1.1 Breve historia de la Automática
Desde el advenimiento de la civilización, el hombre ha intentado constantemente reemplazar el esfuerzo humano por máquinas y por sistemas de control.
Ya en la Edad de Piedra se diseñan los primeros dispositivos de la automatización, consistentes en trampas para cazar animales.
1.1.1 Época antigua
Las primeras evidencias de la actividad consciente del hombre en el campo del Control Automático se encuentran en los sistemas de regadíos en Babilonia, sobre el 2000 a.C. y conocidas a través de las leyes grabadas en el código de Hammurabi (Platero, 2012).
También en la Antigüedad Griega se encuentran vestigios del uso de sistemas de control realimentado.
En el siglo III a.C. Ctesibio (que vivía en Egipto) mejoró la clepsidra o reloj de agua (que ya existía en China) mediante un regulador de flotación (Fig. 1.2). Añadió una boya flotante con una estatuilla que al subir de nivel, iba marcando la hora que era. Además, el torno donde estaban señaladas las horas se iba girando según el día y época del año, ya que en verano, los días son más largos. Escribió el primer tratado científico acerca del aire comprimido, empleando para su elaboración bombas neumáticas e incluso cañones. Estas investigaciones, junto con los ensayos de elasticidad del aire (Pneumática), le han concedido la fama de ser “padre de la neumática”.
Figura 1.2: Reloj de agua de Ctesibio
En el año 378 a.C., Platón adaptó una clepsidra para convertirla en el primer despertador y que sus alumnos no llegasen tarde a sus charlas. Platón añadió a la clepsidra una segunda vasija situada en un nivel inferior sellada herméticamente y comunicadas mediante un tubo. En el interior de la primera colocó un sifón que, llegado el momento previsto, haría salir el agua con la suficiente fuerza que al llenar la segunda el aire desplazado escaparía por un pequeño orificio situado en la parte superior y produciría el sonido, semejante al producido por el vapor de agua en las teteras1.
Filón de Bizancio creó el primer molino de agua (Fig. 1.3 izquierda) sobre el I a.C. De hecho, ideó la bomba de agua para llevar el agua a un punto más alto usando la fuerza del propio agua. También inventó la ballesta o el lavamanos, un auténtico filón :-). También se le ocurrió diseñar una camarera automática (Fig. 1.3 derecha): cuando le ponías un vaso en la mano, te servía de la jarra de su otra mano vino y después agua a voluntad según como quisiéramos de fuerte el vino. ¿El primer humanoide de la historia?
Figura 1.3: Molino de agua y camarera de Filón de Bizancio
Herón de Alejandría inventó la Aelópila (o Eolípila) en el siglo I d.C., primera turbina de vapor (Fig. 1.4). Una eolípila es una máquina constituida por una cámara de aire (generalmente una esfera o un cilindro), con tubos curvos por donde es expulsado el vapor. La fuerza resultante por esta expulsión hace que el mecanismo comience a girar, según la ley de acción-reacción. Normalmente, el agua es calentada en otra cámara, y unida a la anterior mediante tubos por donde pasa el vapor, aunque también puede ser calentada en la misma cámara desde donde se expulsa el vapor. Conseguía que las puertas de los templos se abrieran solas, porque, al encender un fuego, éste calentaba el aire de un depósito subterráneo que contenía agua, la cual, al aumentar la presión del aire, salía hacia un recipiente próximo que, al aumentar de peso, tiraba de unos engranajes que acababan moviendo las puertas (sifón). También inventó diversos dispositivos automáticos como un dispensador de vino o un odómetro (para medir la distancia recorrida por un objeto).
Figura 1.4: Aélopila de Herón de Alejandría (izquierda) y mecanismo para abrir puertas mediante un sifón (derecha)
Y en este vídeo se puede descubrir su máquina de las adivinaciones:
Arquímedes, aparte de su famoso teorema, también inventó el tornillo de Arquímedes, que permitía sacar agua hacia un lugar más elevado con una simple manivela (Fig. 1.5).
Figura 1.5: Tornillo de Arquímedes
También del s. I a.C. data la máquina de Antiquitera2, un asombroso artilugio para calcular órbitas planetarias.
1.1.2 Edad Media
La edad media, como en otras disciplinas, supuso un apagón ‘tecnológico’ en Europa. Cabe destacar que en 1352 se construye el Gallo de Estrasburgo, un autómata que funciona hasta 1752, y que se conserva aún como parte de la catedral de esta ciudad (Fig. 1.6). Este es el autómata más antiguo que se conserva en la actualidad: al dar las horas movía el pico y las alas.
Figura 1.6: Gallo de Estrasburgo
El conocimiento de los sistemas de control en el periodo helénico fue preservado por la cultura islámica y redescubierto al final del Renacimiento. En la cultura islámicas surgieron figuras como los hermanos Banu Musa3: Mamad (matemático, filósofo y astrónomo), Ahmad (físico y matemático) y Al-Hasan (geómetra). Estos tres hermanos heredaron el saber de Filón y Herón y dieron forma a cantidad de artilugios. Los Banu Musa le dieron una vuelta de tuerca a la fuente de Herón y consiguieron fuentes que echaban el agua de distintas maneras e incluso que las alternaban automáticamente (Fig. 1.7). Simplemente delimitando por dónde salía el agua, conseguían un chorro vertical, en forma de lirio o escudo que variaban según diversos mecanismos.
Figura 1.7: Fuentes ornamentales de los hermanos Banu Musa
La tradición atribuye al emperador Teófilo de Bizancio la construcción en el S. IX d.C. de un trono de autómatas que emulaba el Trono del Rey Salomón y que era capaz de subir y bajar del techo al suelo a la vez que unos pájaros cantaban (acordes con la raza que fueran).
A finales del siglo XII nace en el mundo islámico el que sería uno de los mayores inventores de su cultura: Ibn al-Razzaz al Jazari4. Este hombre supo absorber todo lo que dejaron Filón, Herón y sus correligionarios los hermanos Banu Musa y se le atribuyen numerosos inventos. Uno de ellos es la fuente Royaltarki, conocida como fuente pavo real por tener una de esas espectaculares aves (Fig. 1.8). Era un lavamanos que, al tirar de un punto de la cola del pavo, sacaba agua por su pico y, a medida que el agua caía por el desagüe, una figurilla con forma de sirviente salía de su escondite y ofrecía cenizas vegetales (la pastilla de jabón de la época). Conforme más agua se usaba al aclararse, acaba apareciendo otra figurilla de detrás de unas puertas para ofrecerte esta vez una toalla para secarte.
Figura 1.8: Fuente Royaltarki de al Jazari
En Asía, los chinos tomaron las clepsidras griegas y las transformaron en verdaderos relojes mecánicos suprimiendo el flotador. El primer reloj conocido surge hacia el año 725, obra del matemático y astrónomo I-hsing. Este monje budista ideó una rueda hidráulica con unas copas en los extremos de las palas: a medida que el agua de una clepsidra iba cayendo en una taza, el peso de ésta hacía bajar una varilla que tiraba de un tope que mantenía la rueda quieta. Así, la gran rueda se movía 36 grados cada vez que se llenaba una taza y accionaba unos engranajes que movían una esfera celeste, alrededor de la cual figuraban la tierra y la luna, marcando la salida y la puesta del sol, las lunas nuevas y llenas.
Otros avances como el papel, la pólvora, la brújula o la imprenta, así como el desarrollo de la Universidades, sentaron las bases para el posterior desarrollo de la Automática.
1.1.3 Edad Moderna
En el Renacimiento tenemos la revolución científica y una gran aparición de científicos: Copérnico (heliocentrismo), Kepler (órbitas alrededor del sol), Galileo (telescopio, primera ley del movimiento, padre de la astronomía), Descartes (racionalismo, geometría analítica) o Newton (ley de la gravitación universal, mecánica clásica) son una pequeña muestra.
Durante los siglos XV y XVI algunos de los más relevantes representantes del renacimiento se interesan también por los ingenios descritos y desarrollados por los griegos. Es conocido el León Mecánico construido por Leonardo Da Vinci (1452-1519) para el rey Luis XII de Francia, que se abría el pecho con su garra y mostraba el escudo de armas del rey. En España es conocido el Hombre de palo construido por Juanelo Turriano en el siglo XVI para el emperador Carlos V. Este autómata con forma de moje, andaba y movía la cabeza, ojos boca y brazos.
Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecánicos que tenían alguna de las características de los robots actuales. Jacques de Vaucanson (1709-1782) construyó un increíble pato mecánico que fue la admiración de toda Europa (Fig. 1.9). El pato alargaba su cuello para tomar el grano de la mano y luego lo tragaba y lo digería. Podía beber, chapotear y graznar, y también imitaba los gestos que hace un pato cuando traga con precipitación. Los alimentos los digería por disolución y se conducía por unos tubos hacia el ano, donde había un esfínter que permitía evacuarlos. Vaucanson también construyo varios muñecos animados, entre los que destaca un flautista capaz de tocar melodías.
Figura 1.9: Pato de Vaucanson
Otro hito importante en la historia de la Automática es el telar de Jacquard (1801). Jacquard fue el primero en aplicar las tarjetas perforadas como soporte de un programa de trabajo, es decir, eligiendo un conjunto de tarjetas, se definía el tipo de tejido que se deseaba realizar (Fig. 1.10). Estas máquinas constituyeron los primeros precedentes históricos de las máquinas de control numérico.
Figura 1.10: Telar de Jacquard
A continuación podemos ver unos vídeos que nos muestran como funcionaba este maravilloso telar:
También se pueden consultar los enlaces: https://www.youtube.com/watch?v=OlJns3fPItE y https://www.youtube.com/watch?v=K6NgMNvK52A
El primer sistema de control realimentado, reconocido oficialmente en la Europa Moderna, es el regulador de temperatura inventado por el alemán Cornelius Drebbel (1572-1663), desarrollado para calentar un incubador.
Otro sistema automático de control que goza de auténtico crédito es el sistema inventado por Meikleen en 1750, consistente en colocar unas aspas auxiliares de cola en el mismo eje de las aspas principales de los molinos con el objeto de optimizar el aprovechamiento de la energía eólica (Platero, 2012).
Si bien a lo largo del siglo XVIII se empiezan a despuntar los dispositivos de control automático, su zenit llega con el regulador centrífugo (Figura 1.11 de James Watt (1736-1819). A éste se le puede tomar como punto de partida para trazar el desarrollo del control automático como disciplina científica. Se trataba de un dispositivo que proporcionaba una acción de control proporcional en la regulación de la velocidad en las máquinas de vapor (Platero, 2012).
Figura 1.11: Regulador de Watt
Como anécdota final, podemos destacar el autómata conocido como el “El Turco”. El Turco fue una famosa estructura que se cree que era un autómata que jugaba al ajedrez. Fue construido y revelado por Wolfgang von Kempelen (1734-1803) en 1769. Tenía la forma de una cabina de madera de 1.20 cm × 60 cm × 90 cm, con un maniquí vestido con túnica y turbante sentado sobre él. La cabina tenía puertas que una vez abiertas mostraban un mecanismo de relojería y cuando se hallaba activado era capaz de jugar una partida de ajedrez contra un jugador humano a un alto nivel. Tras asombrar a numerosas personalidades (entre ellas el mismo Napoleón), se descubrió que su funcionamiento estaba basado en una persona escondida en su anterior que movía las piezas. Aún así, el mecanismo que permitía mover las piezas propias y conocer el estado de las piezas del oponente es destacable.
1.1.4 Edad Contemporánea
Desde el siglo XVIII la Automática ha sufrido una evolución exponencial y es imposible narrar aquí todos los inventos que han tenido lugar, por lo que sólo se mostrarán algunos de los más significativos.
En 1835, Charles Babbage presenta su máquina analítica (Fig. 1.12), que viene a ser la precursora del ordenador. En 1842, Ada Lovelace escribe el primer algoritmo para la máquina que, no obstante, nunca se construyó por los problemas de resistencia de los materiales de la época. La máquina analítica debía funcionar con un motor a vapor y habría tenido 30 m de largo por 10 de ancho. Para la entrada de datos y programas había pensado utilizar tarjetas perforadas. La salida debía producirse por una impresora, un equipo de dibujo y una campana. La máquina debía también perforar tarjetas que podrían ser leídas posteriormente.
Figura 1.12: Máquina analítica de Babbage (reconstrucción)
En 1863, Henri Fourneaux inventó la pianola que es un piano que reproduce de forma automática, usando dispositivos neumáticos, las notas escritas en un rollo perforado sin necesidad de un pianista.
Leonardo Torres Quevedo (Cantabria, 1852-1936) fue un matemático, ingeniero de caminos e inventor español de finales del siglo XIX y principios del XX. Entre sus numerosos inventos podemos apreciar los que se muestran en la Figura 1.13.
Figura 1.13: Inventos de Torres Quevedo: El ajedrecista, nuevo dirigible, Telekino y transbordador.
En 1887 construyó el primer transbordador (“transbordador de Portolín”) para salvar un desnivel de unos 40 metros: de unos 200 metros de longitud y tracción animal, una pareja de vacas, y una silla a modo de barquilla. También construyó el Spanish Aerocar en las cataratas del Niágara, Canadá, un funicular aéreo de 550m casi horizontal (la diferencia de cota entre los dos extremos es de un metro) que une dos puntos diferentes de la orilla canadiense en un recodo del río Niágara conocido como El Remolino (The Whirpool).
En 1902, presentó un nuevo tipo de dirigible que solucionaba el grave problema de suspensión de la barquilla al incluir un armazón interior de cables flexibles que dotaban de rigidez al dirigible por efecto de la presión interior.
En 1903 presentó el Telekino, un autómata que ejecutaba órdenes transmitidas mediante ondas hertzianas. Constituyó el primer aparato de radiodirección del mundo, y fue un pionero en el campo del mando a distancia, junto a Nikola Tesla. En 7 de noviembre de 1905, ante una gran multitud, demostró con éxito el invento en el puerto de Bilbao al guiar un bote desde la orilla.
En 1914 presentó El Ajedrecista, considerado el primer videojuego de la historia. Utilizando electroimanes bajo el tablero de ajedrez, jugaba automáticamente un final de rey y torre contra el rey de un oponente humano. No jugaba de manera muy precisa y no siempre llegaba al mate en el número mínimo de movimientos, a causa del algoritmo simple que evaluaba las posiciones, pero lograba la victoria en todas las ocasiones.
En 1920, el escritor checoslovaco Karel Capek emplea, por primera vez, la palabra robot en una obra de teatro, para designar un androide que realizaba funciones propias de un ser humano.
En 1913, la Ford Motor Company introdujo una línea de ensamblaje de producción de automóviles que se considera uno de los tipos de automatización pioneros en la industria manufacturera. Antes de eso, un coche era construido por un equipo de trabajadores cualificados y no cualificados.
La productividad de las fábricas aumentó rápidamente debido a la electricidad (especialmente la alterna debida a Nikola Tesla) en la década de 1920 y en la década de 1930. La industria automotriz lideraba la carga en la automatización industrial. Fue durante esta época cuando la industria estaba aplicando controladores de retroalimentación, un temporizador eléctrico de alta precisión y relés de protección.
En 1944 el norteamericano Howard Aiken construye el Mark I, un ordenador de 8 toneladas de peso, más de 15 metros de largo y 2’40 metros de alto, con 800 kilómetros de cables en su interior. Invertía 0’3 segundos en las sumas y 12 segundos para las divisiones.
En 1946 aparece la versión definitiva del ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator), primer ordenador electrónico. Consumía 175.000 W de potencia (aproximadamente, lo que 220 braseros conectados simultáneamente).
En 1948 Walter Brattain y John Bardeen, de los Laboratorios Bell, en Estados Unidos, inventan el transistor. Es el gran avance que lleva al mundo actual.
En 1958, Jack Saint Clair Kilby inventa el microchip, que permite integrar varios transistores en un único montaje, con la consecuente evolución.
Los autómatas programables se introducen por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. Bedford Associates propuso un sistema de control denominado Controlador Digital Modular (Modicon, Modular Digital Controller) al fabricante de automóviles General Motors. Otras compañías propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente.
En 1968 se abrieron paso en la historia los PLC (Controlador Lógico Programable) con el Control Industrial Modular creado por Dick Morley. Así se dio paso a la automatización de procesos electromecánicos propios de las líneas de montaje. En cuanto a las máquinas, en 1978 AMK inventó la programación CNC (Control Numérico Computarizado) que permitiría su control remoto.
En 1971, la empresa Intel lanza el primer microprocesador, el 4004.
En 1975 un cliente encargó un sistema de control Beckhoff con una peculiaridad: que fuera equipado con un disco duro con la finalidad de recoger datos. La solución se hizo integrando un PC en el sistema y a partir de este momento se dieron cuenta de que el PC integrado podía servir para mucho más, lo que provocó una revolución en la automatización industrial.
En 1990 comienzan a montarse las fábricas totalmente automatizadas.
Referencias
Más información: https://historiasdelahistoria.com/2015/10/27/sabias-que-el-despertador-lo-invento-el-filosofo-planton↩︎
Más información: https://youtu.be/UpLcnAIpVRA↩︎
Tomada de: http://historiautomatas.blogspot.com/2010/06/s-ix-dc-hermanos-banu-musa.html↩︎
Tomada de: http://historiautomatas.blogspot.com/2010/06/s-xii-al-jazari.html↩︎