DOI: 10.47460/uct.v25i110.486
Sistemas inteligentes para la protección de ecosistemas, flora y fauna
Sandoval Ruiz Cecilia E.
Facultad de Ingeniería, Instituto de Matemática y
Cálculo Aplicado, Universidad de Carabobo
Recibido (14/05/21 ) Aceptado (11/07/21)
Resumen: La presente investigación se centra en desarrollar una propuesta para aplicaciones sostenible y conservación del hábitat natural de la flora y fauna. Esto manteniendo un equilibrio entre las tecnologías, los avances científicos y la simplificación fractal, orientada a la protección ambiental. En tal sentido, se ha estudiado la correspondencia entre esquema de reciclaje y recuperación de calor residual, como soluciones desde el campo de la ingeniería, para el diseño bioinspirados, aprendizaje inteligente del entorno, simplificación modular de sistemas, como método de optimización sostenible. Se presenta un conjunto de propuestas, a partir de elementos reconfigurables, biodegradables (meta- materiales) y realimentación, para minimizar el impacto ambiental. Finalmente, se obtiene como resultado el modelo regenerativo con las ecuaciones descriptivas y los parámetros adaptados a la aplicación de conservación de ecosistemas, áreas forestales y glaciares. Lo que permite concluir, que el estudio multidimensional aporta soluciones dentro del rigor científico en materia ambiental, protección de los recursos naturales, mitigación de impacto ambiental, respeto del equilibrio y ciclos de la naturaleza, para la recuperación de los sistemas y calidad de vida de los seres vivos.
Palabras Clave: Remediación Ambiental, Protección de la Fauna, Conservación de ecosistemas, Sistemas Regenerativos.
Smart systems for the protection of ecosystems, flora and fauna
Abstract: The present research focuses on developing a proposal for sustainable engineering applications and conservation of the natural habitat of flora and fauna. This is maintaining a balance between technologies, scientific advances and fractal simplification, aimed at environmental protection. In this sense, the correspondence between recycling scheme and waste heat recovery has been studied, as solutions from the engineering field, for
Keywords: Environmental Remediation, Fauna Protection, Ecosystem Conservation, Regenerative Systems
138
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
I. INTRODUCCIÓN
La investigación científica viene realizando estudios en materia ambiental, con el objetivo de fomentar el conocimiento, respeto, empatía y responsabilidad son valores importantes para la conservación de la natura- leza y encontrar soluciones viables y eficientes para la conservación de hábitats naturales. Entre estos se en- cuentran los glaciares
Actualmente, la educación ambiental debe orientar y concientizar en la protección al hábitat de la flora y fauna, impacto ambiental asociado a cada actividad y soluciones sostenibles. La efectividad de las medidas
de protección de la fauna urbana y silvestre depende del comportamiento humano, es necesario el acceso a información y asesoría oportuna, a través de programas de formación y capacitación, asesoría especializadas en línea, centros de ayuda y atención veterinaria, dispen- sadores de alimentos y parques ecológicos. Así mismo promover la migración a un estilo de comportamiento simple y sostenible: alimentación sostenible (de origen vegetal y natural), identificación del impacto
Fig. 1. Modelo Sostenible de Protección del Hábitat de la Flora y Fauna
A las medidas de protección se deben incluir medi- das correctivas, considerando que en los procesos tér- micos industriales, se desperdicia entre el 20 y el 40% de la energía, la cual es disipada al ambiente, por lo que se han desarrollado tecnologías de recuperación de calor móviles (portátiles) y almacenamiento térmico móvil [6], en las que se aplican intercambiadores de ca- lor para la captación de la energía residual, que pueden ser aplicados igualmente en refrigeración de paneles
fotovoltaicos, compuestos por bombas, válvulas, sen- sores de caudas y líneas refrigerantes y estas tecnolo- gías pueden ser extrapoladas, para el reciclaje de calor ambiental y energía térmica oceánica, por ser el océano una gran fuente de almacenamiento de energía térmica solar [7], sin embargo su calentamiento origina efectos tales como alteración del nivel de oxígeno, el CO2 se disuelva directamente en la superficie, así el pH del mar disminuye y el agua se acidifica, lo que afecta el correc-
139
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
to desarrollo de ciertas especies, lo que no solo afecta su funcionamiento como filtros de contaminantes, el equi- librio de la vida marina.
Para corregir los efectos de la elevación de tempera- tura de los glaciares, áreas forestales y océanos, sobre las especies de estos ecosistemas, se plantea la gestión de calor regenerativo. En tal sentido, se desarrolló un diseño orientado al direccionamiento inteligente de la radiación solar [8], para filtrar de forma selectiva, los componentes espectrales para protección de áreas natu- rales (con énfasis en áreas forestales, océanos y glacia- res). Este modelo de gestión selectiva de radiación solar, puede permitir el control de temperatura y prevención de incendios en áreas forestales, océanos o deshielo en el caso de glaciares. El elemento aéreo puede tratarse de un globo aerostático solar, con paneles fotovoltaicos integrados, un elemento reflectante o una tecnología de conversión fotovoltaica y almacenamiento térmico so- lar [9], de forma remota. La idea consiste en realizar un uso eficiente de la energía solar, de manera focalizada, para revertir los efectos de calentamiento y contribuir a la recuperación de hábitat de su fauna nativa. Así mis- mo, se observan métodos de disminución de calor hasta 4.5°C, de forma natural, el cual consiste en aplicar espe- cies nativas, por su capacidad de adaptación y eficiencia en el enfriamiento, para restauración ambiental [10].
La presente investigación tiene como objetivo desa- rrollar una propuesta sobre criterios sostenibles y aná- lisis de soluciones tecnológicas en el área de la inge- niería orientados a la protección y bienestar de la fauna urbana, marina, nativa, silvestre y polinizadores, entre otros. Siendo uno de los primeros aspectos a estudiar los factores incidentes que crean cambios en la diná- mica de los ecosistemas, alterando las condiciones del hábitat de estas especies y las alternativas de solución más simples, hasta la inclusión de tecnologías avanza- das. De esta manera se busca relacionar los parámetros de optimización, a través de una ecuación matemática descriptiva, de un sistema realimentado con etapas de desplazamiento de energía programables, para mínimo impacto ambiental.
A. Diseño de materiales y sus efectos ambientales. El uso industrial de materiales o aditivos no bio- degradable, inciden en la emisión de sustancias o mi-
140
actividades conservacionistas, con el rigor científico de las investigaciones y nuevas tecnologías emergentes, es un método de minimizar este impacto. A nivel de in- geniería se plantea el diseño de módulos robóticos de recolección de plástico, limpieza oceánica, clasificación inteligente y reciclaje con procedimientos eficientes, en cuanto al consumo de energía y agua, así como sistemas modulares reconfigurables para actualización dinámica. A nivel de tecnología se plantea el diseño de materiales biodegradables y manejo sostenible de materiales.
B.Emisiones de calor residual y su impacto sobre ecosistemas.
La producción de energía eléctrica convencional y otras actividades disipan energía térmica al ambiente, lo que puede incidir en un impacto ambiental negativo sobre los ecosistemas, por alteración de la temperatura natural en el hábitat pueden originar variación de la di- námica de comportamiento de las especies locales (au- tóctonas) y el equilibrio en su interacción funcional. Es por ello, que para la disminución de emisiones de calor se plantea el diseño de tecnologías con aislamiento tér- mico, aumento de la eficiencia térmica de los procesos y la captación de calor del ambiente, usando procedi- mientos de transferencia de energía térmica (bombas de calor, sistemas aerotérmicos), para almacenamiento de energía y recuperación eficiente de la energía térmica.
Una vez detectados los aspectos a optimizar, se plan- tean métodos de solución desde el área de ingeniería:
C. Observación y aprendizaje a nivel científico de los procesos de optimización de la naturaleza.
Los
D. Tecnologías Sostenibles en protección de la fauna urbana y silvestre.
La identificación de fauna, valorización de los seres
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
vivos comprendiendo su importancia en el equilibrio de la naturaleza y conociendo el diseño de sus funciones en los ecosistemas, así como el monitoreo de condiciones de la fauna, comportamiento y características, permitirá garantizar su calidad de vida. En el caso de la fauna urbana, la educación y concientización son prioritarias, para lograr un compromiso en su tratamiento responsa- ble, los dispensadores urbanos de alimentos saludables
(sin aditivos o conservantes artificiales), dispensadores de agua, reservas ecológicas como bosques urbanos, jardines verticales, espacios verdes, etc., que les permi- ta contar con condiciones estables para su óptimo desa- rrollo. El diseño de tecnologías de baja o neutra emisión residuales, corresponde a los criterios de diseño para la sostenibilidad de la fauna, presentado en la Tabla 1.
Tabla 1. Estudio de efectos y alternativas ecológicas.
De esta manera, se definen alternativas preventivas y correctivas, las cuales pueden ser generalizadas, desde el criterio de diseño u optimización para máxima efi- ciencia, la gestión responsable de subproductos de eta- pas intermedias y mínimo consumo de recursos y ener- gía, como en el caso del calor residual que se identifica como energía térmica reciclable, esto con el objetivo de revalorizar y realimentar esta energía al sistema efi- ciente.
Todo esto orientado a tecnologías
E. Diseños de ingeniería para la fauna urbana Los dispensadores de alimentos para fauna urbana,
deben contemplar alimentos saludables de acuerdo a las características de las mascotas, así mismo alimentos sostenibles, basados en proteínas vegetales compati- bles. En tal sentido, se plantea una red neuronal pro- funda CNN para extraer los rasgos o características de la imagen captada por una cámara digital en el dispen- sador. De esta manera, se puede ofrecer los alimentos idóneos, las cantidades más convenientes, dosificación de alimentos, distribución de los alimentos en laberin- tos para que puedan comer de forma lenta y estimular su capacidad cognitiva, juegos, actividades o retos cog- nitivos, estudio de patrones de comportamiento, diag- nóstico oportuno de condiciones de salud y atención veterinaria remota o asesoría en línea para las personas que interactúan con la fauna urbana. Retos cognitivos: Distribuir alimentos, para que la mascota deba encon- trarlos, guiado por su olfato. Juego de inteligencia como laberintos. Colocar de forma no visible algún premio comestible o juguete, para que realice actividades de búsqueda. También se pueden colocar barreras en cir- cuitos de retos cognitivos, colocar algunas barreras, que requiera solucionar y encontrar el camino hacia la meta. Juegos interactivos y estimulación sana para las mas-
141
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
cotas, siempre de forma segura. Lo que se busca es que no se estrese y pueda mantener su salud mental y cogni- tiva en buen estado, realizar algunas actividades como ejercitarse de forma segura y mantenerse feliz. A esta actividades se pueden incluir módulos de inteligencia, masajes a través se cepillos suaves, estaciones de juego, entre otros.
F. Conservación ambiental, flora y fauna.
Para mitigar el impacto ambiental se requieren ac- ciones preventivas como nuevos modelos de desarrollo,
hábitos y educación ambiental y redes de asesoría en líneas puede ser una herramienta para superar el des- conocimiento (cultural) y revalorizar la fauna y flora y acciones correctivas, tales como la remediación y res- tauración de los ecosistemas. Una conciencia colectiva, basada en criterios de sostenibilidad, que promueva la reforestación y disminución/mitigación de emisiones de calor y elementos contaminantes al ambiente, como forma de remediación ambiental para proteger el hábitat de los animales y todos los seres vivos, con un esquema como el presentado en la Tabla 2.
Tabla 2. Componentes del esquema regenerativo de remediación ambiental.
II.DESARROLLO
Entre los conceptos a estudiar se presenta las apli-
caciones tecnológicas de redes neuronales reconfigu- rables, orientadas a la protección de la fauna en sus diversas actividades. Dado que las redes neuronales ar- tificiales profundas (deep learning), permiten identificar patrones, formas de ondas e imágenes, ha sido amplia- mente aplicado para reconocimiento y clasificación, es- tos avances puede ser orientados para la protección de la
fauna, desde identificación de especies, caracterización para suministro de alimentos saludables de acuerdo a su talla y requerimientos, diagnóstico de comportamiento, entre otras funciones. En esta oportunidad se propone identificar la forma de onda de los sonidos emitidos por la fauna urbana para reconocer condiciones de salud y caracterización de rasgos específicos, a fin de alcanzar una atención óptima. En la Figura 2 se presenta el es- quema de las capas de la red neuronal.
Fig. 2. Reutilización de Redes Neuronales CNN
142
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
Las CNN permitirían identificar mascotas perdidas, ubicación de fauna en sus hábitats de origen, comporta- miento, monitoreo, etc. Para la configuración de la red neuronal se plantea la reutilización de capas
Modelo de sistemas regenerativos y redes neuro- nales artificiales.
Desde el modelo conceptual se reconocen compo- nentes dados por pesos o coeficientes para las etapas funcionales y
Esto supone un tratamiento novedoso en los siste- mas
vo se concentra en una ventana de tiempo, cuya expan- sión permite construir el entramado específico. Aparece igualmente, un tercer factor correspondiente a la ener- gía, la cual no tiene representación en el espacio físico, pero se relaciona con las estructuras de conversión.
Impacto ambiental de las energías renovables. La baja densidad energética de la tecnología de conversión fotovoltaica, hace que esta energía renovable requiera grandes extensiones de terreno, suelo fértil, áreas fores- tales y hábitat de diversas especies, por lo que es nece- sario avanzar en el estudio de alternativas más eficientes y con menor impacto ambiental. Por otra parte, la foto- voltaica distribuida sobre tejados de edificaciones ha- bitadas por seres vivos puede tener incidencia sobre la salud, tal es el caso de la contaminación electromagné- tica que puede afectar la memoria, concentración y las neuronas de sus habitantes. Finalmente, una tecnología emergente corresponde a la fotovoltaica flotante, con varias ventajas sobre los otros modelos, pero con igual incidencia sobre el ambiente marino, temperatura de las aguas oceánicas, afectación de las actividades de la fau- na marina, entre otros efectos que deben ser mejor es- tudiados. Por todo esto, la
La propuesta comprende aplicaciones en línea, para protección, restauración y conservación de hábitats de la fauna urbana, silvestre, marina, polinizadores, a tra- vés de herramientas de
143
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
Fig. 3. Esquema Conceptual de Aplicaciones Tecnológicas de protección a la Fauna.
La naturaleza es una fuente de conocimiento, para el diseño de los sistemas sostenibles, es necesario ob- servar y estudiar sus modelos de optimización, para la construcción de modelos regenerativos y la restaura- ción de condiciones ambiental. La protección del suelo, bosques, árboles, revestimiento vegetal, reforestación, germinación de semillas nativas (restauración forestal), promueve el restablecimiento del equilibrio, por lo que deben ser medidas básicas. Las máquinas de aprendiza- je y elementos inteligentes en las actividades agrícolas e industriales pueden hacer éstas más sostenibles, sin introducir químicos, ni otros elementos contaminantes. Siendo el tema energético un eje de contribución, que facilita la migración hacia tecnologías sostenibles. Todo esto desde la consideración que el respeto a los animales y seres vivos inspira soluciones ambientales eficientes.
A. Servicio colaborativo para optimización de sistemas y energías renovables.
Comprende el diseño de un optimizador colabora- tivo, desde un servidor entrenamiento neuronal remoto, para aplicaciones de restauración ambiental, bioinge- niería, protección de la biodiversidad en flora y fauna, tecnologías sostenibles inspiradas en la eficiencia de la naturaleza. A través de un modelo distribuido, soportado en un software de entrenamiento colaborativo, integran-
144
do los aportes de diversos diseñadores al sistema. La innovación viene dada por la capacidad de seguimiento de un comportamiento específico de elementos natu- rales, es decir, por
Tecnologías Sostenibles aplicables a remediación ambiental.
1.Diseño arquitectónico con vegetación, musgo en espacios funcionales para mejorar el impacto ambiental
Energía solar fotovoltaica y agricultura sostenible, en relación simbiótica. Inteligencia de enjambre como herramienta para el seguimiento solar, en aplicaciones
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
fotovoltaicas y termosolares, donde los agentes activos se encuentran sincronizados y
2.
3.Redes neuronales CNN y RNN para reconoci- miento de especies de fauna urbana, local (autóctona), silvestre, marina y comportamiento de biodiversidad, en protección de ecosistemas ambientales. Plataforma de remediación ambiental, protección de mascotas y fauna silvestre, asesorías especializadas para gestión ambiental y soporte técnico. El objetivo es diseñar una plataforma colaborativa, donde los especialistas de áreas de ingeniería, veterinaria, sostenibilidad, acti- vistas, puedan aportar sus conocimientos en una guía práctica de casos generalizados y atención particulari- zada a usuarios que requieran apoyo en situaciones de colaboración ambiental. Desde estrategias de adopción de mascotas de forma individual o colaborativa, acti- vidades
4.Redes de Asesoría para
los módulos
5.Recuperadores de calor regenerativo RCR, en red urbana de energía residual. Sistemas colaborativos con seguimiento de consumo de agua, eficiencia energética, impacto ambiental, gestión de residuos, reincorpora- ción de subproductos, estrategias de sostenibilidad. Red de robótica teleoperada [22], de servicio para recolec- ción y distribución funcional, distribución de insumos bajo normas de bioseguridad, recolección de residuos eléctricos y electrónicos para gestionar su reutilización.
III.METODOLOGÍA
Se identifican diversas tecnologías que tienen un alto impacto ambiental, como corresponde al sector energé- tico, movilidad, actividades urbanas e industriales. En todos estos, el factor común corresponde a las emisio- nes de calor. Se ha introducido el concepto de energía regenerativa, que comprende un ciclo combinado de recuperación de calor: ambiental, oceánico (OTEC por gradiente térmico), a fin de revalorizar el calor emitido o disipado y reinsertarlo en el ciclo productivo, como energía térmica regenerativa, a partir de un modo de energía térmica residual. La remediación ambiental a través de diseños tecnológicos se plantea como la herra- mienta para la protección de la fauna y la conservación de la naturaleza, desde los aspectos energéticos, control de emisiones de calor residual, eficiencia en los diseños y reutilización de energía en sistemas regenerativos. Con esta idea, se plantea iniciar el sistema con algún elemento ignitor, luego de alcanzar su régimen perma- nente, continuar el proceso con energía térmica solar y realimentación de calor regenerativo o conversión de energía eléctrica realimentada para quemadores eléctri- cos, en una eficiencia máxima dada por el aislamiento térmico del sistema. El método consistió en un análisis, la tabulación de métodos y estrategias se presentan en las tablas 3.
145
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
Tabla 3. Estrategias de remediación ambiental.
A.Métodos y Técnicas de protección a la fauna. Entre los métodos convencionales, se expresa las
normativas, prácticas y respeto del espacio en que ha- bitan. Más aún se pueden establecer tecnologías al ser- vicio de la fauna y su conservación, que minimice la intervención de espacios, impacto sobre los bosques y áreas forestales y alteraciones del hábitat autóctono de la fauna. En tal sentido, se requieren diseñar estrategias de conservación, reforestación funcional de espacios urbanos, con énfasis en el desarrollo natural, interac- ción de polinizadores y fauna nativa (local). Conocidas las características de los espacios ecológicos de la fauna
se pueden promover
Tabla 4. Estrategias y métodos de protección a la fauna y sus hábitats.
146
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
B. Método de modelado de sistemas regenera- tivos, optimización
El método científico de diseño sostenible, plantea un rediseño de modelos hacia el ahorro de recursos y valoración de subproductos, entre ellos energía térmi- ca (calor residual). La revalorización de los recursos y los programas de capacitación para reciclaje de estos y reutilización programada, viene a aportar un espacio de recuperación de los ciclos naturales. En este sentido, se plantea un conjunto de pasos para la definición del modelo (ver Tabla 5) y el concepto de simplificación
fractal por extrapolación, disminución del impacto am- biental, por optimización de las etapas, que puede ser replicado de manera eficiente en otras etapas
Tabla 5. Interrelación de las características para la propuesta del modelo regenerativo.
IV. RESULTADOS
Se diseñó una propuesta tecnológica para protec- ción de áreas naturales (ver Tabla 6), flora y fauna en su hábitat natural. Regeneración de Glaciares, a través de técnicas como una estructura superficial de contención, basada en arquitectura fractal, tales como panales de abejas, estructura entrelazada de raíces de árboles, que constituyan un tejido de soporte para la cristalización del hielo, diseñada de material no contaminante. Esta alternativa puede ser integrada, con un sistema de reali- mentación por bombeo de agua de deshielo, previo pro-
ceso de recuperación de calor (refrigeración el agua), para propiciar la formación del hielo, proteger la super- ficie de fragmentación de la capa glaciar, contribuir con la recuperación de volumen y regeneración (por etapas a diferentes niveles de altura) del sistema glaciar. Así mismo, el control de incidencia solar [8] para filtrar componentes del espectro, de forma selectiva con un elemento aéreo móvil de protección (no invasivo), a fin de proteger los glaciares, zonas de riesgo de incendios: parques forestales y bosques, a través de la restauración climática de la biósfera.
Tabla 6.a. Diseño de Tecnologías para protección de áreas naturales.
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
Tabla 6.b. Modelado matemático del sistema regenerativo propuesto
*Cálculo de coeficientes entrenamiento ANN por gradiente descendiente, para la capa de optimización se fijarán targets de
Interrelación de los parámetros que definen el modelo
*A partir de la arquitectura del modelo establecida, se realizó el cálculo de los pesos y bias, en base a la radiación solar incidente y temperatura ambiental, a través del entrenamiento en software, para los coeficientes dinámicos de optimización se plantea el entrenamiento supervisado por
La propuesta comprende elementos robóticos fun- cionales móviles o portátiles que no afecten las áreas protegidas, para realizar un servicio de barrido dinámi- co de los espacios en la función de remediación am- biental (filtrado de aire , filtros UV de componentes de radiación solar, siembra de árboles por dispersión de semillas, suministro de alimentos a la fauna, atención especializada, monitoreo, asistencia veterinaria, fitore- mediación, reciclaje de calor ambiental, optimización, etc.), con alcance configurable, tal es el caso de ele- mentos móviles satelitales, desde una altura específica o bien robótica de captación de energía térmica y dis- minución de disipación de calor residual para aprove-
chamiento del calor ambiental y gradiente térmico de los océanos para captación de energía térmica residual y disminución de la temperatura global. En el marco de sistemas regenerativos, energías renovables eficientes, recuperación de calor residual, remediación ambiental con tecnología.
148
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna
Tabla 7. Aplicaciones del modelo desarrollado
149
Sandoval et al., Sistemas Inteligentes para la Protección de Ecosistemas,Flora y Fauna