Innovación para mejorar la monitorización automática de obras de arte y de construcciones tanto actuales como de patrimonio. Proyecto SISPATINT

Finaliza la anualidad 2020 de este proyecto de I+D, en el cual se está probando y mejorando un sistema avanzado de monitorización de construcciones del patrimonio y de obras de arte.

Está concluyendo la anualidad 2020 del proyecto SISPATINT (Prueba, configuración y mejora del sistema PATINT, y estudio y análisis de biomateriales). Este proyecto de I+D pertenece a la línea estratégica de I+D de AIDIMME BIOMATERIALES.

El proyecto SISPATINT está financiado por la Generalitat Valenciana mediante el programa Planes de Mejora de la Actividad y Capacidad de I+D Fondos GVA para el ejercicio 2020, que es impulsado por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial).

El proyecto SISPATINT consta de diferentes actividades de investigación aplicada para probar, configurar y mejorar el sistema PATINT (desarrollado en 2019 en el proyecto DIPPATINT, también con la financiación de fondos GVA), así como de actividades para el estudio y análisis de biomateriales.

Objetivo de SISPATINT

Tanto el patrimonio histórico-cultural como las obras de arte que integran madera requieren determinadas condiciones ambientales para garantizar su buen estado de conservación. Proyectos de investigación como SISPATINT desarrollan soluciones tecnológicas que faciliten ese mantenimiento para que los edificios y las obras de arte perduren y no requieran rehabilitaciones y restauraciones, que por lo general son costosas y complicadas de ejecutar.

SISPATINT aplica tecnologías actuales que han sido modificadas para proporcionar unos datos más precisos sobre las causas que producen la degradación de la madera y materiales derivados, que AIDIMME lleva más de 20 años investigando. Dentro de las tecnologías aplicadas, se emplean tecnologías TIC como sensores, conexiones inalámbricas, algoritmos de Inteligencia Artificial y plataformas de Smart Cities, entre otras.

Las investigaciones han avanzado fundamentalmente este año en la prueba, configuración y mejora de un sensor inalámbrico de muy bajo consumo; y en el desarrollo de un protocolo de comunicación para recopilar y transmitir los datos del sensor de una forma flexible y compatible con plataformas de Ciudades Inteligentes. El sensor es el elemento clave para la monitorización de la madera de las construcciones de patrimonio existentes y de obra nueva, así como de las obras de arte.

Según Miguel Ángel Abián, coordinador y director técnico del proyecto, “los resultados del proyecto suponen un gran avance hacia el objetivo final de disponer de una herramienta avanzada, flexible y escalable. Con ella se logrará la conservación preventiva de estructuras y obras del patrimonio, así como de estructuras modernas y de obra nueva”.

Resultados obtenidos 1: prueba, configuración y mejora del sensor

El sensor inalámbrico de SISPATINT trabaja en radiofrecuencia en la banda 868 MHz, aunque también funciona en las bandas de 433 MHz y 2,4 GHz y transmite paquetes de datos con 23 campos relacionados con las propiedades, parámetros y alarmas relativas al estado de la madera. Este dispositivo monitoriza las condiciones ambientales como la temperatura y la humedad, así como otros parámetros relativos a propiedades físicas de la madera (como su contenido en humedad). También detecta precozmente la presencia de agentes degradadores xilófagos, como termitas, carcoma fina, carcoma gruesa u hongos de pudrición.

Para comprobar la eficacia del prototipo del sensor en condiciones ambientales extremas, se realizaron diversas pruebas. Por ejemplo, se sometió el sensor a ciclos sucesivos en los que se alternaba baja temperatura (-10ºC) y alta temperatura (50ºC). Igualmente, se sometió a ciclos sucesivos en los que se alternaba baja humedad (20%) y alta humedad (95%). Estas pruebas han permitido detectar posibles oxidaciones o fallos en los componentes electrónicos o en la placa del circuito impreso del sensor, con el fin de mejorar el prototipo.

Además se realizaron pruebas de consumo energético y de estrés eléctrico. Los resultados han permitido detectar consumos innecesarios y cierto estrés de las baterías (pilas AA) que podría limitar su vida útil, por lo que ha vuelto a diseñarse la parte eléctrica y se ha cambiado el conversor inicial por otro que tiene un consumo en reposo mucho menor y que siempre permanece activo.

Imagen de un prototipo inicial del sensor durante una de las pruebas eléctricas realizadas.

Por otro lado, se analizó la información que proporciona el sensor referente al contenido de humedad de la madera en diferentes especies: pino silvestre, pino gallego, pino insigne, abeto rojo y madera antigua de mobila. Esta última madera corresponde a pinos amarillos del Sur de Estados Unidos (Pinus palustris, Pinus taeda, Pinus echinata y Pinus elliottii) muy duraminizados y de gran densidad. Debido a que la mobila se usó mucho en la Comunitat Valenciana durante los siglos XIX y XX, se clasificó estructuralmente según el Código Técnico de la Edificación en el proyecto MEND-ME, financiado por el IVACE y por fondos FEDER.

Para evaluar la precisión de las medidas tomadas por el sensor se prepararon muestras de madera de las especies antes citadas en un amplio rango de humedad (10-50%). Los resultados obtenidos se compararon con los procedentes de un xilohigrómetro calibrado y la correlación entre los resultados ha sido buena o muy buena en todos los casos. Para mejorar las correlaciones, los investigadores han modificado el código fuente del microprocesador del sensor.

Prueba de medida de la humedad de la madera: el sensor se introduce en una vigueta de madera y transmite datos de la humedad de la madera cada 10 minutos.
Prueba de medida de la humedad de la madera: una de las viguetas usadas en la prueba se acondiciona en cámara climática para aumentar su humedad de modo paulatino y controlado.
 
Gráfica de la regresión lineal entre el contenido en humedad de la madera medido por el sensor y medido por un xilohigrómetro calibrado (especie: pino gallego).

Por último, para optimizar la detección precoz de las termitas, considerados los insectos más peligrosos para la madera, se probó el sensor con estos insectos, procedentes de las colonias del Laboratorio de Microbiología de AIDIMME.

Prueba de detección de termitas: orificio en la madera donde se ha insertado ya el sensor.
Prueba de detección de termitas: los insectos se introducen en el orificio cilíndrico donde está insertado el sensor.

Para obtener unos resultados óptimos, los investigadores tuvieron que ajustar los algoritmos de Inteligencia Artificial usados en el dispositivo y probarlos con un gran número de termitas (obreras de distintos tamaños y soldados). Una vez ajustados, la efectividad en la detección fue del 98,2-99,1%, sin falsos positivos. Es decir, no se detectaron insectos cuando no los había. La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos.

Resultados finales de las detecciones del sensor una vez ajustados los algoritmos de IA.
Señal medida en el sensor durante una prueba de una hora con termitas de distintos tamaños. Las detecciones se diferencian claramente en la gráfica.

Resultados obtenidos 2: desarrollo de un protocolo de comunicaciones

La información que los sensores inalámbricos envían es muy característica, ya que los datos son específicos para conocer el grado de degradación de la madera y el estado de este material en función de las condiciones ambientales. Por ello, se requería una plataforma y un protocolo de comunicación específico a esta información.

Los investigadores desarrollaron un protocolo de comunicación, basado en TCP, que permite transmitir y recibir los datos que toma el sensor, lo que incluye definir exactamente el formato de tramas de radiofrecuencia (paquetes de datos).

Ejemplos de tramas (paquetes de datos) recibidos durante las pruebas del protocolo.

Los datos de los sensores son recogidos por nodos receptores y podrían enviarse más adelante mediante una conexión de Internet a una base de datos en la nube o en un ordenador remoto. A estos datos podría accederse mediante una interfaz web desde un ordenador, teléfono o tableta. De igual modo, los datos podrían transferirse directa o indirectamente a un nodo IoT (Internet of Things).

El sistema desarrollado puede utilizarse también con estructuras nuevas de madera y derivados, y la monitorización continua que proporciona contribuirá a vencer las reticencias que tradicionalmente han impedido el uso de la madera en construcción en nuestro país y, en particular, en la Comunitat Valenciana. Una de esas reticencias es el prejuicio de que la madera es degradada inevitablemente por hongos, humedades e insectos.

Para más información sobre el proyecto y sus resultados, contacte con AIDIMME.

Proyecto que cuenta con el apoyo de:

GVA BIO0 – SISPATINT – PRUEBA, CONFIGURACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA PATINT, Y ESTUDIO Y ANÁLISIS DE BIOMATERIALES

Número de proyecto: 22000010
Expediente: IMAMCC/2020/1
Duración: Del 01/01/2020 al 31/12/2020

Coordinado en AIDIMME por: ABIÁN PÉREZ,MIGUEL ANGEL
Línea de I+D: BIOMATERIALES


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Miguel Ángel Abián

Tecnología y Biotecnología de la Madera • Jefe Sección