COLEGIO BACHILLERES
PLANTEL 19 ECATEPEC
CIENCIA Y TECNOLOGIA II
Sexto semestre
Índice
Presentación
Bloque 1
MECATRÓNICA
Bloque 2
ROBÓTICA
Bloque 3
NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGIA
Bibliografía
W. Bolton, mecatrónica (2010) 2°edición ed. Alfaomega, México.
El libro blanco de la robótica, España (2010)
Romero Costas Matías, Robótica, (2012) 1ª edición Ministerio de educación, Buenos Aires
PRESENTACIÓN
La evaluación de recuperación es una oportunidad extraordinaria que debes
aprovechar para aprobar la asignatura que, por diversas razones, reprobaste en el
curso normal; pero
¡cuidado!,
presentarte a un examen sin la preparación
suficiente significa un fracaso seguro, es una pérdida de tiempo y un acto
irresponsable que puedes evitar.
¿Cómo aumentar tu probabilidad de éxito en el examen mediante la utilización de
esta guía? La respuesta es simple, observa las siguientes reglas:
Convéncete de que tienes capacidad necesaria para acreditar la asignatura.
Sigue al pie de la letra las instrucciones de la guía.
Procura dedicarte al estudio de este material, al menos por durante 10 días,
tres horas diarias continuas.
BLOQUE 1
MECATRÓNICA
Contenidos
1. Historia dela mecatrónica
2. Elementos básicos de la mecatrónica
3. Concepto de mecatrónica
4. Aplicaciones de la mecatrónica
Realiza un comentario de la lectura al considerar como sería el próximo futuro ________________________________________________________________
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¿Qué es la mecatrónica? __________________________________________________
¿Qué sistemas integran a la mecatrónica?
¿Cuáles son los tres sistemas de medición?
Menciona las variables físicas
¿Qué es un sistema a lazo abierto?
¿Qué es un sistema a lazo cerrado?
Menciona algunos sistemas abierto o cerrado que conozcas en tu vida cotidiana
¿Qué podrías concluir con lo anterior?
Resume las características de un sensor de desplazamiento, así como la definición
¿Qué es un sensor potenciométrico?
¿Describe las variables que determinan la capacitancia en un elemento capacitivo?
¿Qué quiere decir acondicionamiento de señal?
Menciona las partes de un motor de corriente continua y su funcionamiento
¿Cuáles son los elementos básicos de los sistemas mecánicos?
¿Qué es un amortiguador?
MECANISMOS
Una maquina es un conjunto de elementos que interactúan entre si y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza. Desde la escoba hasta la lavadora, pasando por la aspiradora o la bicicleta, son ejemplos de máquinas.
Cuando la maquina es sencilla y realiza su trabajo en un solo paso nos
encontramos ante una maquina simple (ejemplos: cuchillo, pinzas, rampa, cuña, polea, rodillo, rueda, manivela, torno, hacha, columpio, tijeras, etc…).
Cuando no es posible resolver un problema en un solo paso hay que recurrir al empleo de una maquina compuesta o mecanismo, que no es otra cosa que una sabia combinación de máquinas simples, de forma que la salida de cada una de ellas se aplica directamente a la entrada de la siguiente hasta conseguir cubrir todos los pasos necesarios.
BLOQUE 2
ROBOTICA
Contenidos
1. Historia de la robótica
2. Definición de robot
3. Clasificación de componentes y características de los robots
4. Leyes básicas de la robótica
Historia de la robótica
Desde siempre, las personas han querido desarrollar seres animados con diferentes fines. Este deseo de dar vida, conjugado con el progreso mecánico, científico, tecnológico y electrónico a lo largo de la historia, dio lugar a la creación de los autómatas, máquinas que imitan la figura y los movimientos de un ser animado, antecedente directo de los robots.
Los primeros autómatas se remontan a la Antigüedad: egipcios y griegos fueron pioneros en el desarrollo de la mecánica y la ingeniería.
Conocían y utilizaban a la perfección principios mecánicos como la rueda, el eje, la cuña, la palanca, el engranaje, la rosca y la polea, elementos que constituyen la base de muchos mecanismos empleados en la actualidad. Tenían también un profundo conocimiento de hidráulica y neumática, que usaban para dar movimiento a algunas estatuas.
En el siglo I d. C., Herón de Alejandría escribió el primer tratado de robótica, Los autómatas, y creó los primeros autómatas: el teodolito, un aparato que medía ángulos, distancias y desniveles, y el odómetro, que medía distancias recorridas.
Durante la Edad Media, dos personajes se destacaron por sus invenciones. Alberto Magno (1206-1280) creó un autómata de hierro que le servía como mayordomo –podía caminar, abrir puertas y comunicarse con los invitados–, y una cabeza parlante que predecía el futuro. Al-Jazari, uno de los más grandes ingenieros de la historia, inventó un reloj elefante, con seres humanos y animales mecánicos.
El Renacimiento fue un período rico en pensadores e invenciones.
El enorme interés por la investigación en el campo de las ciencias que explican al mundo y al ser humano impulsó el desarrollo de espectaculares maquinarias. Leonardo Da Vinci (1452-1519), quizás el más grande inventor de todos los tiempos, creó, entre otras, la máquina de volar.
El matemático y filósofo Blaise Pascal (1623-1662), un destacado representante del racionalismo, inventó la primera máquina de calcular.
Durante la misma época, la corriente de pensamiento de René Descartes (1596-1650) se sostuvo en el postulado de que todo se explica a través de las matemáticas.
También tomó al ser humano como referente y antecesor primero de toda maquinaria. Por su parte, el ingeniero e inventor Jacques de Vaucanson (1709-1782) creó un pato artificial que movía las alas y realizaba el proceso digestivo completo, y dos músicos autómatas: El flautista y El tamborilero, que podían tocar un amplio repertorio musical. la maquinaria traería aparejado. Sin embargo, a partir de la Revolución Industrial, los aspectos positivos asociados a este paradigma comienzan a ser cuestionados: las máquinas empiezan a reemplazar –y ya no tanto a aliviar– la mano de obra. También el medioambiente se ve notablemente perjudicado, pues este nuevo modelo económico requiere de la explotación de recursos naturales para sostenerse.
La robótica es la ciencia que estudia el diseño y la implementación de robots, conjugando múltiples disciplinas, como la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control, entre otras.
Para definirlo en términos generales, un robot es una máquina automática o autónoma que posee cierto grado de inteligencia, capaz de percibir su entorno y de imitar determinados comportamientos del ser humano. Los robots se utilizan para
desempeñar labores riesgosas o que requieren de una fuerza, velocidad o precisión que está fuera de nuestro alcance. También existen robots cuya finalidad es social o lúdica.
¿Qué es la robótica? ______________________________________________
Hasta ahora, básicamente, se pensaba que la robótica podía aplicarse en la construcción de prótesis para personas discapacitadas que no pueden caminar.
Desde ASIMO, el robot humanoide de la empresa Honda, desarrollado en el año 2000, la idea es que el robot mismo ayude a la persona. Que el robot le diga “Tome un medicamento”, que el robot le lleve cosas, y en esa idea están trabajando los japoneses. Ellos tienen una gran cantidad de gente de edad avanzada, mayor de 100 años, y la idea es que ayuden a ese tipo de personas.
Entonces, actualmente están los robots industriales, como los brazos robot para fabricar autos, y los que tienen otros usos, como por ejemplo la aspiradora robot, que va por la casa limpiando y reconoce los objetos, no se choca, uno la deja y puede programarla para determinada hora, para determinadas habitaciones.
Posee sensores que captan si hay una escalera, una pared o determinados obstáculos, y los evita. O tenemos el Da Vinci para hacer cirugía, que representa una evolución en lo que es laparoscopia. En lugar de abrir, mirar al paciente, sacar órganos y coserlo, permite hacer pequeñas incisiones en el abdomen.
Al paciente le queda una cicatriz más chica, tiene menos tiempo en el hospital, menos posibilidad de infecciones, y el médico está sentado en una consola y dirige la operación como si fuera con un joystick. Los últimos cuentan con cuatro brazos, tres son las pinzas –para cortar o suturar– y el otro es la cámara, que generalmente entra al nivel del ombligo y ahí el médico puede elegir ver en 2D o en 3D. En la Argentina, hay tres de estos robots, uno en el Hospital Italiano y dos en el Malvinas Argentinas.
¿Cuáles son los usos de la robótica? _________________________________________
El estudio de la robótica humanoide trabaja en cómo hacer para que los robots parezcan Simpáticos y amigables, y los que son realistas parezcan cada vez más reales, pero no generen impresión o una reacción negativa en las personas. Se ocupa de la interacción humano-robot.
En este momento, por ejemplo, hay robots pensados para cuidar chicos en una casa; son como una camarita móvil que va por la casa y vigila a los chicos. Desde el trabajo, los padres pueden ver lo que está pasando. Es más que una cámara, porque el robot podría llamar a emergencias o, si es una persona anciana, ayudarla a levantarse. Todavía hoy la idea está en un plano académico, pero está evolucionando rápidamente. Corea y Japón esperan, para el 2020, que haya robots en las casas ayudando a las personas en su vida cotidiana.
¿Qué es la robótica humanoide? _____________________________________________
Antiguamente, los laboratorios se preocupaban más por desarrollar una cara, una mano o una pierna. Hoy, la idea es el robot en conjunto; hacer un robot completo que tenga manos específicas, cara, y en los casos de los androides, que tengan piel sintética.
Entonces, hay quienes se dedican a la inteligencia y quienes se dedican al “envase”. Por ejemplo, hay chicas-robots que hablan y pueden llevar adelante una conversación; pero es una conversación pobre, que Iroshi Ishiguro, un especialista de la Universidad de Osaka, dice que es como de alguien de 5 años. Todavía no ha evolucionado para que sea muy fluida. Eso es un límite. Otro ejemplo es el Nao, que es un robotito francés; tiene bastante inteligencia para adaptarse, para caminar, aunque no parece un humano. Es un robotito más humanoide.
La inteligencia de los robots todavía es limitada, pero se está avanzando.
La apariencia está notablemente más adelantada. Sí se logró bastante autonomía: por ejemplo, robots que juegan al fútbol, con otros robots. Antes eran como autitos, ahora hay humanoides, como los robots CHARLI y DARWIN de Virginia Tech, que dirige el doctor Dennis Hong, uno de la liga “adulta” y el otro de la “infantil”, que ganaron el año pasado la RoboCup, el mundial de fútbol de robots. Estos juegan solitos, solitos buscan la pelota, tratan de hacer goles. Entonces, hay distintos grados de desarrollo y de cosas que están faltando.
¿Cuáles son los límites actuales del robot?
Los robots se usan en diversos ámbitos y para cumplir tareas variadas: desde los brazos robóticos utilizados en la industria automotriz hasta el novedoso sistema quirúrgico Da Vinci, que permite practicar cirugías de alta complejidad poco invasivas y con una precisión sin precedentes; desde los robots espaciales diseñados para explorar la superficie de planetas desconocidos hasta la aspiradora doméstica Roomba, que
realiza la limpieza de manera autónoma, o el Nano colibrí, un pájaro utilizado para espionaje militar.
Pero quizá los más llamativos sean los androides, que imitan la morfología, el comportamiento y el movimiento de los seres humanos.
Robots, ¿Dónde? Y ¿para qué? _________________________________________
La inteligencia artificial es la ciencia derivada de la computación que se
dedica al estudio e imitación del pensamiento y razonamiento humanos. Desde hace décadas, los investigadores han intentado igualar los procesos mentales del cerebro humano para la resolución de problemas. Pero los resultados de las investigaciones evidenciaron las dificultades de este desafío, dada la profunda complejidad del funcionamiento de la mente. Es por eso que, en los últimos años, los estudios se centraron en la imitación de determinadas funciones del cerebro, y no en su totalidad. Sin embargo, no solo deberían analizarse los aspectos racionales a la hora de investigar los procesos mentales: las emociones constituyen un factor esencial en la conducta inteligente. Por este motivo y para mejorar la efectividad de los sistemas de inteligencia artificial, existe una tendencia a incorporarlas
¿Qué es la inteligencia artificial? _____________________________________________
Las computadoras funcionan a partir del código binario, y nosotros nos comunicamos con el lenguaje humano.
La solución para establecer la comunicación entre ambas partes fue desarrollar un lenguaje intermedio, que reconozca nuestras instrucciones y las retransmita en el idioma de las computadoras.
Esa es la función del entorno de programación: traducir nuestra sintaxis en código de máquina, el código binario de ceros y unos.
Por definición, un lenguaje de programación es un idioma establecido para comunicarse con las máquinas y que estas realicen tareas a partir de una serie de instrucciones
lógicas. Como todo lenguaje, su estructura está conformada por signos combinados a partir de reglas sintácticas y semánticas. ¿Adónde van las instrucciones que reciben los robots? Para organizar el funcionamiento de un robot, se programa una serie de
funciones que serán almacenadas en su “cerebro”. Se trata del microcontrolador, un circuito integrado programable conformado por las mismas unidades funcionales
que una computadora: un procesador, una memoria, y dispositivos de entrada y salida. De esta manera, una vez programadas las funciones, el robot ejecuta las acciones como respuesta a estas órdenes almacenadas en su “cerebro”.
¿Describe como se utiliza el lenguaje de los robots? ___________________________
muchísimo material, disponible en su página web, para realizar un sinnúmero de objetos interactivos autónomos, o para conectarlo a la computadora y controlarlo desde
programas como Flash, Pure Data o Processing.
BLOQUE 3
MICROTECNOLOGIA Y NANOTECNOLOGIA
Contenidos
1. Historia de la microtecnologia y nanotecnología
2. Conceptos de microtecnologia y nanotecnología
3. Impacto e importancia de la microtecnologia y nanotecnología
4. Ventajas y desventajas de la microtecnologia y nanotecnología
INTRODUCCIÓN
y en otras para revalorizar nuestro trabajo, proclamamos que un pequeño hallazgo es la base de un futuro medicamento contra el cáncer, o de un nuevo y revolucionario dispositivo electrónico. Esta información es traducida por los periodistas y asimilada por el lector de la prensa como que hemos acabado con el cáncer, o que un nuevo superordenador estará disponible en las tiendas este año. Estas expectativas crean una desilusión en la sociedad, que ve como después de tantos anuncios triunfalistas, el cáncer sigue sin curarse y nuestros ordenadores “colgándose” cuando más los necesitamos.
Las expectativas que se han puesto en el nanofuturo son muy elevadas y muchas veces no guardan relación con la base científica que las sustenta. Tanto es así que hoy día la gente no sabe distinguir entre lo que será real y la ciencia ficción. Lo que llegará a nuestras casas formando parte de nuestra cotidianidad y lo que se quedará en el laboratorio como meros experimentos académicos. Lo primero será tecnología, lo segundo, la ciencia básica necesaria. Estos dos conceptos se mezclarán a lo largo de este libro como se mezclan en nuestras mentes. En cualquier caso, la nanotecnología se nos muestra hoy como una potentísima herramienta capaz de volver a transformar la sociedad cómo ya lo hiciese la microelectrónica en la primera mitad del siglo XX. La potencialidad de estas nuevas tecnologías parece verdaderamente ilimitada. A medida que la tecnología que se derive de esta nueva ciencia vaya transformando la sociedad, aparecerán “efectos secundarios” o riesgos asociados a su uso extensivo. Sería pecar de un optimismo infantil no recapacitar sobre estos aspectos. Esta es una invitación para el lector: que intente imaginar y evaluar las consecuencias sociales, éticas e incluso morales de la tecnología del futuro que se presenta en este libro. Estos peligros son especialmente importantes en esta sociedad globalizada y muchas veces manipulada. El paso del laboratorio al mercado de consumo puede ser tan rápido como el dinero que una empresa pueda ganar con ese desarrollo. La ciencia y tecnología no escapan de la globalización y muchas conclusiones científicas se deforman o distorsionan al servicio de objetivos políticos, ideológicos y económicos. Por eso es tan importante tener ideas claras y formarnos nuestra propia opinión también en temas científicos.
Describe todo lo que implica sobre lo que se espera de la nanotecnología en el futuro
El mundo invisible
cueste imaginar y comprender el pequeño tamaño, el enorme número o la naturaleza de los objetos diminutos, es un reto acercarnos a la grandeza de lo pequeño
¿Por qué se le llama el mundo invisible?
Nanotecnología... ¿Qué significa esa palabra?
Muchas definiciones circulan por la web para nanociencia y nanotecnología y, como todo lo que aparece en Internet, deben de ser interpretadas con cautela. Hay quien dice que nanociencia es la ciencia de lo infinitamente pequeño. Esto no es estrictamente cierto, ya que esta definición responde mejor, por ejemplo, al tipo de estudios de los que se ocupa la física de altas energías, que trabaja con protones, neutrones o incluso los constituyentes de éstos: los quarks. Otras personas piensan que la nanotecnología trata de reducir el tamaño de los objetos hasta límites insospechados. Veremos que esto tampoco es completamente acertado, ya que la nanotecnología necesita técnicas de fabricación diferentes, basadas en otros conceptos. Por otra parte, a veces se asocia la palabra nanotecnología con la construcción de dispositivos y robots como los que tenemos en nuestro mundo, pero de dimensiones muy pequeñas. Los problemas que presenta la definición de estos términos están relacionados con el hecho de que ni la nanociencia ni la nanotecnología nacieron como disciplinas cerradas, sino que ambas son campos del conocimiento que se han ido construyendo paralelamente a la aparición de nuevos descubrimientos y que, de hecho, no sabemos hacia donde derivarán. De manera general, se podría definir nanotecnología como la fabricación de materiales, estructuras, dispositivos y sistemas funcionales a través del control y ensamblado de la materia a la escala del nanómetro (de 0.1 a 100 nanómetros, del átomo hasta por debajo de la célula), así como la aplicación de nuevos conceptos y propiedades (físicas, químicas, biológicas, mecánicas, eléctricas...) que surgen como consecuencia de esa escala tan reducida. No obstante, puesto que esta definición puede resultar un poco confusa y la escala de tamaños un poco arbitraria, vamos a profundizar más en ambos términos, acercándonos a estos conceptos a través de sus características y propiedades generales.
Define que es la nanotecnología
científicos, se publican en revistas científicas internacionales. Así todo el mundo puede tener acceso al conocimiento generado y comprobar o refutar las ideas publicadas.
¿Qué es la ciencia?
¿Qué es la tecnología?
¿Cuáles son los resultados de investigación en un laboratorio científico?
La ciencia suele desarrollarse en universidades y centros públicos de investigación (en España llamados OPIs: organismos públicos de investigación) ya que no tiene una repercusión económica inmediata. Por el contrario, la tecnología se desarrolla principalmente en empresas o centros tecnológicos, ya que se busca un producto o proceso que se pueda vender, destinado directamente al usuario: tú y yo. Así, primero es la ciencia y algunos años después (o a veces nunca) la tecnología derivada de esa ciencia. Curiosamente, la creación de tecnología proporciona herramientas nuevas a los científicos con las que estudiar nuevos conceptos y avanzar en la ciencia, que a su vez generará nueva tecnología. De esta manera ciencia y tecnología son las dos caras de una misma moneda, y se convierten en una rueda imparable que hace avanzar a la humanidad. A esto también se le llama “círculo virtuoso”.
¿Dónde se desarrolla la ciencia y la tecnología?
Una vez establecida la diferencia entre ciencia y tecnología, pasemos al significado de la palabra “nano”. Nano es un prefijo proveniente del vocablo griego νανοϛ que significa diminuto, enano, pequeño. Este prefijo se utiliza en el sistema internacional (S.I.) de unidades para indicar un factor de 10-9 (es decir, multiplicar algo por 0.000000001, o la mil
¿Qué es el nano?
¿Cuáles son los limites inferior y superior para construir objetos?
Del gran impacto que está teniendo actualmente la nanotecnología y de las enormes aplicaciones que de ella se derivan, proviene la gran proliferación del prefijo “nano”. Así, oímos hablar de disciplinas como nanoquímica, nanoelectrónica, nanomedicina o nanobiotecnología; o de objetos tales como nanopartículas, nanotubos, nanoimanes o nanomotores. En definitiva, el colocar el prefijo “nano” delante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va estudiar desde sus componentes más pequeños. Estos pueden considerarse que son los actores del nanomundo, objetos con tamaños comprendidos entre 0.1 nm y 100 nm. A la figura podríamos añadir cualquier otro objeto que seamos capaces de construir, inventar o, por qué no, soñar en estos márgenes de tamaño.
¿hasta dónde es posible reducir el tamaño de un objeto?
La invención del transistor en 1947 ha sido, sin duda, uno de los hechos más importantes para la sociedad del siglo XX. Hizo posible la aparición del circuito integrado y del microprocesador, que son las bases de la microelectrónica actual. Estos dispositivos han generado una revolución en la sociedad, de manera que hoy no nos imaginamos la vida cotidiana sin ordenadores, televisiones, teléfonos móviles o aparatos reproductores de música o películas. El reto que tiene marcado la tecnología es claro: ofrecer más información, en menos espacio, de forma más rápida y por menos dinero. Así, por ejemplo, en el campo de la reproducción musical, en los años 50 se popularizó el uso de los discos de vinilo o LPs (long play ) como soportes musicales que necesitaban equipos electrónicos del tamaño de un pequeño mueble para poder sonar. Éstos ocupaban algo menos de 1 m3. Después vino la cinta magnética dentro de una cassete, que posibilitó
reducir el volumen del reproductor hasta 1 dm3. Luego llegó el CD, que se convirtió en
DVD, y se escucha en un “walkman” que ocupa 0.1 dm3. Y ya por último, los
reproductores de MP4, cuyo elemento de almacenamiento de información junto con toda la electrónica ocupan del orden de 1 cm3 ¡En tan sólo 50 años el volumen de los equipos
de música se ha reducido un millón de veces!
¿Crees que haya un límite o se reducirá un objeto infinitamente, explica?
Los orígenes de la nanotecnología
discurso no tuvo una gran repercusión. De hecho, la palabra nanotecnología no aparece en dicho discurso. En realidad el término “nanotecnología” fue acuñado en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de Ciencia de Tokio en un artículo titulado "On the Basic Concept of ‘Nanotechnology’" , que se presentó en una conferencia de la Sociedad Japonesa de Ingeniería de Precisión. En dicho artículo se hablaba de la nanotecnología como la tecnología que nos permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.
Aunque Feynman, en 1959, fue el primero en sugerir de manera clara esta posibilidad, hubo que esperar hasta 1986 para que sus ideas se concretaran. En ese año, E. Drexler publicó su libro “ Engines of Creation” en el que describe cómo las nanomáquinas serán capaces de construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo. Los encargados de realizar ese ensamblaje serán nanorobots ensambladores, con un funcionamiento parecido al que, desde siempre, han realizado los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo. Estos robots harían su trabajo auto- reparándose y constituyéndose a sí mismos. La descripción realizada por Drexler se corresponde con el funcionamiento de los motores moleculares, desarrollados posteriormente, en los que se crea un engranaje de moléculas donde unas hacen moverse a otras, lográndose un verdadero efecto mecánico. Drexler también vislumbró la posibilidad de desarrollar nano-submarinos que podrían desplazarse por las venas buscando antígenos, como lo hacen los leucocitos. En definitiva, a través de las páginas de “ Engines of Creation ” , Drexler nos hace soñar con objetos imaginados, de la misma manera que Julio Verne hizo soñar a nuestros abuelos con viajes a la Luna o al centro de la Tierra. Pero, al igual que el hombre finalmente pisó la Luna, aunque nunca llegará al centro de la Tierra, es posible que algunos de los objetos descritos y patentados por Drexler entren a formar parte de nuestras vidas mientras que otros muchos pasen a la historia como mera imaginación o especulación.
Realiza un resumen de los orígenes de la nanotecnología
¿Cómo llegar a ser nanotecnólog@?
materia condensada y nanotecnología”, “materiales avanzados y nanotecnologías”, “nanociencia y nanotecnología molecular”, “ingeniería micro y nanoelectrónica”, etcétera.
Describe como llegar a ser nanotecnolog@
