El horizonte del control y la robótica. Interfaz cerebro-computador by ciencia2aula

El horizonte del control y la robótica. Interfaz cerebro-computador. Documento para el alumno De la ciencia al aula:

Fomento de las vocaciones científicas y de la innovación entre jóvenes estudiantes a través del aprendizaje basado en proyectos de investigación

Documento profesor r

Autores: Jorge Pastor María Dolores Peláez Javier Martínez Pilar Pastor Sonia Val Gonzalo Robles Autoría y edición de los recursos audiovisuales: Raquel Gil Colaboradores: BitBrain Technologies (http://bitbrain.es) Instituto Pirenaico de Ecología (www.ipe.csic.es) El presente libro está formado por dos partes: -‐ Documento para el alumno. -‐ Documento para el profesor. Al libro le acompaña un DVD de recursos didácticos que contiene: -‐ Videos del proyecto. -‐ Anexos de contenidos teóricos. -‐ Anexos de actividades y soluciones. -‐ Programación general del curso. Edita: Centro Universitario de la Defensa Ctra. de Huesca s/n. 50090, Zaragoza. Impreso en España Printed in Spain ISBN: 978-‐84-‐940583-‐4-‐9 Depósito Legal: Z 1888-‐2013

Dime y lo olvidaré, enséñame y lo recordaré, involúcrame y lo aprenderé.

Benjamin Franklin

¿Sabes que mover una máquina sólo con la mente ya no pertenece a la ciencia ficción?, existe una empresa ‘spin-‐off’ de la Universidad de Zaragoza que está desarrollando esta tecnología con éxito. En esta unidad didáctica nos basaremos en sus proyectos para abordar los contenidos de control y robótica. Por cierto, ¿sabes qué es una empresa ‘spin-‐off’?, aprovecharemos para conocer la estructura de investigación en nuestra comunidad, en España y en Europa.

¿Qué recursos encontrarás en esta unidad didáctica?:

Guía didáctica para el Alumno Guía didáctica para el Profesor Materiales para el estudio de los contenidos de control y robótica que marca el Currículo de Aragón

Selección de materiales educativos en línea.Actividades de autoevaluación Actividades de invesigación

Video-‐entrevistas con Javier Minguez, fundador de la 'spin-‐off' Bit Brain

Proyectos de control de robots a través de la interface cerebro-‐computador

Trabajo cooperativoen linea con tus compañeros y con otros Institutos Trabajo cooperativo entre profesores: eules.unizar.es Redes sociales: facebook, twitter, canal Youtube, Picasa

DIifusión de experiencias reales: www.ipe.csic.es http://bitbrain.es

Web del proyecto http://auladelaciencia.es Twitter: @ciencia2aula

English activities

Tecnología y sociedad Canal de noticias relacionadas con el tema Estructura de investigación local, nacional e intrnacional

Proyectos con simuladores Canal YouTube

Animaciones ilustrativas sobre los contenidos Webquest de robótica y control

Índice 7

EL PROYECTO “De la Ciencia al Aula” 1. INTRODUCCIÓN

2. CONTROL Y ROBÓTICA 2.1. Sistemas de control

14 15

2.2. Sensores

2.3. Acondicionamiento de señal y actuadores

2.4. Controladores

2.5. Sistemas automáticos y robots

2.6. English activity

3. TECNOLOGÍA, SOCIEDAD E INVESTIGACIÓN 3.1. El consejo superior de Investigaciones científicas 3.2. Organismos de investigación en España e Instalaciones Científicas y Técnicas Singulares

3.3. La Fundación Española para la Ciencia y Tecnología

3.4. El sistema de invetigación, desarrollo tecnológico e innovación I+D+i

3.5. Fundación Europea de la Ciencia

3.6. Programa MARCO

3.7. El Espacio Europeo de Investigación

3.8. La ciencia y la tecnología en el mundo actual

4. EVALUACIÓN

28 32

EL PROYECTO “De la Ciencia al Aula” “De la ciencia al aula” es un proyecto para el fomento de vocaciones científicas y de la cultura de innovación dirigido especialmente a los jóvenes estudiantes de Enseñanza Secundaria Obligatoria (ESO). En él se desarrolla un proyecto docente, y los recursos educativos necesarios, con el que abordar los contenidos de la materia de Tecnologías de 4º de la ESO basándose en resultados obtenidos a través de proyectos de investigación desarrollados recientemente por diferentes organismos, grupos de investigación o empresas cercanas a vosotros. El proyecto pretende, también, que conozcáis la estructura de investigación, innovación y desarrollo a través de estos proyectos que han sido desarrollados por investigadores cercanos a vosotros. Mediante este proyecto se pone a disposición tanto de alumnos como de profesores materiales, recursos, guías docentes, etc., con los que impartir y estudiar bloques de contenidos que marca el currículo de Aragón para la materia de tecnologías en 4º de la ESO: •

Bloque 1. Instalaciones en viviendas

•

Bloque 2. Electrónica

•

Bloque 3. Tecnologías de la información y de la comunicación

•

Bloque 4. Control y robótica

•

Bloque 5. Neumática e hidráulica

•

Bloque 6. Tecnología y sociedad

Los recursos generados en el proyecto son abiertos y de libre acceso desde internet y constan de video-‐entrevistas con los investigadores del proyecto, simulaciones, materiales de aula y de estudio, material para el profesor, recursos educativos digitales, etc.

1. INTRODUCCIÓN ¿Sabías

que

mover

una

máquina sólo con la mente ya no pertenece a la ciencia ficción?. La empresa ‘spin-‐off’ BitBrain ha convertido en una realidad el control de una silla de ruedas y un robot a través de una interface cerebro-‐computador. Estos proyectos de BitBrain, son pioneros en el campo de la robótica y especialmente en lo que respecta a la interface cerebro-‐computador, situando a Aragón en la vanguardia de la investigación internacional. La robótica ha evolucionado mucho en las últimas décadas, y la importancia de conocer cómo funcionan los sistemas de control nos ha llevado a utilizar el proyecto de BitBrain en esta unidad didáctica, para, así, facilitar la comprensión de los conceptos y ejemplificar los contenidos desarrollados en la unidad de Control y robótica. En esta unidad didáctica, además, se pretende dar una visión global del mundo de la investigación. La ciencia y la tecnología, desde el punto de vista europeo, está formada por multitud de espacios y programas que financian proyectos desde los distintos países de la unión. En la parte de tecnología y sociedad de esta unidad, además del proyecto de investigación del glaciar de Monteperdido, trataremos los siguientes temas: • • • • •

La ciencia y la tecnología a través de la historia: breve panorama. Ciencia y tecnología en el mundo actual: Europa y España en el contexto internacional. Espacio Europeo de Investigación: qué es, cómo funciona, con qué instrumentos cuenta. Programa Marco de la Unión Europea: qué es, objetivos, programas específicos, ejemplos de proyectos financiados por el 7ª Programa Marco, horizonte 2020, etc. Fundación Europea de la Ciencia: cuál es su importancia y su misión. 8

•

• • •

•

El sistema de investigación, desarrollo tecnológico e innovación (I+D+i) en España: qué es un sistema de investigación, cuáles son sus agentes en España, qué agentes se ubican en Aragón, qué investigación realizan los diversos agentes. Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología: sus objetivos y actividades. Organismos Públicos de Investigación en España: cuáles son, dónde se ubican, en qué áreas del conocimiento se especializan. El Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC): objetivos, áreas científico técnicas, centros de investigación, centros en Aragón, ejemplos de proyectos en las diferentes áreas científicas. El Instituto Pirenaico de Ecología (IPE): su misión, cuáles son sus líneas de investigación, cómo las desarrollan, proyectos vigentes, cómo se financian, perfil de sus investigadores. Detalle de algunos de sus proyectos.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

BitBrain Technologies

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

BitBrain es una empresa spin-‐off que surgió a raíz de una línea de investigación desarrollada en la Universidad de Zaragoza. Básicamente, lo que hacían era procesar señales cerebrales para usarlas en un entorno de control de robots. De este modo, se construyó el segundo prototipo del mundo de silla de ruedas controlada con la mente y el primer prototipo del mundo de un robot teleoperado con la mente. Como resultado de estas investigaciones se levantó un gran interés mediático y todo el mundo empezó a preguntar cuando iba a llegar a la sociedad esta tecnología. El primer problema es que el control de robots con la mente aún presenta muchos retos a superar; ya que, por ejemplo, para seleccionar un destino con la mente necesitaban casi 3 minutos. Así que se empezó a contemplar otras aplicaciones de esta tecnología y se vio que en el ámbito de la salud podía ser muy interesante. Dentro del campo médico, recuperar o sustituir funciones humanas motoras ha sido una de las áreas más fascinantes aunque frustrantes de investigación del último siglo. La posibilidad de interconectar el sistema nervioso humano con un sistema mecatrónico y usar este concepto para recuperar alguna función motora ha motivado enormemente a los científicos durante años. En los últimos años, los grandes avances producidos en la interacción cerebro-‐computador y en la robótica han hecho posible utilizar la actividad cerebral en línea para el control de dispositivos robóticos con un objetivo de recuperación o sustitución motora.

BitBrain ha cosechado numerosos reconocimientos tanto de ámbito regional, nacional e internacional. Alguno de los más recientes son el Premio Iberoaméricano a la Innovación y al Emprendimiento 2013, el Premio Sociedad de la Información Aragón 2013 Empresa Junior o el Premio Emprendedores 2012.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

Esquema de la unidad Los contenidos de la unidad didáctica se han dividido en dos bloques: uno que estudia los temas de Control y robótica, y otro que trata la relación entre tecnología sociedad e investigación. Cada uno de estos bloques contiene los siguientes apartados: • •

Control y robótica: sistemas de control, sensores, acondicionamiento de la señal, actuadores, sistemas automáticos y robots. Tecnología, sociedad e investigación: La ciencia y la tecnología a través de la historia, ciencia y tecnología en el mundo actual, espacio europeo de Investigación, programa marco de la Unión Europea, fundaciones y organismos de investigación en Europa, el Instituto Pirenaico de Ecología (IPE).

Después de la introducción de la unidad, cada uno de los apartados de contenidos sigue el mismo esquema: •

En primer lugar tienes que estudiar los conceptos básicos necesarios para, así, poder realizar las siguientes actividades del apartado.

•

Después del estudio de los conceptos básicos, proponemos una actividad de autoevaluación que te permitirá saber si los has comprendido. Si no has alcanzado la mínima puntuación que haya indicado el profesor, deberás repasar y preguntar al profesor antes de proseguir con las actividades diseñadas.

•

Una vez comprendidos los conceptos básicos, cada apartado consta de varias actividades que, o bien están relacionadas con el proyecto de BitBrain Technologies, donde se muestran una parte del proyecto que conecta directamente con los contenidos vistos, o son ejemplos prácticos relacionados con los conocimientos adquiridos.

•

Al final de algunos apartados, se propone una actividad de investigación y una puesta en común con el resto de la clase sobre los resultados de dicha investigación. Y, en todos ellos, existe un recurso denominado @ para saber más @ en el que se ha seleccionado interesante información “online”, que te permitirá resolver las actividades propuestas y ampliar conocimientos.

•

Sin necesidad de utilizar código se proponen dos actividades, con el programa freeware MSWLogo, para facilitar la comprensión de cómo funcionan este tipo de sistemas automáticos.

•

También se propone una actividad en inglés para que practiques la lectura y comprensión de textos redactados en esta lengua, ya que muchos de los documentos técnicos así como la programación con la que se trabaja actualmente están en inglés.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

Para empezar a conocer en qué consiste el proyecto de BitBrain Technologies, puedes visualizar el vídeo del Anexo I. Y si quieres ampliar la información, también puedes ver los videos del recurso @ para saber más @ [1] . @ Para saber más @: 1.

Entrevista a Javier Mínguez: Videos del Anexo I: Parte 1: https://www.youtube.com/watch?v=dqKlfVY6c-‐M Parte 2: https://www.youtube.com/watch?v=UD_vRlWMPIY Otros videos @ para saber más @ sobre BitBrain: http://www.youtube.com/watch?v=HU65uYhtI6g#t=12 http://www.youtube.com/watch?v=NgZBJa7wuBc#t=27

2. CONTROL Y ROBÓTICA En cursos anteriores, has visto algunos de los componentes que forman los autómatas, por ello, te proponemos realizar un test de evaluación para conocer qué es lo que recuerdas de este tema. Para esto tienes que realizar el test del Anexo II. Los robots se han desarrollado y fabricado a lo largo de la historia para realizar acciones que un humano puede realizar, pero de forma más rápida, eficiente y 24 horas al día. En esta unidad se van a desarrollar los componentes que forman los sistemas robóticos y su control, así como los ejemplos de proyectos liderados por la empresa BitBrain que te ayudarán a entender mejor los contenidos mínimos.

Imagen: Universidad de Zaragoza. www.unizar.es

Ahora, como introducción a la unidad didáctica de control y robótica lee los contenidos del Anexo III. Para ampliar la información puedes activar el recurso @ para saber más @ [2].

2.1. Sistemas de control Un sistema de control es un conjunto de elementos que, interconectados, permiten automatizar una máquina o un proceso. Todos los sistemas de control tienen estructuras similares, y en el caso del proyecto de la silla de ruedas robotizada la composición del sistema es de un interfaz, que une el cerebro con el ordenador, un sistema de comunicaciones y un controlador, que es el sistema diseñado para interpretar y ejecutar todas las instrucciones que se obtienen de la actividad cerebral.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

ACTIVIDAD 1.

Existen varios tipos de sistemas de control que dependen de la función que vayan a realizar. Para aprender a distinguirlos y saber que elementos los componen, debes estudiar los contenidos mínimos del Anexo IV.

Los conceptos principales que debes conocer son: •

Sistemas de control, estructura, sensores, controlador, actuador, tipos de sistemas, entrada, salida, control en lazo abierto, realimentación, control en lazo cerrado, sistemas discretos.

Para ampliar tus conocimientos, se proponen varios contenidos web que puedes consultar en el recurso @ para saber más @ [3 ,4 ,5].

ACTIVIDAD 2.

Realiza la actividad de evaluación y refuerzo de conceptos básicos del Anexo V.

ACTIVIDAD 3.

En esta actividad te proponemos un ejercicio en el que debes justificar qué aparatos tienen un sistema en lazo abierto o en lazo cerrado. Realízala en el Anexo VI.

ACTIVIDAD 4.

Actividad de investigación (Anexo VII): La singularidad de la silla de ruedas que se ha descrito en esta unidad, es que utiliza únicamente la actividad cerebral para generar órdenes e incorpora una inteligencia robótica que permite dotar de gran autonomía y robustez a la navegación. Lee el anexo que te proponemos y responde a la pregunta formulada. Si quieres ampliar conocimientos activa los recursos de @ para saber más @ [6, 7].

@ Para saber más @: 2.

Robot educativo: LEGO MINDSTORMS: http://mindstorms.lego.com/en-‐us/

Sistemas de control: EDUCAREX: http://contenidos.educarex.es/med/2005/15/control/pagina2.htm

Webquest: Sistemas automáticos de control: https://sites.google.com/site/controlyroboticabloque1/

Sistemas automáticos: RICARDO PRIETO: http://ricardoprieto.es/mediapool/61/615322/data/ITII_FILES/SISTEMAS_AUTOMATICOS_DE_CO NTROL_1_.pdf

Neurotecnología. BITBRAIN: http://my-‐brainup.es/neurotecnologia

Sistemas de control. UNIVERSIDAD DE VALLADOLID: http://www.isa.cie.uva.es/~felipe/docencia/ra12itielec/tema1_trasp.pdf

2.2. Sensores Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas, que posteriormente serán enviadas a la unidad de control. En el proyecto BitBrain los datos son obtenidos por el sensor de proximetría láser y por los electrodos del casco que registran la actividad bioeléctrica cerebral. Sin ellos, no se podría llevar a cabo la obtención de la información necesaria para realizar las operaciones que luego se llevarán a cabo en la unidad de control y procesamiento.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

ACTIVIDAD 5.

Estudiar los contenidos mínimos sobre sensores en el Anexo VIII.

Los conceptos principales que debes conocer son: •

Qué son los sensores, tipos de sensores, características, sensores de posición, sensores de temperatura, sensores de fuerza y presión y otros sensores.

Tras esta actividad, para ampliar tus conocimientos sobre sensores, te proponemos varios contenidos Web que puedes consultar en el recurso @ para saber más @ [8, 9, 10, 11, 12, 13]. ACTIVIDAD 6.

Realiza la actividad de evaluación y refuerzo de conceptos básicos en el Anexo IX. Para responder correctamente a todas las preguntas formuladas puedes ayudarte del recurso @ para saber más @ [14].

ACTIVIDAD 7.

Actividad de investigación (Anexo X): BitBrain Technologies es una empresa spin off, ¿Sabes qué es?, ¿cómo se forma?, para responder a estas cuestiones y a las del Anexo, utiliza el recurso @ para saber más @ [15].

@ Para saber más @ 8.

Funcionamiento de sensores robóticos. X-‐ROBOTICS: http://www.x-‐robotics.com/

Pistola KT-‐6530. KIEBACK&PETER: http://www.temperclima.es/detalleNoticia.asp?codigoNoticia=167

10. Detector de obstáculos. SÚPER ROBÓTICA: http://www.superrobotica.com/S320132.htm 11. Sensor de proximidad magnético. DIRECTINDUSTRY: http://www.directindustry.es/prod/standex-‐meder-‐electronics/sensores-‐de-‐proximidad-‐magneticos-‐reed-‐planos-‐ 23046-‐880067.html 12. Interruptor final de carrera. ÁREA TECNOLOGÍA: http://www.areatecnologia.com/EJEMPLO%20FINAL%20DE%20CARRERA.htm 13. Sensores. RECURSOS TIC: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena11/index_4quincena11.htm 14. Cny70. VISHAY.COM: http://www.vishay.com/docs/83751/cny70.pdf 15. Spin off. UNIZAR.ES http://otri.unizar.es/area/spin/def.php

2.3. Acondicionamiento de señal y actuadores Cuando se hacen mediciones mediante sensores se obtienen informaciones que hay que convertir para que, después, se puedan procesar mediante programas informáticos. En el caso de la información obtenida de la actividad cerebral se utiliza un amplificador y un conversor analógica-‐ digital (AD) para poder digitalizarla. Este conversor AD transforma los resultados obtenidos del encefalograma en una señal binaria y, después, envía esa información al computador. El proyecto BitBrain dota al sistema de un procedimiento único de procesamiento de señal para la identificación, de forma individualizada, de los ritmos cognitivos de cada persona, ya que cada persona tiene una morfología cerebral distinta.

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Luego, para poder llevar a cabo las acciones del sistema, necesitamos actuadores que doten de movimiento a la estructura. En este apartado conocerás distintos dispositivos para el acondicionamiento de las señales, actuadores y diferentes sistemas que lleva la silla robotizada. ACTIVIDAD 8.

Estudiar los contenidos mínimos de acondicionadores de señal y actuadores en el Anexo XI. 19

Los conceptos principales que debes conocer son: •

Acondicionamiento de señal, elementos de protección, amplificadores y comparadores, amplificadores operacionales, filtros, convertidores de señal, actuadores, sistemas de accionamiento, de transmisión, reductor, de control, rango de actuación, control, control, precisión, temporización, actuadores eléctricos, hidráulicos y neumáticos.

Para ampliar tus conocimientos en este tema se proponen contenidos web que puedes consultar en @ para saber más @ [16,17]. ACTIVIDAD 9.

Realiza la actividad de evaluación y refuerzo de conceptos básicos en el Anexo XII.

ACTIVIDAD 10.

Actividad de investigación (Anexo XIII): ¿Cómo se aprende a utilizar todos estos componentes en robótica?, ¿sabes lo que es una célula de fabricación flexible?. Te proponemos una actividad de investigación en la que conocerás cómo los ingenieros que estudian en la Universidad de Zaragoza aprenden a utilizar sistemas automáticos utilizando esta célula. Ha sido desarrollada por el Departamento de Sistemas y Automática de dicha universidad. En esta actividad puedes ayudarte con el recurso @ para saber más @ [18].

@ Para saber más @: 16. Actuadores. TVTRONIC: http://www.tvtronica.com.ar/Actuadores.htm 17. Músculos neumáticos. ROBOTS ARGENTINA: http://robots-‐argentina.com.ar/Actuadores_musculosneumaticos.htm 18. Célula de fabricación flexible. UNIZAR: http://automata.cps.unizar.es/celula.html

2.4. Controladores El cerebro de cualquier máquina automática es el controlador. En él se realiza el procesamiento de datos y de él parten las ordenes que llevarán a cabo los actuadores. Este tipo de sistemas utiliza un software desarrollado especialmente para el tipo de instrucción a realizar. La denominada tecnología inteligente en la silla de ruedas robotizada ha sido íntegramente desarrollada por el equipo de BitBrain para adaptar las señales obtenidas y, así, poder transformar y emplear la información que llegan desde el amplificador conectado a los sensores.

ACTIVIDAD 11.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

Estudiar contenidos mínimos sobre los controladores en el Anexo XIV.

Los conceptos principales que debes conocer son: •

Procesador de datos, controlador, microprocesador, controladores específicos, controladores lógicos programables, control por ordenador, control secuencial, control analógico y digital, lenguajes de programación, hardware y software.

En esta actividad, para ampliar tus conocimientos sobre los controladores, se proponen varios contenidos web que puedes consultar en el recurso @ para saber más @ [19, 20, 21].

ACTIVIDAD 12.

Realiza la actividad de evaluación y refuerzo de conceptos básicos en el Anexo XV.

ACTIVIDAD 13.

Simulación de programación. Después de ver los tipos de lenguajes de programación que se utilizan hoy en día y cómo funcionan los sistemas, te proponemos una actividad de simulación de programación con el programa MSWLOGO. Vamos a simular el funcionamiento de un semáforo, para ello realiza esta actividad propuesta en el Anexo XVI. Si necesitas ayuda puedes consultar el recurso @ para saber más @ [22, 23].

ACTIVIDAD 14.

Actividad de investigación. En la industria, la robótica tiene un papel muy importante en el desarrollo de gran cantidad de productos. Decuna S.L. es una empresa española que ofrece servicios de automatismos y de robótica. En esta actividad te proponemos que investigues cómo funciona esta empresa y que ejemplifiques uno de sus proyectos incluyendo sus características. Realiza esta actividad siguiendo las indicaciones del Anexo XVII. Si quieres ampliar conocimientos y obtener más información, puedes activar el recurso @ para saber más @ [24].

ACTIVIDAD 15.

Para saber más sobre el proyecto de la silla de ruedas controlada por la mente, puedes ver el video del Anexo XVIII en el que se describe su funcionamiento.

Puedes ampliar la información al respecto en el apartado @ para saber más @ [25]. @ Para saber más @: 19. Control domótico. Obtenido de Mec: http://nogal.mentor.mec.es/~lbag0000/html/lacasadomus.htm 20. Circuitos con realimentación. Obtenido de Robots Argentina http://robots-‐argentina.com.ar/MotorCC_circuitosrealimentados.htm 21. Webquest. El ordenador como dispositivo de control: https://sites.google.com/site/controlyroboticabloque2/

22. Programa MSWLogo: RECURSOSTIC: http://recursostic.educacion.es/observatorio/web/images/upload/ob_innovacion/mswlogo65a _sp.zip 23. Ejercicios de programación. PORTALESO: http://www.portaleso.com/portaleso/trabajos/tecnologia/controlyrobo/simulador_mswlogo_b arrera.pdf 24. Robótica. DECUNA: http://www.decuna.com/es/tecnolog%C3%ADa/rob%C3%B3tica 25. Brain-‐controlled wheelchair. YOUTUBE: http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=77KsE-‐-‐Adp8

2.5. Sistemas automáticos y robots Los sistemas automáticos dependen de un software realizado a medida, es decir, necesitan programas específicos para realizar sus funciones. A diferencia de un sistema automático que realiza una función, un robot es una máquina capaz de llevar a cabo diversas tareas captando información del exterior y, además, reaccionando ante ella. A lo largo de la historia se han desarrollado miles de sistemas automáticos, y muchas veces, cuando se ha desarrollado uno nuevo se han descubierto cantidad de posibilidades de desarrollo de nuevas implementaciones, como el del control mental para mejorar la capacidad cerebral del ser humano.

Imagen cedida por BitBrain: http://bitbrain.es

ACTIVIDAD 16.

Estudiar los contenidos mínimos sobre sistemas automáticos y robots en el Anexo XIX.

Los conceptos principales que debes conocer son: Sistemas automáticos: adaptación al medio, tiempo de respuesta, incertidumbre, lógica difusa. Robots: capacidad de carga, grados de libertad y sistemas de coordenadas precisión. Aplicaciones robóticas: cronología y arquitectura de robots, empleo a nivel industrial. La robótica en la actualidad.

Para ampliar tus conocimientos sobre este tema utiliza el recurso @ para saber más @ [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33].

ACTIVIDAD 17.

Realiza la actividad de evaluación y refuerzo de conceptos básicos en el Anexo XX.

ACTIVIDAD 18.

Realiza la actividad de simulación con WINLOGO en el Anexo XXI. Si quieres ampliar conocimientos, activa el recurso @ para saber más @ [34, 35].

@ Para saber más @: 26. Introducción a la robótica. EROSKI CONSUMER: http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/hardware/2005/01/20/116179.php 27. Webquest: Historia de los robots: https://sites.google.com/site/controlyroboticabloque3/home 28. Honda Asimo. HONDA: http://asimo.honda.com/ 29. Catálogo de robots industriales. ROBOTICS: http://www.robotics.org/index.cfm 30. Webquest: Los robots: https://sites.google.com/site/controlyroboticabloque4/ 31. Robótica aplicada a la medicina. UPC: http://www-‐assig.fib.upc.es/~rob/protegit/treballs/Q2_03-‐04/aplic_medicas/index.html 32. Robot araña, exploración submarina. TUEXPERTO.COM: http://www.tuexperto.com/2009/06/11/robot-‐arana-‐para-‐la-‐exploracion-‐submarina-‐al-‐estilo-‐matrix/ 33. Robot Curiosity. NASA: http://www.nasa.gov/mission_pages/msl/index.html 34. MSWLogo: Obtenido de Recursos Tic: http://recursostic.educacion.es/observatorio/web/images/upload/ob_innovacion/mswlogo65a_sp.zip 35. Ejercicio con MSWLogo. Obtenido de Portal Eso: http://www.portaleso.com/

2.6. English activity The world of robotics advances day by day. The world's most innovative companies take new products and improve the daily lives of thousands of people worldwide with their machines. In this reading, we teach you the 10 best companies in the world of robotics. ACTIVIDAD 19.

Discussion and English reading activity in the Annexº XXII.

Image courtesy of Decuna S.L.: www.decuna.com

You can check this site to enlarge your knowledge @ to learn more @ [36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].

@ to learn more @: 36. The world’s top 10 companies. FAST COMPANY: http://www.fastcompany.com/most-‐innovative-‐companies/2013/industry/robotics 37. iRobot. IROBOT CORPORATION: http://www.irobot.com/us/ 38. Throwbot XT. RECON ROBOTICS. http://www.reconrobotics.com/ 39. Información sobre Google. FAST COMPANY: http://www.fastcompany.com/company/google 40. Brain surgeons. MAZOR ROBOTICS: http://www.mazorrobotics.com/ 41. Robot spacecraft. SPACE X: http://www.spacex.com/ 42. K-‐ max. LOCKHEEDMARTIN: http://www.lockheedmartin.com/ 43. Momo robot. PF-‐Kraftwerker: http://www.pv-‐kraftwerker.com/en 44. Humanoid robots. BOSTON DYNAMICS: http://www.bostondynamics.com/ 45. Brain Computer Interfaces. BCI Unizar: http://i3a.unizar.es/en/content/brain-‐computer-‐interfaces-‐bci 46. Javier MInguez. BCI Unizar: http://webdiis.unizar.es/~jminguez/

3. TECNOLOGÍA, SOCIEDAD E INVESTIGACIÓN

www.aragoninvestiga.org

El mundo de la investigación ha hecho posible el desarrollo y el montaje de los sistemas automáticos que componen los robots, como los que hemos visto anteriormente. Las investigaciones llevadas a cabo permiten mejorar nuestra calidad de vida y especialmente la vida de personas con alguna dificultad motora, como en el caso de los proyectos de la ‘spin-‐off’ BitBrain que hemos visto anteriormente. En los proyectos que hemos analizado en esta unidad, uno de los aspectos que más llaman la atención son los sensores biométricos como los electrodos del casco que registran la actividad bioeléctrica cerebral permitiendo realizar el control de la silla a través del pensamiento. Los sensores biométricos son especialmente llamativos porque permiten obtener información de seres vivos, pero la silla de ruedas incorpora otros muchos elementos de captación de información, como los sensores de proximidad láser entre otros. El modo en el que se capta la información siempre es fundamental en cualquier proyecto de investigación, por eso hemos dedicado un apartado específico a estudiar los sensores. Esta misma tecnología láser se utiliza en numerosas aplicaciones que permite medir la distancia entre un punto y una superficie determinada a corta, media y grandes distancias. Además, existen aplicaciones en las que se miden miles de puntos por segundo, lo cual permite obtener representaciones tridimensionales de las superficies que se están midiendo.

Algunos de los sistemas que utilizan esta tecnología son los láseres radar, los escáneres láser o los denominados “laser tracker” que permiten hacer seguimiento de objetos en movimiento. Esta tecnología tiene numerosas aplicaciones en muy diversas áreas como en topografía, metrología, ingeniería inversa, seguridad, etc. Puedes analizar las aplicaciones en las que se utilizan activando el recurso @ para saber más @ [47] donde verás distintos tipos de sistemas láser para realizar mediciones, sus aplicaciones y resulta muy interesante analizar sus características como el rango de distancia de medición, los puntos capturados por segundo, la precisión, etc.

Imagen de láser escáner: Rieglusa.com

Una aplicación topográfica muy interesante donde se utiliza un láser escáner para realizar mediciones a grandes distancias, la llevan a cabo investigadores del Instituto Pirenaico de Ecología (IPE). En este proyecto los investigadores realizan mediciones del glaciar de Monte Perdido con el objeto de realizar representaciones tridimensionales del glaciar lo que les permite hacer un balance de masa glaciar y analizar su evolución.

Imagen cedida por el IPE: www.ipe.csic.es

El glaciar de Monte Perdido representa uno de los ejemplos más espectaculares del glaciarismo pirenaico actual, y se guarda información visual de él desde el siglo XIX a través de fotografías, que sirven para analizar su retroceso. En la actualidad, la realización periódica de escaneos 3D proporciona a los científicos del IPE mucha más información y de mayor precisión que la observación tradicional y la fotografía, lo cual les permite mejor capacidad de análisis.

Imagen cedida por el IPE: www.ipe.csic.es

Como hemos visto anteriormente, el proyecto de escaneo del glaciar de Monte Perdido lo llevan a cabo investigadores del Instituto Pirenaico de Ecología. El IPE es un centro de investigación integrado en el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), dentro del Área de Recursos Naturales. Cuenta con dos sedes, una en Zaragoza y otra en Jaca, cuyo edificio situado en la Avda de Nuestra Señora de la Victoria, se inauguró en el año 2012. Su misión principal es contribuir a la comprensión del funcionamiento y la estructura de los sistemas terrestres y los organismos que allí habitan. Además, investigan los cambios que ocurren en estos sistemas como consecuencia del Cambio Global, incluyendo la variabilidad climática y las actividades humanas. Y proporcionan las bases científicas para su conservación y gestión.

Imagen cedida por el IPE: www.ipe.csic.es

Enmarcado en estos objetivos de análisis de la variabilidad climática y las consecuencias del Cambio Global, se encuentra el estudio de la evolución de la masa del glaciar de Monte Perdido.

ACTIVIDAD 20.

Actividad de investigación. Para conocer mas información sobre este proyecto y sobre el centro de investigación que lo realiza, lee el Anexo XXIII y realiza la actividad de investigación correspondiente. 31

Imagen cedida por el IPE: www.ipe.csic.es

Para conocer más sobre el Instituto Pirenaico de Ecología, sus proyectos de investigación, y la gran labor que realizan para la conservación del medio ambiente, activa el recurso @ para saber más @ [48, 49]. 3.1. El consejo superior de Investigaciones científicas

www.csic.es

Como hemos visto anteriormente, el IPE forma parte de la Agencia Estatal de Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) que es la mayor institución pública dedicada a la investigación en España y la tercera de Europa. Desarrolla y promueve investigaciones en beneficio del proceso científico y tecnológico.

ACTIVIDAD 21.

Actividad de investigación. Realiza una lectura sobre cómo funciona y qué centros lo componen en el Anexo XXIV.

Para ampliar la información sobre esta institución puedes activar los recursos @ para saber más @ [50,51, 52]. 3.2. Organismos de investigación en España e Instalaciones Científicas y Técnicas Singulares Los Organismos Públicos de Investigación (OPI) son instituciones de investigación de carácter público y de ámbito nacional que, junto con las universidades, forman el núcleo básico del sistema público de investigación científica y desarrollo tecnológico español. Las instituciones de investigación tienen a su disposición numerosos recursos e instalaciones para llevar a cabo las investigaciones. Por su particularidad e importancia entre estos recursos caben destacar las Instalaciones Científicas y Técnicas Singulares (ICTS).

Imagen del laboratorio subterraneo de Canfranc. www.lsc-‐canfranc.es

En el marco de la iniciativa Ingenio 2010, el Ministerio de Ciencia e Innovación elaboró en colaboración con las Comunidades Autónomas un Mapa Estratégico de ICTS y contempla la construcción de 24 nuevas instalaciones singulares científico-‐tecnológicas durante los próximos años, distribuidas por todo el territorio nacional, y la mejora de la capacidad y disponibilidad de las infraestructuras existentes. En Aragón se encuentran tres Instalaciones catalogadas como ICTS: •

Laboratorio subterráneo de Canfranc

•

Laboratorio de microscopía avanzada

•

Nodo de la red española de supercomputación

ACTIVIDAD 22.

Actividad de investigación. Realiza una lectura sobre las OPI y los ICTS, indica cuando fueron catalogadas como tal y busca cuales hay en tu comunidad, y realiza una descripción de ellas, (Anexo XXV).

Para ampliar la información sobre esta institución puedes activar los recursos @ para saber más @ [53, 54, 55]. 3.3. La Fundación Española para la Ciencia y Tecnología La Fundación Española para la Ciencia y Tecnología (FECYT) es una fundación pública dependiente del Ministerio de Economía y Competitividad cuya misión es impulsar la ciencia, la tecnología e innovación, promoviendo su integración y acercamiento a la Sociedad, dando respuesta a las necesidades del Sistema Español de Ciencia, Tecnología y Empresa (SECTE). Gracias a la FECyT, proyectos como el “De la ciencia al aula” han podido llevarse a cabo debido a su financiación, dado que uno de los principales objetivos de esta fundación es la promoción de la cultura científica entre la sociedad.

www.fecyt.es

ACTIVIDAD 23.

Estudia cuales son los fines y principios generales de la FECyT en el Anexo XXVI.

Puedes ampliar la información en el recurso @ para saber más @ [53]. 3.4. El sistema de investigación, desarrollo tecnológico e innovación I+D+i ¿Qué retos tienen los proyectos de investigación?, ¿cómo se produce ese desarrollo tecnológico? El Plan estatal de investigación intenta orientar y estructurar los principales retos de la investigación, pero siempre deja margen a la iniciativa de los investigadores a través de convocatorias de investigación no orientada, puesto que la libertad de investigación debe ser siempre garantizada. El Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación intenta fortalecer el Sistema Español de Ciencia, Tecnología e Innovación mediante el diseño de actuaciones dirigidas a incrementar la excelencia y el liderazgo científico y tecnológico; impulsar el liderazgo empresarial, fomentar el talento definiendo mecanismos que faciliten la adecuada inserción del mismo; y orientar las actividades de I+D+i hacia los retos de la sociedad como ámbitos en los que a través de la materialización de las ideas en la producción de bienes y servicios promuevan la generación de ventajas competitivas. ACTIVIDAD 24.

Lee el Anexo XXVII para conocer las principales áreas de trabajo del plan estatal.

Para obtener mayor información activa el recurso @ para saber más @ [59].

3.5. Fundación Europea de la Ciencia Los países de la UE están interconectados y coordinados en su estrategia de investigación con el objetivo de encontrar sinergias entre los distintos países. El programa principal de investigación Europeo se conoce como programa Marco, pero existen otras formas de interconexión europea como la Fundación Europea de la Ciencia (ESF) que es una asociación no gubernamental de organismos financiadores que potencian la investigación en Europa. Esta fundación coordina 79 organizaciones. ACTIVIDAD 25.

Para comprender el funcionamiento de la ESFo lee el texto del Anexo XXVIII.

ACTIVIDAD 26.

Actividad de investigación. Amplía la información sobre los proyectos y los premios de la ESF mediante esta actividad de investigación del Anexo XXIX.

Puedes ampliar la información sobre la ESF activando el recurso @ para saber más @ [60]. 3.6. Programa MARCO El plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación descrito anteriormente, está coordinado con el programa de investigación Europeo, conocido como “Programa Marco”. En la actualidad está en curso el octavo programa marco conocido como Horizonte 2020 puesto que su vigencia corresponde a los años 2014-‐2020. El diseño del programa Horizonte 2020 se ha aprovechado en España para hacerlo coincidir con la elaboración del Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación, teniendo lugar a la vez la reflexión sobre las prioridades de investigación a escala europea y española.

www.eshorizonte2020.es

Este programa es la manifestación más palpable del interés de la política europea por la investigación e innovación y trata de: •

Garantizar que los avances tecnológicos se traduzcan en productos viables con auténtico potencial comercial, al asociar a los sectores público y privado.

•

Intensificar la cooperación internacional en materia de investigación e innovación, al estimular la participación de organizaciones y países no miembros de la UE.

•

Seguir desarrollando el Espacio Europeo de Investigación.

Entre sus principales objetivos intenta consolidar la posición de la UE en cuanto a ciencia, consolidar el liderazgo industrial en innovación y abordar las cuestiones que más preocupan, como el cambio climático, el transporte sostenible, las energías renovables, la seguridad alimentaria o el envejecimiento de la población. ACTIVIDAD 27.

Lee el Anexo XXX para aprender sobre los Programas Marco de la Unión Europea. 37

ACTIVIDAD 28.

Actividad de investigación. Hasta la fecha ha habido siete programas Marco de investigación Europea, el denominado “Horizonte 2020” es el octavo programa. A través de estos programas se han desarrollado y financiado multitud de proyectos de investigación. Investiga sobre algunos de los proyectos financiados con programas europeos a lo largo de sus siete ediciones. (Anexo XXXI).

Para ampliar tus conocimientos en el recurso @ para saber más @ [61] 3.7. El Espacio Europeo de Investigación El Espacio Europeo de Investigación (EEI) se ideó con el propósito de aumentar la coherencia y el impacto de la investigación europea. En su documento fundacional titulado “Hacia un Espacio Europeo de Investigación” se citan varios de los retos concretos que se quieren superar. Entre ellos se incluye una mejor utilización de las instalaciones y los recursos científicos europeos, una mayor participación de la inversión privada en I+D y un aumento de los recursos humanos y de la movilidad de los investigadores, así como la creación de unas condiciones más propicias para un espacio de investigación de “valores compartidos”. En el centro de sus metas se encuentra el deseo del EEI de agrupar los recursos y los conocimientos dispersos, de manera que se puedan emprender proyectos importantes y beneficiosos para todos. A través de la mejora de los intercambios y la coordinación de la información, se podrán reducir los trámites burocráticos e incrementar así la eficacia en el proceso administrativo. ACTIVIDAD 29.

Aprende más sobre el EEI leyendo el Anexo XXXII.

ACTIVIDAD 30.

Debate en el aula. ¿Crees que es importante la investigación y su financiación?. Lee el Anexo XXXIII y sigue las instrucciones del profesor para realizar el debate la importancia de la investigación.

Para saber más sobre el EEI activa el recurso @ para saber más @ [62].

3.8. La ciencia y la tecnología en el mundo actual Según lo visto en esta unidad didáctica podemos concluir que la ciencia y la tecnología en España se entienden como el conjunto de políticas, planes y programas llevados a cabo por el Ministerio de Educación y Ciencia y otros organismos orientadas a la investigación, desarrollo e innovación (I+D+i), así como las infraestructuras e instalaciones científicas y tecnológicas españolas, que en general están coordinadas con otros organismos internacionales y especialmente europeos. En esta parte final del apartado “tecnología y sociedad”, te mostramos algunas de las tecnologías que, posiblemente, cambiarán el futuro del mundo.

Imagen: Ministerio de ciencia e innovación: www.idi.mineco.gob.es

ACTIVIDAD 31.

Lee el Anexo XXXIV.

ACTIVIDAD 32.

Actividad de investigación. Después de leer cuáles son las tecnologías que cambiarán el mundo, ¿podrías ejemplificar al menos 5 de ellas con objetos o propósitos de investigación?. (Anexo XXXV).

Para conocer más sobre las nuevas tecnologías del siglo XXI que, posiblemente, cambiarán el mundo, activa el recurso @ para saber más @ [63]. @ Para saber más @: 47. Fabricantes láser escáner. DIRECT INDUSTRY: http://www.directindustry.es/fabricante-‐industrial/escaner-‐laser-‐75557.html 48. Instituto pirenaico de tecnología.IPE: http://www.ipe.csic.es/presentacion-‐general 49. Proyectos vigentes del IPE. IPE: http://www.ipe.csic.es/proyectosvigentes 50.

Ministerio de economía y competitividad. GOBIERNO DE ESPAÑA: http://www.idi.mineco.gob.es/portal/site/MICINN/

51. Áreas científicas del CSIC. CSIC: http://www.csic.es/web/guest/areas-‐cientificas 52. CSIC en Aragón. CSIC: http://www.csic.es/web/guest/home;jsessionid=BC2778B2B84DCB36EA03A2C83802520B 53. Objetivos de la FECYT. FECYT: http://www.fecyt.es/fecyt/seleccionarMenu1.do?strRutaNivel1=;la32fundaci243n&tc=gobierno_consejos 54. Ministerio de Economía. Organismos públicos de investigación: http://www.idi.mineco.gob.es/portal/site/MICINN/menuitem.7eeac5cd345b4f34f09dfd1001432ea0/?vgnextoid=a6cbc1 8d48530210VgnVCM1000001034e20aRCRD 55. Ministerio de Economía. Instalaciones Científicas Singulares: http://www.idi.mineco.gob.es/portal/site/MICINN/menuitem.6f2062042f6a5bc43b3f6810d14041a0/?vgnextoid=39eced d435c25210VgnVCM1000001d04140aRCRD 56. Laboratorio subterraneo de canfranc: http://www.lsc-‐canfranc.es/es/

57. Laboratorio de miscroscoía avanzada http://ina.unizar.es/lma/ 58. Nodo de la red española de supercomputación BIFI: http://bifi.es/es/ 59. Plan estatal de investigación científica. GOBIERNO DE ESPAÑA: http://www.idi.mineco.gob.es/portal/site/MICINN/menuitem.7eeac5cd345b4f34f09dfd1001432ea0/?vgnextoid=83b192 b9036c2210VgnVCM1000001d04140aRCRD 60. Fundación europea de la ciencia. GOBIERNO DE ESPAÑA: http://www.idi.mineco.gob.es/portal/site/MICINN/menuitem.8ce192e94ba842bea3bc811001432ea0/?vgnextoid=84693 b3dddb51210VgnVCM1000001034e20aRCRD 61. Programa Marco. UNION EUROPEA: http://europa.eu/pol/rd/index_es.htm 62. Espacio europeo de la investigación. UNION EUROPEA: http://ec.europa.eu/research/leaflets/enlargement/index_es.html 63. Las 10 tecnologías que cambiarán el mundo. EURORESIDENTES: http://www.euroresidentes.com/futuro/avances_previsibles.htm

4. EVALUACIÓN En la unidad existen diferentes actividades con las que puedes ir comprobando tu grado de comprensión y adquisición de conocimientos. También, se realizará: •

Una prueba escrita para recabar los conocimientos previos que tienes sobre el tema. Se hará al comienzo de la unidad.

•

Un examen escrito sobre los contenidos formulados para el bloque de Control y robótica. Se hará al finalizar la unidad didáctica.

•

El control diario para saber si has realizado correctamente todos los ejercicios propuestos en las actividades programadas.

•

Se tendrá en cuenta los conocimientos adquiridos en las actividades de investigación que amplían los conocimientos de la materia partiendo de los contenidos mínimos de la unidad.

•

También se realizará el control de las actividades de simulación que permite acercarte al mundo de la programación que se utiliza en las empresas reales como la de BitBrain.

En esta unidad didáctica se da especial importancia a la comprensión de los elementos que forman los sistemas automáticos y de control y cómo se utilizan en la industria actual. Para ello, la utilización de recursos digitales, así como simuladores de programación en el ordenador, te facilitarán la compresión de conceptos y la asimilación de ideas complejas. Y, así mismo, deberás conocer los principales organismos e instituciones europeas de investigación.

El horizonte del control y la robótica. Interfaz cerebro-computador. Fin de la guía didáctica para el alumno Accede a todos los contenidos digitales en la web del proyecto ‘de la ciencia al aula’: DIifusión de experiencias reales: hwww.ipe.csic.es http://bitbrain.es

Web del proyecto http://auladelaciencia.es Twitter: @ciencia2aula

Comparte tu trabajo y coméntalo en las redes sociales del proyecto ‘de la ciencia al aula’: Trabajo cooperativo en línea con compañeros de otros Institutos Trabajo cooprativo entre profesores: eules.unizar.es

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