Esta entrada, y alguna posterior, la voy a dedicar a un dispositivo que a pesar de contar sólo unos pocos años de vida se ha popularizado con gran rapidez: el Arduino. Yo me enteré de su existencia recientemente, y quiero comentarlo aquí con cierto detalle, porque me parece que puede resultar extremadamente interesante para dos colectivos en los que me incluyo. Por un lado, para los científicos aficionados (lectores de Taller y Laboratorio, por ejemplo); y por otro, para los profesores que buscan una manera rápida, barata y atrayente de que los estudiantes lleven a cabo un proyecto en el que obtengan datos experimentales en formato digital o controlen algún proceso. No excluyo otros usos, por supuesto; es probable que acabe empleándose también en los laboratorios para llevar a cabo tareas sencillas de automatismo.

El descubrimiento lo hice en el laboratorio del GRASP (Universidad de Lieja), donde he estado de visita hace poco. Un día fui con Geoffroy, un colega (y amigo), a un laboratorio de prácticas, y me encontré a varios estudiantes trabajando con unos circuitos. Cuando le pregunté lo que eran, me respondió que esos montajes habían recibido una excelente acogida entre los alumnos para los trabajos de fin de grado o similar. Estas tareas requieren de un plan realista, que se pueda finalizar en un límite bastante corto (unas 30 horas, por dar una cifra). Lo comento porque es importante recalcar que la curva de aprendizaje es muy rápida. Lógicamente, hay trabajos mucho más simples y otros enormemente complejos.

Antes de entrar a explicar en qué consiste el Arduino, quiero detallar lo que significa hoy día medir. La electrónica y la informática han cambiado la fisonomía del laboratorio. Ahora, la medición implica casi siempre obtener datos digitales con la cantidad y calidad suficiente. Se pueden lograr resoluciones y frecuencias de muestreo muy elevadas. En general, el montaje para realizar mediciones se puede esquematizar así (aunque, evidentemente, cada experimento es distinto):

esquema sistema de medida

 

Podemos distinguir cinco etapas. El primer elemento es un sensor (1). Por ejemplo, para medir temperatura se puede emplear una resistencia de platino (RTD), un termistor, un termopar, etc.; para medir fuerza, o mejor, deformación, se usan galgas extensiométricas; los fotodiodos son sensibles a la luz; y también se suelen medir magnitudes relacionadas con la electricidad, como resistencia, voltaje, intensidad, etcétera. El sensor, sin embargo, proporciona frecuentemente una señal de muy baja intensidad, y se hace necesario amplificarla. Esta etapa se llama condicionamiento de la señal (2), en la que veces se aprovecha para filtrar el ruido y acoplar impedancias. Llegados a ese punto, se puede emplear un instrumento (3) digital para convertir la señal analógica en numérica, a la tasa de muestreo deseada y con la resolución requerida. Tras la etapa de la instrumentación, es necesario un bus de comunicación (4) con el ordenador. Y finalmente, en el ordenador se requiere un programa (5) que se comunique con el instrumento para configurarlo y recibir los datos.

El esquema sirve tanto para adquisición de datos como para el control de procesos. En el segundo caso, se parte del ordenador y se envía la señal por la misma cadena no hacia un sensor, sino hacia un actuador. Por ejemplo: podría ser una resistencia calefactora que se encendiera para mantener un cuerpo a cierta temperatura. El montaje indicado es muy versátil y si el instrumento dispone de un multiplexor se pueden tomar datos de varios sensores simultáneamente, y enviar órdenes a diversos actuadores. Es relativamente sencillo controlar y automatizar un experimento o un proceso industrial.

Hablemos ahora de dinero, etapa por etapa. Los sensores son bastante baratos. A saber: un termopar, un RTD, un acelerómetro, se pueden comprar por 20 euros (los precios que doy aquí son orientativos, claro; por un lado, hay quien se hace sus termopares, y por el otro extremo, un acelerómetro de alta resolución, encapsulado y calibrado, puede costar varios cientos de euros). La etapa de condicionamiento de señal se suele implementar con un pequeño circuito electrónico cuyo componente primordial es un amplificador operacional; los que yo he construido han salido por menos de 100 euros. La última etapa, el ordenador, no la consideraremos aquí; en cualquier caso, el aparato necesario no requiere de elevadas prestaciones: es suficiente un modelo básico. Y ahora nos topamos con el problema pecuniario: la instrumentación, el bus de comunicación y el sofware de adquisición de datos.

Hasta no hace mucho, la única manera de tomar datos en formato digital (como dice J. García Tíscar en su blog) consistía en atracar un banco y adquirir un sistema comercial. Un multímetro con sus accesorios puede salir por unos 2000 euros, al igual que un osciloscopio básico. No digamos nada si empezamos a hablar de aparatos más sofisticados. Como bus de datos se puede usar el USB, integrado en muchos ordenadores, pero algunos aparatos más simples hasta hace no mucho sólo disponían de bus GPIB ó RS232. Poner en marcha un bus GPIB sale por algunos cientos de euros. Se puede programar en lenguajes como el C, para el que existen compiladores gratuitos, pero un entorno de programación gráfico, más sencillo e intuitivo, como LabView (de National Instruments), VEE (de Keysight, antes Agilent, antes aún Hewlett-Packard), o Matlab, con sus paquetes correspondientes, andan por los 1000 euros. Todo esto es muy confortable y potente y rápido y ahorra tiempo; es lo que dicen en Cataluña: pagant, sant Pere canta (está claro: si se paga, hasta san Pedro canta). Aunque un laboratorio o una empresa lo puede asumir, está fuera del alcance de un presupuesto modesto.

Pues bien, el Arduino es un dispositivo electrónico programable, con entradas y salidas analógicas y digitales, que se puede conectar al ordenador mediante un puerto USB, y que cuesta 22 euros. Sí: veintidós. Con gastos de envío incluidos.

foto Arduino UNO

Por supuesto, las prestaciones son menores que las de un instrumento digital como los que se han mencionado. Notemos que la tasa de adquisición es mucho más baja (pongamos 1000 muestras por segundo; seguro que se puede pasar de 1 kHz, pero estoy dando órdenes de magnitud); compárese con un osciloscopio, que llega a 100 MHz sin problemas. La resolución es de una parte en 1024 (por contraste, un multímetro normalito alcanza una parte en un millón); el sistema de comunicaciones es rudimentario (o sea, nada que ver con el buffer o la memoria interna que suelen tener los instrumentos de laboratorio), etcétera. Todo esto lo digo porque hay que ser consciente de las limitaciones del dispositivo. Con todo, sus capacidades son más que suficientes para cubrir muchas necesidades básicas. Por ejemplo: una caseta meteorológica seguramente no requiere más.


Voy a detenerme aquí para no resultar demasiado largo. En una próxima entrada hablaré de cómo se emplea el Arduino, de su manejo (es extremadamente sencillo, de lo más fácil que he visto), del software de control, y también del adjetivo libre que aparece en el título de esta entrada.

Quiero indicar que existen otras soluciones alternativas —y que no me une ninguna relación comercial con ninguna marca de las mencionadas—. Por ejemplo, está ARMmbed, o MyRIO (este último, de National Instruments). Sin embargo, el Arduino me parece especial y revolucionario, en parte por la relación precio/prestaciones. El ARMmbed no ofrece, en mi opinión, una sencillez tan grande y una aplicabilidad tan directa; y el MyRIO es probablemente más complicado de manejar y un orden de magnitud más caro.

Ángel Garcimartín Montero
Ángel Garcimartín Montero

Catedrático de física (especialidad: materia condensada) en la Universidad de Navarra.

Ha llevado a cabo investigaciones (de carácter marcadamente experimental) sobre dinámica no lineal, inestabilidades, caos y sistemas físicos fuera del equilibrio; la fractura de los materiales frágiles; la transición vítrea, y los medios granulares. Actualmente se interesa en los atascos de materia activa (por ejemplo, los seres vivos).

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Sobre este blog

La materia blanda es la que se deforma fácilmente cuando se somete a esfuerzos o fluctuaciones térmicas: líquidos, coloides, materiales granulares, polímeros, espumas, algunos materiales biológicos. Pero en sentido figurado ¿no es también materia blanda la ciencia, la universidad, o incluso la sociedad?

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