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Cultivando la innovación

Una historia de Luca Gamberini y Alastair Orchard sobre cómo los gemelos digitales pueden simular nuevas realidades para, incluso, cultivar alimentos bajo el mar y reinventar la biosfera.

Frente a la costa de la bahía de Noli, algo sorprendente está ocurriendo bajo la superficie del mar. Se trata de Nemo’s Garden, que se asemeja a una floración de medusas gigantes ancladas en el fondo del océano, en donde crece una nueva forma de agricultura. Estas grandes cúpulas transparentes, o biosferas, representan un nuevo tipo de invernadero submarino único. Estas aprovechan los factores ambientales positivos del océano (estabilidad de la temperatura, generación de agua dulce por evaporación, absorción de CO2 y protección natural contra las plagas) con el objetivo de crear un entorno ideal para el cultivo de todo tipo de productos.

El creador de Nemo’s Garden es Sergio Gamberini, presidente de Ocean Reef, quien en 2012 recibió el reto de un amigo de combinar su experiencia diseñando equipos de buceo, con su pasión por la jardinería, pero no tenía ni idea de que se convertiría en un nuevo negocio con la visión de crear alimento para la población humana.

Durante la última década, Gamberini y el equipo de Nemo’s Garden han trabajado para demostrar que es posible cultivar frutas y verduras bajo el agua. No sólo han cosechado con éxito una variedad de cultivos en sus prototipos de biosferas, sino que también han descubierto que las plantas cultivadas en este entorno son más ricas en nutrientes que las cultivadas con métodos tradicionales.  El siguiente gran obstáculo fue convertir su prototipo en una solución que pudiera implantarse en todo el mundo, pero sabían que no les quedaban otros 10 años para conseguirlo y que tenían que encontrar una forma de emplear nuevas tecnologías.

Un nuevo camino para superar el reto de la escalabilidad

Los duros inviernos, los cortos veranos y las limitaciones iniciales de los permisos de uso del fondo marino limitaron a Nemo’s Garden a un ciclo de crecimiento al año, lo que supuso un solo ciclo de innovación anual. Sólo después de la temporada de cultivo y cosecha, el equipo podía comprender plenamente el impacto de un cambio de diseño o de proceso en los cultivos, lo que limitaba la rapidez con la que podían evolucionar y ampliar el proyecto. Cualquier cambio de diseño realizado para reducir el costo, aumentar la capacidad de producción o mejorar la salud y el rendimiento de las plantas, requería este largo paso de pruebas físicas junto con los costos de inversión asociados al prototipo. Los procesos de control fuertemente manuales durante el ciclo de crecimiento aumentaban aún más los presupuestos.

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Nemo’s Garden recurrió a TekSea, una consultora centrada en la aplicación de tecnologías de la industria 4.0 para ayudar a las organizaciones a ofrecer soluciones sostenibles. Matteo Cavalleroni, de TekSea, identificó a Siemens Software como un socio tecnológico que podía ayudar a convertir el prototipo en una solución agrícola viable que pudiera fabricarse e instalarse en cualquier parte del mundo. Nemo’s Garden comenzó a implementar la cartera de software y servicios de Xcelerator, y la colaboración se amplió desde la automatización de la supervisión de los sensores hasta el desarrollo de una estrategia de digitalización centrada en un Gemelo Digital de la biosfera.

Un gemelo digital es una representación virtual de un producto o prototipo físico, que se utiliza para comprender, predecir y optimizar las características de rendimiento del homólogo físico. Con un gemelo digital, la innovación puede producirse en un mundo virtual, sin los costos de creación de prototipos físicos ni las limitaciones de tiempo que radican en el enfoque tradicional.

El equipo de Nemo’s Garden quedó impresionado cuando vio las demostraciones del software y cómo una estrategia de digitalización podía ayudarles a alcanzar su visión. Como resultado, estaban dispuestos a comenzar su viaje digital en estrecha colaboración con el equipo global de expertos de Siemens.

Un exhaustivo gemelo digital de las biosferas de Nemo’s Garden ayudó al equipo a afrontar todos sus retos. No sólo abarcó la evolución del diseño, sino también la simulación de las condiciones de cultivo dentro de las biosferas, el impacto del equipo y su uso en la masa de agua en la que se ubicaría. Ya no están limitados por las condiciones meteorológicas, la estacionalidad y las cortas temporadas de cultivo, ni dependen de la inmersión física o supervisión manual.

Las adaptaciones a las biosferas se prueban mediante un software de simulación en el mundo virtual, lo que permite al equipo perfeccionar los diseños y procesos a un ritmo masivamente acelerado.

Reinventando la biosfera

La recopilación de datos es importante para cualquier tipo de proyecto de ingeniería; sin embargo, es especialmente crítica cuando se trata de hacer algo totalmente nuevo, como cultivar alimentos bajo el mar. El equipo de Nemo’s Garden había recopilado una gran cantidad de datos históricos de sensores en temporadas anteriores, lo que resultó especialmente útil para desarrollar el gemelo digital. Los datos de temperatura, concentración de CO2 / O2, ángulos de inclinación, niveles de agua y consumo de energía se compararon con las predicciones de las simulaciones iniciales para validar el gemelo digital de las cúpulas de Nemo’s Garden y el océano circundante.

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Con un modelo virtual y un banco de pruebas disponibles, las iteraciones de diseño comenzaron de nuevo, sin necesidad de costosas construcciones de prototipos físicos ni de ajustes finos iterativos en un entorno submarino. En lugar de depender de un entorno de cultivo pasivo, las condiciones Nemo’s Garden podían ajustarse a medida que el océano y la biomasa cambiaban durante la temporada. 

De esta forma, los ingenieros pudieron responder a preguntas críticas, como: ¿cuántas plantas deben cultivarse en cada recinto?, ¿qué cantidad de luz solar debe llegar a las plantas?, ¿cuál es el grosor mínimo de la cúpula y la resistencia de los anclajes necesarios para soportar las presiones y fuerzas que actúan sobre la estructura en condiciones normales o anormales?

Mediante el uso de software de diseño y simulación en 3D, incluidos los programas NX y Simcenter de Siemens en el entorno virtual, el equipo pudo superar los límites del diseño y la construcción de las biosferas e imaginar biosferas mejores. Anteriormente, los cambios debían realizarse de forma incremental para que todos los implicados pudieran medir con precisión el impacto.  Pero al aprovechar el gemelo digital de la biosfera con una simulación de la bahía de Noli, el equipo es ahora capaz de hacer cambios mucho más impactantes y rápidamente. Están modelando cúpulas alargadas para que quepan más plantas por recinto, reduciendo el grosor del material para disminuir el peso, lo que también facilita el transporte y la instalación. Las nuevas biosferas también podrían construirse con líneas finas de polímero, lo que reduciría aún más las dificultades de despliegue, además de reducir la mano de obra necesaria. 

Definir un nuevo proceso

Además de acelerar el diseño y el desarrollo de las biosferas, Nemo’s Garden también necesitaba optimizar y escalar los hábitats para el cultivo, seguimiento y cosecha con el fin de alcanzar sus objetivos empresariales sostenibles. Están adoptando un enfoque totalmente digital y automatizado, apalancándose de la amplia experiencia de Siemens en el aprovechamiento del software para automatizar las prácticas agrícolas tradicionales, que ya no requerirán buzos capacitados para recoger datos bajo el agua.

Al igual que ocurre con la agricultura en la Tierra, hay multitud de factores que pueden afectar al crecimiento de las plantas bajo el agua en las biosferas, tales como: luz solar, humedad, concentraciones de O2/CO2 y otros, por lo que el equipo diseñó robustos sistemas de control que pudieran supervisar y ajustar activamente el entorno con mucha más precisión en comparación con la agricultura tradicional. 

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Posteriormente, el equipo utilizó un vídeo en directo a través de MindSphere Internet of Things (IoT) de Siemens para entrenar un algoritmo de aprendizaje automático que determinara la salud de cada planta. Con el algoritmo desplegado en los controladores Siemens Edge colocados en cada biosfera, el equipo de Nemo’s Garden pudo supervisar a distancia las plantas durante toda la temporada, desde cualquier lugar y en tiempo real.  La próxima temporada, el controlador Edge se conectará a actuadores que permitirán a la Inteligencia Artificial (IA) entrenada ajustar automáticamente la circulación del aire, humedad, riego y dosificación nutricional durante toda la temporada. Esta será la base de un servicio agrícola global, optimizado para las operaciones submarinas y ajustado para cada uno de los océanos del planeta. 

Cosechar los beneficios de un gemelo digital y el futuro de Nemo’s Garden

El equipo de Nemo’s Garden ha tomado algo que empezó como un reto desenfadado durante una cena con amigos y lo ha convertido en una alternativa agrícola viable. En colaboración con Siemens, están convirtiendo este concepto único en una plataforma de cultivo submarino comercialmente viable que puede desplegarse de forma sostenible en todo el mundo, especialmente en zonas donde las razones medioambientales o económicas impiden el crecimiento de cultivos o plantas tradicionales.

Aunque ya se han plantado las semillas del éxito con Nemo’s Garden, el equipo sigue avanzando hacia su objetivo final de proporcionar más alimento a la población global con cientos de instalaciones en todo el mundo.  Actualmente están explorando formas de perfeccionar aún más su plataforma de agricultura submarina con nuevas e interesantes tecnologías de Siemens que les permitirán introducir desde la robótica, hasta la energía solar.  Aprovechando el software como servicio y el gemelo digital, seguirán propagando nuevas ideas e innovaciones que aumentarán sus rendimientos a la vez que reducirán aún más su huella medioambiental.

*Luca Gamberini es cofundador de Nemo’s Garden y Alastair Orchard es vicepresidente de Digital Enterprise para Siemens Digital Industries Software

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