La metrología, motor de innovación tecnológica y desarrollo industrial

Introducción
La "Metrologí­a", definida como "ciencia que se ocupa de la medida" es tan antigua como la propia humanidad y se ha desarrollado en función de las necesidades de la sociedad en cada época. Se trata de una ciencia situada horizontalmente en la base del conocimiento, que juega un papel primordial en campos tales como la investigación y el desarrollo, la fabricación industrial, la medicina, las telecomunicaciones, el comercio, etc. El progreso de la ciencia siempre ha estado í­ntimamente ligado a los avances en la capacidad de medición. La metrologí­a, a menudo ignorada por la opinión pública, es una creación de la sociedad industrializada y afecta a casi todos los aspectos de la vida.

En la actualidad, las áreas tradicionales de la industria han evolucionado hacia una mayor complejidad, requiriendo tolerancias de fabricación más exigentes y rangos de medida más amplios con menores incertidumbres; por otro lado, han surgido nuevas áreas tecnológicas, tales como la nanotecnologí­a y la biotecnologí­a, al tiempo que áreas que no son nuevas en sí­ mismas, como la quí­mica, la medicina y la seguridad alimentaria requieren importantes aportaciones de la metrologí­a. Sin embargo, para que se produzca un efectivo progreso en dichas áreas se requiere un mayor esfuerzo en investigación y desarrollo de patrones y métodos de medida trazables al Sistema Internacional de Unidades, SI.

Desarrollar y mejorar las capacidades de medida disponibles en un paí­s, es esencial para potenciar y apoyar los procesos de innovación tecnológica y desarrollo industrial como elementos diferenciadores de las economí­as emergentes. Proyectos especí­ficos de I+D permiten disponer de patrones y métodos de medida que favorecen la ruptura de algunas de las actuales barreras tecnológicas existentes en materia de reproducibilidad y aceptación de resultados en cualquiera de las aplicaciones industriales, como es el caso de la nanotecnologí­a, donde las tolerancias e incertidumbres demandadas son del orden de mil veces menores a las actualmente existentes en la fabricación de precisión. Así­, aunque en muchos procesos de nano-fabricación se emplean microscopios electrónicos o interferómetros láser de alta resolución, se observa gran dispersión en las caracterí­sticas de las fabricaciones, fruto de la falta de exactitud y reproducibilidad de los sistemas de medida y posicionado, y de la dificultad de contar con patrones de calibración adecuados a la nanoescala.

Los avances en metrologí­a son básicos para la innovación, y potencian todas las áreas de la ciencia. La industria necesita contar con claros fundamentos metrológicos que sustenten sus decisiones tecnológicas y sus polí­ticas de innovación.

Evolución de la metrologí­a en paralelo con la ciencia y la tecnologí­a
El desarrollo de cualquier civilización ha llevado aparejado el desarrollo de un sistema de pesos y medidas. No existe civilización si no se establecen relaciones entre los seres humanos, relaciones que siempre implican los conceptos de propiedad e intercambio, para los que pesos y medidas son un instrumento imprescindible. Por ello, en sus comienzos, el comercio fue el principal impulsor de la metrologí­a. Los griegos son un claro ejemplo de primeros comerciantes que entendieron la importancia de la metrologí­a. Ellos mantení­an copias de todos los pesos y medidas de los paí­ses con los que comerciaban, como forma de evitar el que puede considerarse, aun hoy, otro de los grandes impulsores de la metrologí­a: el fraude. En un principio bastaban simples piedras o partes del cuerpo como patrones pero según fue extendiéndose el comercio, se fue exigiendo una mayor precisión y exactitud a las pesas y medidas, los patrones debí­an ser estables y, de alguna forma, equivalentes.

Desde los tiempos de Galileo y su "Ciencia Nueva", metrologí­a y ciencia comienzan su evolución en paralelo. Galileo fue el primero en percatarse de que las cosas tení­an propiedades medibles y propiedades no medibles. í‰l mismo identificó las propiedades medibles como magnitudes, momento que puede ser considerado como el inicio de la metrologí­a tal y como la entendemos ahora. Galileo decí­a que su propósito era "contar lo que se puede contar, medir lo que se puede medir y, lo que no se puede medir, hacerlo medible"; no puede haber mejor lema para un metrólogo.

La metrologí­a cientí­fica se vio, en un principio, más desarrollada en aspectos relacionados con la arquitectura, agrimensura y geografí­a en general. Esta í­ntima relación entre metrologí­a y geografí­a queda evidenciada por los í­mprobos trabajos de Delambre y Méchain en la determinación de la longitud del grado de meridiano, presionados por las acuciantes necesidades de los navegantes de la época por determinar las longitudes geográficas, lo que también influyó en el desarrollo de la medida de tiempo y el progreso acelerado de la relojerí­a en los siglos XVI y XVII. Ello conllevó una mejora sustancial en la mecánica de precisión, antecedente inmediato de la revolución industrial.

Esta relación entre ciencia y técnica con la metrologí­a se hizo más estrecha con la decisión, fundamentalmente francesa, de construir un sistema de pesas y medidas libre de las limitaciones antropológicas de los modelos antiguos. Esta decisión tuvo un efecto adicional con el que no contaron sus creadores, en un principio sólo preocupados por facilitar las relaciones comerciales. Los primeros patrones basados en conocimientos geográficos resultaban insuficientes para cubrir las necesidades técnicas, lo que condujo al empleo de métodos y conceptos cientí­ficos para hacer progresar la metrologí­a, dando fundamento a los patrones y mejorándolos progresivamente, produciéndose como consecuencia una mejora en la calidad de las medidas y posibilitándose la producción industrial en serie y la tecnologí­a moderna en general.

La evolución del metro es quizá uno de los ejemplos más claros de cómo ciencia y metrologí­a han seguido un camino paralelo. En 1890 A. A. Michelson descubrió que la lí­nea espectral roja del cadmio era excepcionalmente coherente; un poco más tarde, en 1892, utilizó su interferómetro para determinar la longitud del prototipo internacional del metro en términos de esa longitud de onda y, en 1907, le fue concedido el premio nobel de fí­sica por "sus instrumentos ópticos de precisión y la investigación llevada a cabo gracias a ellos en los campos de la metrologí­a de precisión y la espectroscopí­a", en palabras del profesor K.B. Hasselberg en su discurso de la ceremonia de entrega de dichos premios.

En 1925 el interferómetro pasó a ser un instrumento de medida habitual para la determinación de longitudes en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM en sus siglas en francés). En 1921 A. Pérard inició un estudio sistemático de las radiaciones del cadmio, mercurio, helio, neón, kriptón, zinc y talio buscando cuál podrí­a ser de más utilidad para medir longitudes. En 1950 el cadmio 114, el mercurio 198 y el kriptón 86 quedaron como los mejores candidatos y en 1960 el metro pasó de estar definido por un artefacto fí­sico a definirse a partir de la longitud de onda de la luz resultante de la transición entre dos niveles atómicos de un elemento concreto (el kriptón 86). Algo antes, a mediados de los 50, habí­a comenzado a "producirse" radiación coherente en la región de las microondas gracias al máser desarrollado por C. Townes en los Estados Unidos y N. Basov y A. Prokhorov en la Unión Soviética, que compartieron el premio nobel en 1964. C. Townes junto con A. Schawlow extendieron la idea del máser a la región óptica y consiguieron sólo dos años más tarde construir el láser.

A partir de 1964, las longitudes de onda estabilizadas de láseres de helio-neón comenzaron a utilizarse como patrones de longitud. El uso de la interferometrí­a láser permití­a la medida de mayores longitudes, imposibles de ser medidas mediante fuentes de luz de lámparas espectrales y su desarrollo fue imparable gracias a sus numerosas aplicaciones. En 1981 el propio Schawlow recibirí­a el premio nobel por sus desarrollos en espectroscopí­a láser y en 1983 la definición del metro volvió a ser modificada para basarse ahora en una constante fundamental, la velocidad de la luz, recomendándose el láser de helio-neón estabilizado sobre célula de Iodo para su realización práctica.

Y la historia continúa; en 2005 J. L. Hall y T. W. Hí¤nsch recibieron también el premio nobel de fí­sica por "sus contribuciones al desarrollo de la espectroscopí­a de precisión basada en técnicas láser, incluyendo la técnica óptica del peine de frecuencias". El peine de frecuencias ha simplificado el panorama de la medida de longitudes ya que un único instrumento permite generar y medir, con una exactitud sin precedentes, la frecuencia de casi cualquier fuente óptica estable.

La medida de la longitud no es el único ámbito de la metrologí­a que ha evolucionado en paralelo con la ciencia y la tecnologí­a. Hace ya más de veinte años la metrologí­a eléctrica sufrió profundos cambios con el advenimiento de la era cuántica. Los patrones eléctricos pasaron a ser fenómenos cuánticos más estables, robustos, reproducibles y exactos que sus predecesores. Los efectos Josephson y Hall (B. D. Josephson y K. von Klitzing fueron premios nobel en 1973 y 1985 respectivamente) fueron establecidos en 1988 (recomendaciones 1 y 2 de 1988 del Comité Internacional de Pesas y Medidas) como materializaciones recomendadas del voltio y ohmio respectivamente. Más adelante, en 2010, A. Geim y K. Novoselov fueron galardonados con el premio nobel por sus experimentos pioneros con el grafeno, uno de cuyos usos prácticos es como patrón de resistencia eléctrica, basado en el efecto Hall no convencional.

A través de la ciencia, las medidas han evolucionado y se han adaptado para dar respuesta a las necesidades de las diferentes civilizaciones hasta llegar al mundo que hoy conocemos con las comunicaciones por satélites, el desarrollo de nuevos materiales -alterando la materia a nivel atómico- que permiten la fabricación de productos inteligentes, el conocimiento de planetas y astros a años luz de la tierra, o de nuestro propio cuerpo, con instrumentos y técnicas no invasivas como los escáneres cerebrales, la resonancia magnética, etc

Esta relación entre ciencia y metrologí­a continuará reforzándose, sin duda, en el futuro. En la actualidad existen evidentes lí­neas de investigación que pueden tener un impacto directo en las propias definiciones de las unidades, ligándolas a la medida de constantes fundamentales. Estamos viviendo uno de los momentos más apasionantes de la historia de la metrologí­a en el que nuevos caminos inexplorados traerán consigo nuevos avances en la industria y la tecnologí­a.

El papel de la metrologí­a en la I+D+i
El mundo actual está haciendo frente a cambios estructurales y retos extraordinarios para intentar dar solución a la reciente crisis económica que ha dejado a muchos paí­ses endeudados y con una gran tasa de paro. La globalización de las finanzas y la fragmentación geográfica de la producción ha alcanzado niveles sin precedentes que exigen de los gobiernos nuevas estrategias y modelos sostenibles. En una economí­a globalizada donde los productos se distribuyen y comercializan rápidamente y en donde el factor precio juega un papel relevante, una de las ví­as prioritarias para competir, adoptada por las economí­as avanzadas como la Unión Europea, es la profundización en el conocimiento, lo que engloba la investigación y el desarrollo (I+D), la innovación y la educación, como motor esencial del incremento de la productividad. Promover la investigación, el desarrollo y la innovación (I+D+i) es un objetivo importante, de interés común.

Es por ello que la investigación y la innovación juegan un papel prioritario en la estrategia EUROPA 2020 para promover un crecimiento inteligente y sostenible. El objetivo europeo para el año 2020 es incrementar el gasto en I+D y llegar al 3 % del PIB europeo. Varias de las iniciativas emblemáticas de dicha estrategia contemplarán la metrologí­a, tales como:

• Unión por la innovación
• Una agenda digital para Europa
• La Europa de los Recursos eficientes
• Una polí­tica industrial para la era de la globalización

Como hemos venido diciendo, la metrologí­a va í­ntimamente ligada al desarrollo de la ciencia y dado que se la suele considerar como ciencia horizontal situada en la base del conocimiento, es esencial en la investigación cientí­fica, en las mediciones necesarias para el control y mejora de la comprensión de teorí­as/hipótesis, para el estudio de los factores que influyen en un fenómeno especí­fico y para el desarrollo de nuevas teorí­as y la mejora de técnicas de medida. La investigación cientí­fica es, a su vez, la base del desarrollo de la propia metrologí­a. Aquellos campos de la metrologí­a de mayor desarrollo, son los que aportan más y mejores soluciones a la investigación y a la industria. La metrologí­a es un vector de competitividad y un factor de trazabilidad. Asimismo, en otro aspecto, la metrologí­a es también clave para la seguridad jurí­dica, con la medición como factor de imparcialidad en las transacciones.

La industria, el comercio, y cada vez más la calidad de vida, dependen de medidas efectivas y consistentes. Por lo tanto las demandas en metrologí­a están creciendo de forma constante, y es de esperar que crezcan más rápidamente en el futuro. Se puede considerar que los motores de este crecimiento son los tres siguientes:

• La mayor complejidad de la industria, que requiere mayores rangos de medida y menores incertidumbres.
• La aparición de nuevas áreas tecnológicas, como la nanotecnologí­a o la biotecnologí­a.
• El mayor valor reconocido a la metrologí­a en disciplinas clásicas, tales como la medicina o la seguridad alimentaria.

 

Impacto de la metrologí­a en el desarrollo industrial y económico de los paí­ses
Una buena infraestructura metrológica es fundamental para la industria, haciendo accesibles servicios tales como la calibración de instrumentos de medida, patrones y materiales de referencia, la formación y el asesoramiento, que permiten realizar medidas fiables, desarrollar nuevos productos y contribuir a la calidad de éstos, junto a la eficiencia de los procesos y la competitividad de las empresas.

En los paí­ses industrializados se estima que las medidas tienen un coste equivalente en sus economí­as de más del 1 % del PIB y un retorno equivalente entre el 2 % y el 7 % del PIB, por lo que la metrologí­a supone una parte vital de la actividad diaria de la sociedad.

La medición sistemática, con incertidumbre determinada, es una de las bases del control de calidad industrial, hasta el punto que, en las industrias más modernas, el coste de las mediciones supone del 10 % al 15 % de los costes de producción.

Aun siendo de una claridad meridiana el impacto que tiene la metrologí­a en el desarrollo industrial y económico de los paí­ses, es muy usual que se quiera cuantificar y justificar la necesidad de desarrollar y mantener una infraestructura metrológica en cada paí­s. Esta evaluación no es sencilla y para que sus resultados puedan ser fiables se ha de dedicar bastante tiempo, dinero y personal especializado a ello. Merece la pena destacar el informe emitido por el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) donde se recogen a grandes rasgos resultados de cuatro grandes estudios realizados hace unos años por reputadas instituciones como son: NIST (EE. UU.), DTI (Reino Unido), NRC (Canadá) y la Unión Europea. Cada uno de estos estudios ha utilizado diferentes supuestos económicos.

El NIST ha realizado varios estudios del impacto económico de la metrologí­a en diversas áreas, muchos de los cuales se basan en la comparación del coste de desarrollo de un cierto patrón de medida o material de referencia certificado y el ahorro estimado a un determinado grupo de usuarios o a la industria. Este modelo, en principio, permite estimar el impacto en una escala nacional haciendo alguna extrapolación. Uno de los ejemplos del estudio relata que el periódico Washington Post and Medical Laboratory Observer informó en su dí­a que entre el 25 % y el 30 % de las mediciones relacionadas con la salud se realizan para confirmar diagnósticos (repetición de ensayos, prevención y detección de errores). Esto significa que potencialmente entre 10 y 30 mil millones de dólares por año podrí­an ser ahorrados si las medidas fueran consistentes y fiables.

El enfoque del DTI está basado en consideraciones macroeconómicas que permiten obtener cifras generales. En paralelo, se han realizado estudios comparativos respecto a las capacidades de medida de su instituto nacional de metrologí­a (National Physical Laboratory, NPL) en relación con las de otros institutos nacionales. La investigación demostró que las mediciones en el Reino Unido tienen un efecto significativo en la economí­a del orden del 0,8 % del PIB.

Los estudios canadienses están basados en la combinación de varios estudios parciales, encuestas y análisis estadí­sticos. Los casos estudiados se han extrapolado obteniéndose la importancia de dichos resultados a escala nacional. Los resultados globales del estudio estiman, de forma conservadora, que la inversión pública de 12 millones de dólares canadienses en su instituto nacional de metrologí­a proporciona un ratio coste/beneficio de 1 a 13.

El estudio de la UE está basado en seis casos (nanotecnologí­a, industria del automóvil, industria farmacéutica, sector del gas natural europeo, industria de diagnosis in vitro y control de emisiones y contaminación del medioambiente) y en la información aportada por los estados miembros, complementada con estimaciones económicas. Se indica que la UE gasta alrededor del 1 % del PIB en actividades de medición y que por cada euro dedicado a estas actividades se generan 3 euros. Así­ pues, el ratio coste/beneficio es de 1 a 3, esto sin tener en cuenta las externalidades.

De los estudios mencionados anteriormente se deduce que, en las sociedades industriales modernas, el valor anual de las transacciones en las que se emplean las medidas es del 50 % del PIB. Este dato es muy significativo e importante para valorar lo que significarí­a una reducción de la infraestructura de la metrologí­a. Un aumento en el error medio de las medidas del 0,1 % significarí­a un coste social del orden del 0,05 % del PIB que es mucho mayor que el coste que los Estados pagan por mantener una infraestructura metrológica.

Como resumen se puede decir que los cuatro estudios citados aportan argumentos que abogan por la conveniencia de que los Gobiernos sigan invirtiendo en metrologí­a. Concretamente, en el informe del CIPM se concluye que:

Existen claras razones económicas para que los sistemas de medida nacionales, desarrollados y mantenidos por los institutos nacionales de metrologí­a (INM) de los distintos paí­ses, sean financiados con fondos públicos.

Los INM inducen considerables beneficios (spillovers) a la competitividad internacional y a los procesos de innovación industrial, además de prestar apoyo al sector industrial de los instrumentos de medida y a la pequeña y mediana empresa.

Los INM generan un considerable número de beneficios externos que mejoran cuantitativamente aspectos de la calidad de vida, tales como la salud, la seguridad, la protección del consumidor y del medioambiente.

La actividad de los INM influye positivamente sobre la economí­a a través del mantenimiento de la infraestructura metrológica, apoyando la innovación y permitiendo el comercio seguro y justo.

Se debe prestar especial atención y financiación a las tecnologí­as emergentes, incluyendo la metrologí­a en áreas como la nanotecnologí­a, las mediciones basadas en efectos cuánticos, el software, la quí­mica, la biotecnologí­a, así­ como en las tecnologí­as de la información, que permiten realizar calibraciones y comparaciones ví­a telemática.

Debe entenderse que estas sugerencias tienen un carácter general, por lo que deben ser adaptadas a las economí­as y nivel de desarrollo tecnológico de cada paí­s.

Como conclusión podemos decir que la infraestructura metrológica de un paí­s debe considerarse como una infraestructura técnica crucial, que aporta garantí­as para:

• Mejorar la capacidad técnica de innovación
• Promover el crecimiento económico y el progreso social
• Aumentar la competitividad en el comercio internacional
• Mejorar los intercambios y cooperaciones internacionales
• Facilitar la aplicación de alta tecnologí­a en la industria
• Garantizar la seguridad y eficacia de la asistencia sanitaria
• Dar respuesta a los grandes retos de la energí­a y el medio ambiente

La metrologí­a en el siglo XXI
La metrologí­a está comenzando a explorar nuevas fronteras; es el caso de la denominada "soft-metrology", que tal vez podrí­amos traducir como metrologí­a "sin dimensiones" o metrologí­a de las "sensaciones", centrada en la medida de parámetros asociados a la percepción humana. En esta nueva metrologí­a, el ser humano es considerado como un "transductor", centrándose los trabajos en la creación de escalas, la selección de "expertos" en sensaciones, la definición de sensibilidad, repetibilidad y reproducibilidad y la comparabilidad de métodos. La medida de la utilidad del software o del confort o de la satisfacción del cliente son ejemplos dentro de este campo, sin olvidar el color, gusto u olor, o parámetros econométricos y sociométricos como la imagen o la audiencia.

La comunidad metrológica tradicional es renuente a incluir esta metrologí­a de sensaciones entre las prácticas habituales ya que los resultados parecen, en principio, subjetivos. Lo ideal serí­a utilizar sensores aplicados a los sujetos sometidos a ensayo. La Comisión Europea, dentro de su programa Nuevas Ciencias y Tecnologí­as Emergentes ha financiado un proyecto llamado "Midiendo lo imposible". El objetivo de este proyecto es la investigación en áreas interdisciplinarias de la ciencia, con el propósito de apoyar el desarrollo de nuevos métodos y técnicas de investigación para la medición de fenómenos complejos que dependen de la percepción humana y su interpretación. Incluye, por ejemplo, las mediciones relativas a la percepción de los atributos de los productos y servicios, tales como la calidad o el atractivo, o la cuantificación de parámetros sociales tales como la seguridad y el bienestar. En resumen, el leitmotiv de Galileo sigue presente hoy en dí­a para los metrólogos: hacer medible lo que no se puede medir.

Este artí­culo fue publicado originalmente en la revista Española de Metrologí­a e-medida