de níquel no alcanzan la densidad de energía requerida y el TCO de las baterías de iones de litio no son lo suficientemente baratas para un modelo comercial factible. Combinamos los formatos de celda y las químicas más innovadores con tecnología avanzada de administración de carga / descarga para desarrollar el primer módulo de energía para usar dentro de postes de luz regulares.
Bio inspiración: la mitocondria es un orgánulo unido a doble membrana que se encuentra en la mayoría de los organismos eucariotas. Las mitocondrias generan la mayor parte del suministro celular de trifosfato de adenosina (ATP), que se utiliza como fuente de energía química. Además de suministrar energía celular, las mitocondrias participan en otras tareas, como la señalización, la diferenciación celular y la muerte celular, además de mantener el control del ciclo celular y el crecimiento celular. La biogénesis mitocondrial está a su vez coordinada temporalmente con estos procesos celulares.
En la naturaleza, cada célula produce y almacena su propia energía. En las ciudades, la energía suele generarse a cientos de kilómetros del lugar de consumo, con millones de dólares en inversión en infraestructura y mantenimiento de líneas eléctricas y pérdidas de energía por transporte de alrededor del 30%.
Para el presente desafío de innovación abierta trabajamos en asociación con:
Leonardo Valente de la empresa Innobattery. Bloques de construcción para la energía sostenible.
Volkswagen Challenge. Mejorando la experiencia del vehículo conectado.
El desafío buscaba soluciones novedosas para incentivar a los conductores a compartir datos de diagnóstico y uso de sus automóviles (big data) con el fin de mejorar la garantía de calidad y la experiencia del cliente; pudiendo incluir, entre otros, nuevos servicios, funciones de aplicaciones, características o servicios digitales adicionales alrededor del automóvil que pueden agregar valor para los clientes y/o ser divertidos para los conductores. Las soluciones debían tener en cuenta las funciones actuales de We Connect, App gratuita que permite a los usuarios de automóviles de la marca acceder a la información de la computadora de abordo mediante bluetooth.
Para el presente desafío aprovechamos el research hecho sobre Ciudades Inteligente, particularmente lo aprendido con respecto a Gemelos Digitales y el concepto de Ciudad Inteligente como un organismo biológico. Realizamos una propuesta que denominamos Advanced Features Pack, con 15 servicios de valor agregado y nuevas funcionalidades agrupadas en cinco categorías: 1) Personalización, 2) Sistema de dinámico de diagnóstico avanzado, 3) Ciudades Inteligentes, 4) Sostenibilidad y 5) Entretenimiento.
Entendimos que el desafío buscaba nuevos servicios y características de valor agregado para We Connect, pero también como una oportunidad para crear nuevos servicios con una integración perfecta con otros servicios de la plataforma We como: Single Sign, We Connect Plus, We Connect Fleet, We Connect Park, We Charge, We Deliver y We Experience.
Para desarrollar nuestra propuesta integramos: a) los datos del vehículo proporcionados por la interface ODB-II (computadora de abordo del vehículo), b) los datos de los sensores de teléfonos inteligentes, c) los datos de los conductores proporcionados por los sistemas anteriores y la interacción directa con el usuario a través de mensajes de contexto simples (prompts), comandos gestuales y de voz, d) el potencial del Crowdsourcing de la base de usuarios de We Connect, e) tecnología Blockchain y f) Inteligencia Artificial.
Sin entrar en detalles para no violar propiedad intelectual, a grandes rasgos el principio de funcionamiento de la propuesta es la siguiente: los campos de datos obtenidos a través de la interfaz ODB-II, más los datos adicionales obtenidos de los sensores del teléfono inteligente, más las interacciones y preferencias del usuario se suben a la nube. Se aplican algoritmos avanzados e Inteligencia Artificial para diagnosticar y anticipar problemas en componentes y sistemas críticos del automóvil en base a los datos recopilados de cada vehículo, pero también comparando dicha información con otros vehículos del mismo modelo utilizados en entornos y condiciones similares. La base de usuarios de la aplicación We Connect se convierte en un recurso clave (crowdsourcing) para el modelado de Gemelos Digitales, lo cual permite la utilización de sistemas de Diseño Generativo avanzados para mejora de producto (vehículos y componentes) y habilita el desarrollo de nuevos servicios de valor agregado de utilidad para todos los stakeholders (partes involucradas).
Veamos el caso concreto de un servicio de valor agregado propuesto: Sistema Dinámico de Diagnóstico mejorado por Inteligencia Artificial (AISD). Aunque cada modelo de automóvil tiene un programa de mantenimiento recomendado por fábrica que considera la vida útil promedio de cada componente del sistema (ej. amortiguadores, pastillas de freno, batería, etc.), AISD brinda la oportunidad de estimar las condiciones reales de los componentes críticos en función de los datos específicos generados por el uso de cada vehículo/usuario. Por ejemplo: La duración de la batería se ve afectada por el histórico de consumo de energía, la temperatura ambiente, los períodos de parada prolongados y otros factores medibles. El funcionamiento y performance de los amortiguadores se registra en tiempo real mediante datos del giróscopo y acelerómetro del teléfono inteligente; dicho de otra manera: ¡cada vez que agarramos un pozo en la calle nuestro teléfono móvil registra el sacudón!. Lo mismo sucede con los frenos y otros componentes críticos del automóvil. De esta manera cada usuario podría recibir una notificación en su App cuando deba llevar su automóvil al taller a realizar el reemplazo anticipado de algún componente crítico.
Los desafíos de Enel X y Volkswagen fueron una gran oportunidad para explorar y entender las tecnologías vigentes para Ciudades Inteligentes. La biomimética nos permitió entender mejor la interdependencia de los subsistemas y las condiciones necesarias para mantener el funcionamiento y el equilibrio dinámico (homeostasis) de los mismos. La naturaleza nos inspiró a encontrar soluciones innovadoras basadas en el escarabajo de desierto (Water Pole), los árboles (Air Pole) y la mitocondria (Power Pole). La teoría de la evolución funcionó como marco de referencia para proponer soluciones de diseño generativo de productos (vehículos y sus componentes) y los patrones unificadores de la naturaleza para aprovechar la información y crear nuevos servicios de valor agregado con beneficios para todos los stakeholders.
El potencial de la biomimética en proyectos de Ciudad Inteligente es enorme, puede brindarnos las herramientas necesarias para mejorar la resiliencia de las ciudades ante las consecuencias del cambio climático y será cada vez de mayor relevancia para mejorar los modelos de gestión de crisis. Los invito a seguir inspirándonos en la naturaleza para encontrar soluciones cada vez más sostenibles.
