COMERCIO E INDUSTRIAS


El proyecto de I+D+i ‘PielSen’ culmina su investigación en arquitectura homeostática 3D

15/12/2020

CATEGORíA: Arquitectura y Arte MARCA: Universidad Camilo José Cela


El programa, desarrollado por la Universidad Camilo José Cela, busca la creación de una piel sensible, inteligente y adaptativa en fachadas de edificios mediante la tecnología 3D, algo que revolucionará el enfoque de la arquitectura tal y como la conocemos.


La Universidad Camilo José Cela continúa desarrollando el proyecto de i+D+i “PielSen: Arquitectura Homeostática 3D envolvente para crear piel sensible inteligente adaptativa en fachadas de edificios”, financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, así como por los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER) bajo el subprograma RETOS-COLABORACION 2017.

 

Este Proyecto, desarrollado en colaboración con FCC Construcción, TAS Iberia, CeDInt (UPM), se centra en el desarrollo de una envolvente inteligente para edificios que actúe a modo de una piel sensible, objetivo que se ha materializado en un primer prototipo con una estructura 3D bioinspirada, al reproducir formas de la naturaleza. Dicha estructura presenta además la inserción de Smart materials que permiten el control de la temperatura, la humedad y la luz en el interior de la vivienda en cuya fachada se inserte. Así, el diseño de una envolvente de tipo membrana de carácter volumétrico que relaciona interior y exterior aplicado en fachadas creando una envolvente reguladora consigue cumplir un papel similar al de la piel. La incorporación adicional de movimiento, área en la que se continua la investigación, junto con fuentes alternativas de energía permite valorar las posiciones de la estructura respecto a la fachada.

 

De este modo PielSen elabora una nueva arquitectura con la naturaleza como referencia y formando parte de los ecosistemas en cambio. No sólo implica el desarrollo de soluciones en el campo de la arquitectura y la construcción, sino en avances relacionados con su impacto en la salud, el bienestar, el medioambiente, los recursos energéticos y la innovación tecnológica aplicada a los propios inmuebles.

 

Por tanto, el objetivo final es poder llegar a tener una piel constituida por un sistema global automatizado y autosostenido  que esté dirigido a un tipo de mercado que ahorre costes a los consumidores finales, incrementando el uso de las energías limpias y que mejore las condiciones de eficiencia, confort, bienestar y salud de los moradores.

 

La explicación del proyecto

La capacidad del cuerpo de autorregularse para mantener el equilibrio interno frente a los cambios que se producen en el medio externo se conoce como homeostasis. La piel humana es un complejo que regula los intercambios que se entienden en el organismo interno y el medio externo, ya sean estos térmicos, acústicos, de presión o táctiles, entre otros…. siendo la primera parte de dicho sistema homeostásico. Como ayuda para la homeostasis, la vestimenta y la arquitectura deben suplir aquel diferencial que provoca  desequilibrio biológico. De este modo, la obra de arquitectura se concibe como la respuesta material del ser humano a los factores de la agresividad del medio - es decir que atentan contra su equilibrio biológico interno - para poder generar las condiciones que permitan habitar el territorio y los envolventes de las fachadas debieran diseñarse para cumplir con un papel similar al de la piel. Estas pudieran ser permeables o pasivas en ocasiones, reactivas (solares, piezoeléctricas, etc.) o activas en otras, pero siempre diseñadas para responder de manera coordinada mediante la interconexión con el resto de los componentes del sistema constructivo generando un espacio intersticial entre elementos que pueden entenderse como una piel homeostásica que reacciona según su medioambiente, permitiendo preservar las condiciones del interior de las viviendas y con ello la habitabilidad y la salud de los ocupantes.

 

Por ello, el objetivo principal del proyecto PIELSEN se centra en el desarrollo de una envolvente inteligente para edificios que actúe a modo de una Piel Sensible (envolvente homeostásica).

 

El Punto de partida es constituir dicha Piel Sensible en base a tres componentes estructurales (3P): Poros, constituidos por sesores interconectados por un sistema mallado en 3D, sesores interconectados por un sistema mallado en 3D, Piel, o material envolvente compuesto de múltiples teselas compuesta cada una de un material inteligente  (p.ej, materia tipo hidrogel / polímero piezoeléctrico), acorde con la función para la que se quiere proteger el interior de la vivienda y Pliegues, o estructura soporte del material de la envolvente compuesto por varios biomateriales.

 

El funcionamiento del conjunto se arranca en el Poro, microsensor RF/IoT embebidos en fachada, auto-alimentado mediante técnicas de energy harvesting (fotovoltaica, eólica, electromagnética...) de forma personalizable. Las señales activarán los bio-movimientos integrados de pliegues y piel que permite una respuesta del conjunto.

 

La piel constructiva que buscamos estará basada en diferentes teselas de materiales (mezcla poliméros hidrogélicos piezoeléctricos que generen energía) como envolventes innovadores que cumplan las diferentes funciones buscadas (control de la luz, temperatura, ruido, poluctantes, pólenes…) de modo que según las condiciones particulares del edificio en el que se aplique (hospitales, aeropuertos, oficinas, residencias…) se usen los más adecuados para la generación de cada tesela activa energéticamente y su proporción en la compleción de la piel. Y todo ello mantenido en una estructura sólida constructiva constituida por pliegues como materiales adaptativos (extensibles) y poros captadores de datos (sensores 3D) para dar respuesta a estímulos lumínicos, térmicos o de empuje del viento en los edificios, que además podrían generan su propia energía para su autoconsumo. Así, si en el poro se han situado, por ejemplo, sensores de temperatura y se ha establecido que la temperatura en el interior no debe superar un determinado valor umbral, cuando se detecte un incremento de la temperatura externa, el sistema se activará para que se despliegue la estructura de pliegues para cubrir la zona a proteger y la piel adquirirá la forma activa por teselas constituidas del material seleccionado frente al calor.

 

Y todo ello trabajando como una red nodal-neuronal interconectada llevándonos a un funcionamiento adaptativo del sistema según el clima circundante, consiguiendo en conjunto una envolvente homeostásica para edificios que reaccione automáticamente según el medioambiente y que permita un elevado ahorro energético con unas condiciones de confort, habitabilidad y salud superior en el interior de las viviendas, adaptable a cada usuario.


Los estímulos frente a los que los componentes PielSen (3P) son reactivos, generan desequilibrios formales, materiales, estructurales, energéticos y de comunicación entre ellos, y gracias a sus propiedades adaptativas dan lugar a la instabilidad del conjunto al ir pasando por los diferentes estados intermedios según la secuencia temporal, realizándose sucesivos estados de equilibrio mediante intercambio de información y energía. Esto da lugar al movimiento conjunto del eco-sistema obteniéndose como resultado una sincronización global que permite una readaptación instantánea por deformidad material según los requerimientos. Así, mediante un funcionamiento asíncrono de elementos se consigue funcionamiento sincrónico temporal del sistema que a cada instante se readapta según los nuevos estímulos circundantes acorde al entorno medioambiental.

 

Para conseguirlo hemos evaluado que se debe investigar en estos campos:

 

  • Autoabastecimiento del sistema por energías latentes (naturales en el entorno circundante).
  • Superposición de diferentes capas según las necesidades buscadas que permitan la conectividad de las diferentes partes con una intercomunicación instantánea (RF/IoT).
  • Materiales el poli (γ-bencil α, L-glutamato) (PBLG) que es un poli (α-aminoácidos) sintético que posee el mayor momento dipolar eléctrico entre todas las moléculas orgánicas. A diferencia de la cerámica convencional con materiales piezoeléctricos (MP) basada en dipolos procedentes de redes cristalinas altamente ordenadas, el dipolo de PBLG se origina de los enlaces de hidrógeno de la espina dorsal helicoidal y es mucho más resistente a las impurezas. La extrema solubilidad de PBLG en solventes orgánicos permite varios procesos químicos en hidrogeles para lograr una gama más amplia de formas, grosores y tamaños en comparación con MP cerámicos producidos típicamente por fundiciones mecánicas. Se busca la fabricación de películas y discos poliméricos compuestos de PBLG piezoeléctrico y un polímero matriz, poli (metacrilato de metilo) (PMMA) que rige las características mecánicas del material compuesto. Considerando la versatilidad del proceso de electrospinning combinado con la diversidad química de α-helicoidal poly (α- aminoácidos), las fibras electrospun de PBLG y moléculas relacionadas, tenemos una gran promesa como nuevos materiales electro-ópticos y electromecánicos para sensores pequeños y recolección de energía.
  • Mecánica de sistemas biológicos, ingeniería para la construcción de estos modelos.
  • Dinámica de estructuras complejas La aplicación de la teoría física de grupos continuos (la teoría sobre la naturaleza más sofisticada y fundamental que esta verificada experimentalmente), nos permitirá una interpretación fluida de la envolvente de edificios y espacios exteriores, consiguiendo que no exista una discontinuidad en la aplicación de los principios físicos. La superposición de diferentes capas cualitativas actuará solidariamente sin entrar en conflicto con las prestaciones requeridas. Las solicitaciones demandadas serán satisfechas con el comportamiento adaptativo del sistema heterogéneo más allá de la mecánica.

 

Dados los múltiples campos de conocimiento implicados en llegar a esta solución, el proyecto PIELSEN aglutina la masa crítica investigadora necesaria para sacar esta innovadora solución al mercado y que estará basada en nuevos paradigmas arquitectónicos homeostáticos, fruto de la cooperación Universidad-Empresa, consiguiendo un sistema adaptativo de fachada envolvente inteligente y homeostásica para edificios.

Además, esto será la base para poder llegar a conseguir ciudades “vivas” en el que los revestimientos de edificios se asemejen a nuestra piel 3D (poros, pliegues y células teselares) autoalimentada por energías limpias de la naturaleza (viento, sol, electrostática…) para conseguir una elevada eficiencia energética y que al estar interconectados por muchos microsensores operando en red mallada construirán un sistema de inteligencia colectiva, permitiendo actuar en la macroescala, pasando por la escala de los Sistemas de geo-localización (GIS) hasta la aplicación del Building Information Modelling (BIM). Esto nos llevará a entender cada edificio de la ciudad como un continuo en el que ciertos elementos se superponen para la eficiencia de una configuración construida.

Pensamos en la posterior evolución de la idea a la macro escala urbana, con la creación de la red de envolventes (supra-nodos) interconectadas a lo largo de la ciudad, trabajando en la meso escala de la manzana y los espacios libres, llevándonos a integrar el concepto de SMART CITIES y ECONOMÍA CIRCULAR para conseguir, mediante la interconexión digital de los distintos nodos y el funcionamiento de los ciclos cerrados de actuación (generación, transporte y consumo), reducir al mínimo el transporte inmaterial (energía e información), lo que reducirá y simplificará el recorrido del ciclo, detectando los puntos débiles del ciclo del sistema y los elementos más vulnerables mediante la mutación permanente de micro redes.

 

Como ejemplo la radiación solar requerida en el dormitorio de una vivienda en invierno será bien distinta de la requerida en una oficina en pleno verano. Un funcionamiento así finalmente integrado para toda una ciudad conseguiría respuestas anticipatorias de unas envolventes ante señales de otras envolventes lejanas, así como la colección de datos que puedan,mediante adecuada minería de datos, anticipar cambios problemáticos medioambientales extrayendo información de utilidad para la población y los agentes para la toma de decisiones para la mejor gobernanza de las ciudades.

 

Más información y fotos:

www.ucjc.edu

www.cedint.upm.es

www.fccco.com

 

 

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