Modelo sistémico del proceso proyectual para una ingeniería que diseña mediante materiales avanzados

Abstract

(English) The engineering design process uses a systemic model that stands out for a common pattern that has evolved from Archer (1968), through French (1985), Nigel Cross (2000) and Michael F. Ashby (2009). Although in this design process the engineer applies different methods, techniques and tools for the selection of an optimal material, to date, these do not place materials science as a starting point in the design process. Additionally, an industrial revolution that comes from understanding a new material, energy and technological scale is happening. It is defined as the nanoscale by recent scientific advances in various areas of knowledge such in the field of materials. It is a historical moment in which there are more scientific discoveries from new materials than those obtained in previous historical periods. Therefore, the need to face the design process from an approach that positions advanced materials as an engine of innovation is considered relevant. This creates a challenge since this industrial revolution, by coexisting with an accelerated pace of technological, scientific and social development, requires a vision in which materials are not only considered in the final stages of selection but from the beginning of the design process in a transversal way. This challenge requires that the advanced materials must be considered in the starting point in the design process to inspire the creation of innovative future scenarios. In this framework, one of the clearest examples of materials is graphene. Research on graphene and graphene materials is one of the fastest growing areas and although it is in the process of research and development, it augurs a great disruptive potential. The main objective of this Doctoral Thesis is to define a systemic model in an engineering design process that considers advanced materials from the beginning. This process must be carried out from a scientific perspective that seeks to understand the innovative possibilities to generate future advanced proposals. This research is structured in four main blocks: First, the research framework is defined so that this document exposes the thinking of an engineering professional in reference to significant scientific discoveries in the history, processes and theories related to the subject of study. Additionally, define what advanced materials are of interest for the work of this doctoral thesis. Second, the process in design for using advanced materials is determined, implemented and analytically studied using qualitative and quantitative methods. Third, one of the main success stories and results of this doctoral thesis is described, which highlights both the defined process and use of two-dimensional materials. Fourth, the process is detailed through a map of the results obtained. In summary, this document exposes the theoretical and experimental application of the transdisciplinary systemic model proposed to introduce advanced materials during de design and engineering process, specifically in the scientific exploration of smart inks. Then, it presents a success case study generated during the thesis: Smart Skin Tattoo, an ultrawearable of epidermal, non-invasive and ephemeral electronics that allows storing and generating personal data in a non-invasive way without the need to incorporate energy supply systems and that was implemented in a real event with people. Finally, the process for the granting of a patent related to the design of the Smart Skin Tattoo technology is shown, with reference P201830504 and with the title of "Communication device intended to be placed on the skin of a user".

(Español) El proceso de diseño en la ingeniería utiliza un modelo sistémico que destaca por un patrón común que ha ido evolucionando desde Archer (1968), pasando por French (1985), Nigel Cross (2000) y Michael F. Ashby (2009) hasta la actualidad. Aunque en este proceso de diseño el ingeniero o la ingeniera aplica diversos métodos, técnicas y herramientas para la selección de un material óptimo, hasta la fecha, estos no colocan a la ciencia de los materiales como punto de partida en el proceso de diseño. Por otra parte, ocurre que en estos momentos se está planteando una revolución industrial que viene dada de entender una nueva escala matérica, energética y tecnológica que es definida por recientes avances científicos en diversas áreas de conocimiento y también en el campo de los materiales. Es un momento histórico en que existen más descubrimientos científicos desde los nuevos materiales que los obtenidos en períodos históricos anteriores. Por lo tanto, se considera relevante la necesidad de afrontar el proceso de diseño desde un enfoque que posicione a los materiales avanzados como un motor de innovación. Esto genera un reto ya que esta revolución industrial, al cohabitar con un ritmo acelerado del desarrollo tecnológico, científico y social, requiere de una visión en la cual los materiales no sean solo contemplados en las fases finales de selección sino desde el inicio de manera transversal. Dicho reto, requiere que sean las posibilidades de los materiales avanzados, el punto de partida en el proceso de diseño, de modo que inspire a la creación de innovadores escenarios futuros. En este marco, uno de los ejemplos más claros viene dado por el grafeno. La investigación sobre grafeno y materiales grafénicos es una de las áreas de mayor crecimiento y aunque está en pleno proceso de investigación y desarrollo, augura un gran potencial disruptivo. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es definir un modelo sistémico en un proceso de diseño en la ingeniería que ponga en valor a los materiales avanzados desde el inicio. Este proceso debe realizarse desde una perspectiva científica que busca comprender las posibilidades innovadoras para generar futuras propuestas avanzadas. Esta investigación se estructura en cuatro bloques principales: Primero se define el marco de investigación para que el presente documento exponga el pensamiento de un o una profesional de la ingeniería en referencia a descubrimientos científicos significativos en la historia, procesos y teorías relacionadas a la temática de estudio. Adicionalmente, definir qué materiales avanzados son de interés para el trabajo de esta tesis doctoral. Segundo se determina el proceso necesario en diseño mediante materiales avanzados, se implementa en la práctica y se estudia analíticamente mediante métodos cualitativos y cuantitativos. Tercero se describe uno de los casos de éxito principales y resultados de esta tesis doctoral, que pone en valor tanto el proceso definido como el uso de materiales bidimensionales. Cuarto se detalla del proceso mediante un mapa de los resultados obtenidos y el alcance de estos. En resumen, este documento expone la aplicación teórica y experimental del modelo sistémico transdisciplinar propuesto en el proceso de proyecto para una ingeniería que diseña mediante materiales avanzados, concretamente en la exploración científica de tintas inteligentes. Por otro lado, presenta un caso de éxito y resultado de esta tesis doctoral: Smart Skin Tattoo, un ultrawearable de electrónica epidérmica, no invasivo y efímero que permite almacenar y generar datos personales de un modo no invasivo sin necesidad de incorporar sistemas de alimentación energética y que se implementó de forma real en personas. Por último se muestra el proceso para la concesión de una patente relaciona al diseño de la tecnología Smart Skin Tattoo, con referencia P201830504 y con título de “Dispositivo de comunicación previsto para disponerse sobre la piel de un usuario”.