En @MapIgnorance: system of quadrotors for the transportation of deformable linear objects

En mi última colaboración con el blog Mapping Ignorance hablé sobre un tipo de transporte de objetos con drones. Estamos acostumbrados a que un único drone transporte un único objeto, habitualmente rígido. ¿Pero qué ocurriría si intentáramos transportar un objeto deformable, como una cuerda, entre varios drones? El artículo comienza así:

Nowadays, the industry is centering their efforts on the development of single aerial robots carrying single objects, such as the widely-known drone of Amazon for delivering packages, which was followed by some national post-office services. However, other approaches go a step further and get to transport bigger objects in a cooperative way, reducing the payload of each drone and thus, increasing their battery duration. Besides, this cooperative transport might not only be used for retail services and packet deliveries, but for another completely different type of services and tasks.

Si quieres seguir leyendo el artículo sobre este aspecto, puedes hacerlo aquí. Mapping Ignorance es un blog realizado por investigadores de ciencia que transmiten los últimos avances de diversas disciplinas de una manera asequible. 

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Un par de curiosidades del cuerpo humano, y su mecánica

No será por falta de ganas. Últimamente se me acumulan las tareas y me cuesta sacar tiempo para escribir en este blog. Pero por fin saco un hueco para hablar de algunas curiosidades sobre el cuerpo humano y su mecánica que me han llamado la atención. 

- ¿Qué cansa más: subir un tramo de escaleras rápido o despacio?

Si el tramo de peldaños elegido es el mismo para una y otra velocidad, el trabajo (designado por la letra W habitualmente en Mecánica Aplicada) es el mismo en los dos caso si suponemos que solo realizamos un cambio en la cota de alturas.

Sin embargo, la potencia no es la misma. En este caso, la P es la relación entre el trabajo, W, y el tiempo. Y dado que al correr invertimos menos tiempo, la potencia que tenemos que desarrollar es mayor al ir rápido y eso nos cansa.

No me he vuelto loco. Esta simple pregunta era la base para la siguiente: ¿si tardamos el mismo tiempo en subir unas escaleras, por qué nos cansa más subir los peldaños de dos en dos que de uno en uno? 

Según las fórmulas habituales de cinemática y dinámica en Mecánica Aplicada, no hay ninguna razón que demuestre esa fatiga. Teóricamente, no hemos generado más potencia, ya que el tiempo establecemos que es el mismo.

Me he encontrado varios hilos en Reddit a cuenta de esta cuestión (hilo1 e hilo2), entre otros lugares webs. Y en uno de ellos dan la solución a mi pregunta, y no es relativa a la ingeniería, sino a la fisiología: el gasto metabólico de los músculas al subir escalones de dos en dos es superior al de subir de uno en uno, y lo recogen en el artículo The metabolic and muscular differences between two stair-climbing strategies of young adults, y alegan que este extra de energía es por los extensores de rodillas y tobillos. En el abstract de hecho, recomiendan que subamos las escaleras de dos en dos a la hora de muscular las piernas. Una posible continuación de este artículo es éste otro.

Me parece que es una investigación relevante de cara a tratamientos médicos y musculares, pero no solo eso: también me parece que conocer esta serie de cosas puede venir bien para una futura modelización de robots humanoides que suban escaleras de dos en dos.

Y ahora viene la segunda píldora de ciencia del artículo, y es estudiar las razones del vaivén de los brazos durante el movimiento de las personas. He encontrado trabajos de investigación realizados en 1939 hablando sobre este curioso fenómeno, pero vayamos a un artículo de nuestros días, como Control and function of arm swing in human walking and running (de 2009). Este artículo habla de que el momento angular del movimiento humano está cercano al momento angular 0 (puede que algún otro día me centre en esto), y que el vaivén de los brazos ejerce de amortiguador (damper) en la rotación de hombros y pelvis.

 Y por eso, volviendo a los humanoides, no es de extrañar que las máquinas también requieran de ese curioso movimiento inconsciente para mantener su equilibrio o tener un buen control de su cadena cinemática. Por ejemplo, este artículo explica como gracias al movimiento de los brazos, su robot consigue que el centro de gravedad apenas se mueva. A continuación tenéis una imagen extraída de ese trabajo.

o este otro es uno de los muchos que dice que los brazos mejoran en gran medida la estabilidad de estos ingenios. 

Referencias aparecidas en este artículo

 M. Popovic, A. Hofmann and H. Herr, "Angular momentum regulation during human walking: biomechanics and control," Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA '04. 2004 IEEE International Conference on, 2004, pp. 2405-2411 Vol.3.

 T. Maneewarn and P. Sinsaranon, "Effect of swing arm during gait transition of a humanoid robot," ICCAS-SICE, 2009, Fukuoka, 2009, pp. 1222-1225.

 H. Pontzer, J. H. Holloway, 4th, D. A. Raichlen, D. E. Lieberman. "Control and function of arm swing in human walking and running". Journal of Experimental Biology 2009 212: 894

 Gottschall, J.S., Aghazarian, G.A., and Rorhbach, E.A. "The metabolic and muscular differences between two stair climbing strategies of young adults". Journal of Strength and Conditioning Research, 24:2558-2563, 2010.

Halsey, L. G., Watkins, D. A. R., & Duggan, B. M. (2012). "The Energy Expenditure of Stair Climbing One Step and Two Steps at a Time: Estimations from Measures of Heart Rate". PLoS ONE, 7(12),

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Reseña de Rise of the Robots

Hace tiempo que tenía pendiente hacer la reseña de esta obra. Ha sido uno de los libros que más citados he visto en medios de comunicación y webs de todo el mundo (The Guardian, NYTimes, Wired, El Mundo, y más webs que cualquier usuario puede encontrar fácilmente.

Habla de el auge de la robótica y de la amenaza que supone frente a destrucción de puestos de trabajo. Sí, Martin Ford se centra más en qué tipo de puestos y qué sectores transformarán los robots. Cada uno de los capítulos del libro corresponde a un análisis del autor en un sector diferente: restauración y hostelería, transporte de mercancías y pasajeros, sanidad, derecho y educación, etc, y describe qué tipo de puestos o funciones en cada uno de ellos puede ser más vulnerable. No adelantaré conclusiones e ideas del libro para no hacer spoiler. Básicamente, los culpables de hacer desaparecer puestos de trabajo es la inteligencia artificial: la capacidad de pensar y organizar tareas tan bien como los humanos, o mejor.

De todas formas, Martin Ford también argumenta que puestos de trabajo se llevan destruyendo aproximadamente desde la década de los 70, por razones que nada tienen que ver con los robots. Hay que tener en cuenta que los países que eran básicamente fabricantes han pasado a ser eminimentemente de servicios; o que mucha producción se ha llevado al extranjero; o que antes para hacer el trabajo de varios hombres ahora se logra con uno por la mejora de las condiciones de trabajo, etc. Esta presentación en concreto me gustó mucho.

Se llevan extinguiendo puestos de trabajo desde hace mucho tiempo, pero parece que lo que se avecina es más impredecible y será capaz de destruir trabajos más rápidamente que en ningún momento de la historia. Y hará falta una legislación para que todo esto no se vaya de las manos probablemente, algo que casi ningún gobierno está contemplando con sus miradas cortoplacistas.

He leído otros libros que hablan del futuro del panorama laboral, como Humans Need Not Apply, the Jerry Kaplan, y me quedo claramente con Rise of the Robots por sus análisis mucho más profundos y mejor redacción.

Dejando a un lado ya la reseña, aprovecho para dejaros el link del mejor informe que ha habido hasta ahora sobre la influencia de robots en el empleo, realizado en 2013 por Oxford Martin School. Pronosticaba que el 47% de los empleos de Estados Unidos desaparecerían en los siguientes 30 años aproximadamente. Pero cada vez hay más críticas a este estudio, y voces autorizadas están diciendo que la robótica y la Inteligencia Artificial eliminará puestos de trabajo, sí. Pero creará otros tantos, y todavía no somos capaces de predecir cuáles. Una de las mejores fuentes sobre estos temas es International Federation of Robotics, que defiende lo que acabo de decir. Pero también Forbes, The Guardian, NYTimes,

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Delaunay, hijo de Voronoi, padre de Gollum

Georgy Voronoi (1868-1908) fue un matemático soviético, famoso por el estudio en profundidad en n dimensiones de los diagramas a los que finalmente se les ha dado su nombre. En inglés se suele usar la expresión "diagram of Voronoi", mientras que en castellano es más habitual expresarlo por regiones de idem. ¿En qué consisten? Aquí @clara_grima los definió perfectamente:

Consiste en dividir el espacio en tantas regiones como puntos u objetos tengamos de tal forma qu ea cada punto le asignemos la región formada por  todo lo que está más cerca de él que de nadie

 Y abusando de su confianza, voy a emplear la misma imagen como ejemplo:

Es un problema de geometría computacional, y habitualmente se ha empleado para problemas relativos a cómo repartir el espacio. Por ejemplo, en qué puntos de una ciudad poner buzones/farmacias. Aunque también nos podemos encontrar esta imagen en la naturaleza o en la arquitectura.

Y no solo eso, sino que las regiiones de Voronoi están de moda en el campo de la robótica, gracias a la creación de "carreteras" para estos aparatos (robotic roadmaps). Me explico: imaginaos que tenemos un escenario con obstáculos. Normalmente, en robótica se trata de hallar el algoritmo más eficiente para ir de un punto a otro (ya sea por ser el más corto o el que menos energía requiere). Pero los obstáculos no se pueden saltar de cualquiera manera.

Lógicamente, Voronoi por sí solo no permite hallar el camino de un punto A a B, sino que para eso hace falta alguna otra herramienta, como el algoritmo de Djikstra, y un posterior suavizado de las esquinas de Voronoi.

Y ojo, porque Georgy Voronoi no fue el primero que usó estas regiones, sino que fue el primero que lo estudió en profundidad. Anteriormente, en el siglo XVII ya los usaba Descartes.

Sin embargo, da igual la aplicación para la que queramos esta curiosidad geométrica: es un poco complicado obtenerla desde 0. El algoritmo más habitual para conseguirlo es el que propuso Steven Fortune en 1986, quien formaba regiones de Voronoi a partir de lo que parece la línea del mar entrando en la arena.

Pero hablar de Fortune me estropearía el artículo. La manera que os presentaré para crear las regiones de Voronoi son los famosos triángulos de Boris Delaunay (1890-1980), quien también fue un matemático soviético. Delaunay lograba repartir una nube de puntos en triangulaciones especiales, ya que los vértices de los triángulos de Delaunay siempre son parte de una circunferencia que no contiene ningún otro punto de esa nube.

Y además, resulta que la estructura de Delaunay es el grafo dual de Voronoi, y a partir de uno se puede conseguir el otro, aunque no entraré en esos detalles. En la siguiente imagen, el trazo oscuro corresponde a Delaunay, mientras que el discontinuo a Voronoi.

Pero de nuevo, aunque esto naciera como el estudio de una curiosidad geométrica, la triangulación de Delaunay sirven por sí mismas en aplicaciones muy actuales. Una de ellas, es el empleo de estas estructuras en creación de imágenes de cine a partir de sistemas de captura de movimientos. Es así tal y como se grabó la famosa película Avatar, en muchos vídeo-juegos actuales o en el archiconocido Gollum, de El Señor de los Anillos. Cierto es que junto a triangulaciones de Delaunay se emplearon otro tipo de técnicas. 

Este vídeo, aunque sea bastante casero, muestra un ejemplo de triangulación a partir de una imagen real. Por cierto, fue Delaunay quien estrictamente se apoyó en Voronoi, para entre otras cosas, sentar las bases matemáticas de la cristalografía.

Por lo tanto, espero que este artículo sea uno de mis pequeños granos de arena para demostraros que:
a) las matemáticas están en todas partes y sirven
b) no podemos predecir dónde se aplicarán los descubrimientos o trabajos científicos
c) la interrelación entre disciplinas hoy en día es total

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Qué ven los grandes diseñadores de Formula1

Está a punto de comenzar la pretemporada de 2016 de Formula1. Es en los días de presentación y tests donde más análisis técnicos se afanan por hacer los periodistas y medios especializados. Sin embargo, aquí os traigo un representativo vídeo donde se ve la aparente facilidad con la que un veterano diseñador de coches de competición describe unos detalle del Ferrari de la temporada 2014 y de 2015 con unos simples trazos en un papel. Se trata de Enrique Scalabroni.

Para los que no tengáis tiempo de ver el vídeo, aquí va un pequeño resumen de lo que dice: 

El Ferrari 2014 tiene un centro de balanceo en el eje delantero más alto que en 2015.

El centro de balanceo (CB) es el punto respecto al cual gira el chasis. Más correctamente, respecto al centro de balanceo gira la masa suspendida del Formula1 (la parte del coche que no está tocando el coche).  Hallar el CB en un coche con suspensión trapezoidal es muy fácil: el punto donde se cruzan las prolongaciones de los dos trapecios se denomina centro de rotación. Si unimos la huella de cada rueda con su centro de rotación, el punto donde se unan esas 2 rectas será el CB. En reposo, el CB debe estar en el centro.

Sin embargo, la altura de ese punto no es la importante, sino más bien la distancia vertical entre el CB y centro de gravedad del coche. 

En 2014 esa distancia era más pequeña que en 2015. Por lo tanto, por un simple fórmula de momento (fuerza por distancia), la capacidad de balanceo en 2014 era muy pequeña, lo cual hacía que las fuerzas centrífugas en curva las tuviesen que absorber los elementos rígidos de la suspensión (trapecios). Esto hacía que los neumáticos se deslizaran mucho y tuvieran un gran desgaste. Como dirían los periodistas, no conservaba neumáticos. Y lo que es peor: ese gran desgaste suponía que la velocidad del paso por curva que podían hacer era necesariamente inferior al resto de los equipos.

En cambio, ¿qué ocurre en la configuración de 2015? El CB está bastante más bajo y el centro de gravedad podemos considerarlo que estaba en el mismo sitio más o menos. Lo cual hacía que el chasis pueda balancearse mucho más. Es decir, toda la energía que hay que disipar en el paso por curva o en frenada no se la van a llevar los elementos rígidos solo, sino que la suspensión, y más concretamente los amortiguadores, van a llevarse una buena parte de esa energía. 

Según comenta Scalabroni, en 2015 los amortiguadores de Kimmi Raikkönen eran blandos, lo cual hace que se puedan deformar mucho y disipar una buena cantidad de energía. Y además, por todo lo que hemos dicho, los neumáticos se desgastaban menos y la velocidad por curva era más alta.

El CB y el diseño de la suspensión es una cuestión muy importante de diseño en cualquier tipo de coche. Además, el centro de rotación de las suspensiones es un punto instantáneo, ya que según cómo de comprimido estén los muelles o cómo se mueva la suspensión, ese punto cambia. Por lo tanto, también cambia el CB. Un buen diseño es lograr que el movimiento del CB en el eje transversal sea el mínimo posible, por lo menos en coches de calle.

Y en Formula1, recuerdo que no se pueden aplicar soluciones como parches. El coche funciona como un conjunto, y no se puede cambiar una única parte sin empeorar el comportamiento general de la máquina.

Más información en los siguientes enlaces:

Dos artículos que me han parecido clarificadores de todo esto:

https://jasf1961.wordpress.com/category/suspensiones/
http://www.meganracing.com/tech/faqs.asp?id=106&subject=Suspension

Un vídeo explicando la mayoría de conceptos de este artículo sobre CB

Y una entrevista en el recomendable Safetycast a Scalabroni

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Fabricantes de coches y sus trucos

En los últimos meses me ha tocado hablar bastante con mecánicos de coche, y en esta entrada recojo una de las muchas y curiosas historias que cuentan. Concretamente, una avería habitual que afecta a los BMW X3 y X5 principalmente.

Estos modelos tienen una tracción 4x4, a la que llamaron X-Drive y que explican en este vídeo promocional. Esta tracción comenzó en 2003 con el X3. No es una tracción integral, sino que por defecto el coche tiene tracción delantera trasera, pero en cuanto detecta que las ruedas delanteras patinan o no transmiten toda la fuerza al suelo, el sistema envía fuerza al eje trasero delantero. Esto se hace principalmente mediante una caja de transferencia. En este artículo usaré la palabra transfer, que parece que es el término habitual entre los profesionales.

El sistema completo está bastante bien explicado en el siguiente vídeo:

Una serie de anillos bloquean el sistema para que el eje trasero se ponga en funcionamiento, pero el problema no está ahí. El transfer básicamente es un sistema de engranajes que tras ese bloqueo transmite parte del par al eje trasero, pero en una pareja de engranajes uno es de nylon mientras que otro es metálico (acero probablemente).

Esto en mecánica de materiales es malísimo, ya que en un sistema de contacto cuando tenemos materiales de distintas propiedades uno siempre se va a desgastar. Imaginaos que las vías fueran de madera y que las ruedas del tren siguieran siendo como las conocéis. La disciplina que se encarga de esto es la tribología.

El fallo de BMW está recogido en muchísimas páginas web y foros, y en la mayoría de los casos se recomienda la sustitución de la pieza de plástico por otra metálica. Eso puede costar unos 100€, mientras que el transfer completo que vende BMW cuesta unos 800 según parece.

La rotura de este pequeño engranaje no es crítico y permite que el coche siga circulando, pero la tracción a las 4 ruedas ya no funciona y el ordenador de abordo muestra mensajes de fallo que harían llevar al taller a cualquier usuario.

Tan habitual es el fallo, que la página DIY por antonomasía también se ha hecho eco de cómo arreglarlo y especifica qué modelos de coche están afectados. Los de BMW no son tontos a la hora de sacar rentabilidad a sus ventas, pero no son los únicos y hay muchos ejemplos de este tipo de averías. El plástico es un material ligero, pero todavía su uso intensivo en automoción está lejos de ser una realidad.

Por cierto, no confundir a la caja de transferencia con el diferencial, del cual quizás os hable en otro post.

Actualización (7 de enero 2016)

El responsable de la web Pistonudos, @GuilleAlfonsin, me ha ayudado a ampliar información al respecto a esta curiosa pieza. Concretamente, explica que la pieza de plástico es una pieza mártir. Está diseñada a propósito para que se desgaste justo esa pieza, ya que si todo fuera metálico el desgaste sería mayor en todo el mecanismo y probablemente la avería sería mayor.

Y por último, también me ha respondido a una pregunta que nos podemos hacer muchos curiosos: ¿Por qué BMW no vende solo esa pieza de nylon en lugar de todo el conjunto? Ahí va su respuesta:

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2015, un año de lectura

Al igual que ocurren en otros muchos blogs, y mejores que éste, os dejo la lista de los libros leídos durante este año. Ha sido menos prolífico que otros años, pero las obligaciones llamaban.



El agente ZigZag (Ben Macintyre)

Lo elegí como un libro sobre historia militar, con la esperanza de que se describiera algún momento de la Guerra Mundial con el hilo conductor de una novela. Pero no cumplí esas expectativas. El libro es entretenido, la historia es curiosa, pero se me terminó haciendo un poco largo. El libro está salpicado por relaciones amorosas y relación del espía con sus superiores en ambos bandos..

El Reto Starbucks (Howard Schultz)

 Fruto de mi afición por el café, me regalaron el libro con la autobiografía de Howard Schultz, fundador de Starbucks. Es interesante, y a mí sí que me convenció sobre su pasión por la empresa. En general, el libro se trata de eso: el autor explica qué perseguía con cada acción estratégica y a dónde quería llegar con su marca, qué quería representar. Por supuesto, no se mete en asuntos fiscales escabrosos ni nada.

The theory that would not die (Sharon McGrayne)

Es un libro muy recomendable de leer que habla del uso e historia del Teorema de Bayes. Cómo durante años perdió su prestigio, cómo se usó para hallar submarinos rusos en la Segunda Guerra Mundial, aplicaciones de ahora en todo tipo de operaciones, etc. Muy bien contado, nada pesado.

Neurociencia para Julia (Xurxo Mariño)

A cualquier persona que quiera leer sobre el funcionamiento del cerebro, le recomiendo el libro del divulgador Xurxo Mariño. Xurxo es un neurofisiólogo y divulgador español de gran prestigio en España, y el libro describe la evolución del cerebro, su funcionamiento, relaciones con las células, experimentos científicos curiosos, etc. Un buen regalo para estas Navidades.

El sastre de Panamá (John le Carré)

 De nuevo elegí este libro por mi afición a las historias bélicas y novelas de espías. Pero me volvió a decepcionar un poco el libro. Debo de tener unos gustos atípicos. La obra fue llevada al cine en 2001 y es una obra muy conocida, así que dejo al lector que la descubra por sí mismo si le apetece.

Ronin (Francisco Narla)

Es un libro basada en la era samurái, una época fascinante de Japón para mucha gente. Francisco Narla es un piloto que además escribe buenos libros, y en esta novela cuenta un pasaje de la hstoria bastante desconocido: el paso de los samuráis con el imperio español en un momento de la historia.

Chaos (James Gleick)

Es un libro bastante científico. Describe la manera en la que se entendía el caos a lo largo de la ciencia, cómo se afrontó y cómo evolucionó la opinión de los científicos sobre él. Es un libro un poco árido, pero recomendable.

La ética del hacker (Pekka Himanen)

Es uno de los libros más amenos de este año. El autor describe la influencia del modo de pensar hacker en la sociedad. Es un libro que viene muy a cuento de las ideas que se oyen hoy en día (empoderamiento ciudanano). Pero una cosa que me gustó fue la descripción de la autoridad a partir de la religión. No es un libro de informática, sino que habla del espíritu hacker. No explico más, que voy a terminar estropeando el libro.

Yo, robot (Isaac Asimov)
Un libro clásico. Plantea a través de relatos muy cortos algunos problemas de obediencia de los robots a partir de las 3 leyes clásicas que presentó Asimov. Se lee en tres patadas, pero es un buen libro para releerlo. Es de Asimov.


Eurekas y Euforias (Walter Gratzel)
Libro con centenares de historias sobre curiosidades, anécdotas, experimentos y descubrimientos de científicos a lo largo de la historia. Toca el campo de la química, física, matemáticas, biología... Un libro que se puede abrir en cualquier página y que os enseñará mucho.


American Gods (Neil Gaiman)
Es un libro que me recomendó @InerciaCreativa. Nunca había leído nada sobre este autor, conocido por sus obras de SciFi. El libro es un poco lento en algunos momentos, y se hace un pelín largo, pero el final de la historia me impresionó. Un buen libro del género.


Humans Need not Apply (Jerry Kaplan)

Es un libro escrito por un profesor universitario en ciencia computacional y un emprendedor tecnológico con amplia experiencia. Habla de la influencia que puede tener la inteligencia artificial en la sociedad, en el trabajo, o en nuestras vidas. Da algunos ejemplos sobre la inteligencia artificial que ya hay en nuestras vidas y sobre todo, apoya sus datos en estudios económicos. Hay algunas cosas con las que no estuve de acuerdo, pero es un libro ligero sobre el tema. Un libro que profundiza un poco más en el tema y que estoy leyendo en estos momentos es The Rise of the Robots .

Mediohombre (Alberto Vázquez)

Es un  libro que me ha encantado. Relata como mi paisaino Blas de Lezo llevó a cabo una de las defensas militares más famosas de la historia: la defensa de Cartagena de Indias frente a los ingleses. Los británicos eran muy superiores en número y medios a los españoles, pero gracias a la estrategia y a otros factores, los españoles resistieron. Un libro muy bien contado. Otros hombres de mar muy famosos de mi tierra fueron Urdaneta o Elcano.

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