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De micelas y máquinas: las simulaciones HPC transforman los productos domésticos cotidianos

Hola y mil gracias por leerme. Te escribe Simón Sánchez y esta vez te voy a contar sobre De micelas y máquinas: las simulaciones HPC transforman los productos domésticos cotidianos

¿Alguna vez ha dejado caer su nueva navaja de afeitar o una botella llena de jabón de manos en el piso de baldosas del baño y se preguntó por qué no se rompió en una docena de pedazos o se partió y creó un desastre pegajoso? Quizás la próxima vez que suceda, agradecerá el modelado y las simulaciones por computadora, no solo a sus estrellas de la suerte.

«Lo que la mayoría de la gente no sabe es que hay una cantidad increíble de ciencia detrás de cada uno de estos contratiempos diarios, así como del uso rutinario de todos esos productos domésticos que nos ayudan a superarlos todos los días. , ingeniería y computación de alto rendimiento «, dijo Tom Lange, director de investigación y desarrollo, modelado y simulación de Procter & Gamble Company (P&G), quien se dirigió a los asistentes a XSEDE14, la conferencia nacional de ciencia de este año. Foundation (NSF) programa Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) en Atlanta este mes.

Las responsabilidades de Lange en P&G, fundada hace 177 años y que ahora genera casi $ 85 mil millones anuales en ventas globales, abarcan el modelo del consumidor; química y biología computacional; ingeniería asistida por computadora en estructuras, fluidos, químicos y controles; y eficiencia y confiabilidad del sistema de producción. Desde el estudio de las micelas, o un agregado de moléculas en una solución como los detergentes, hasta el modelado del estrato córneo para comprender mejor las propiedades físicas de la piel, Lange ha pasado sus 36 años de carrera modelando y simulando formulaciones de productos y sus características. embalaje. Él y sus colegas incluso han optimizado la forma en que estos productos se producen en masa, a menudo para mil millones de artículos en solo unos pocos días, lo que permite a P&G alcanzar volúmenes que eclipsan los de los automóviles o incluso los dispositivos electrónicos omnipresentes como las computadoras portátiles. y teléfonos celulares.

Lange ha investigado aspectos de estos productos para el hogar que la mayoría de nosotros simplemente damos por sentado: exactamente cómo los limpiadores domésticos deben eliminar las manchas mientras protegen la tela y su piel, cómo los diferentes tamaños de bebés están directamente relacionados con ajuste de un pañal – y su riesgo de pérdida de orina. Él y su equipo de P&G utilizaron varios recursos y experiencia de XSEDE, como los del Centro de Supercomputación de Ohio y el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación (NCSA), así como otros recursos, incluidos los laboratorios nacionales del Departamento de Energía en Los Alamos, Oak Ridge y Sandia ayudan a resolver una amplia gama de desafíos, principalmente mediante el desarrollo conjunto de simulaciones detalladas que predicen el rendimiento, la durabilidad y otros parámetros mucho antes de que estos productos de consumo lleguen a las tiendas.

«La informática de alto rendimiento es el tema que hizo que todo esto fuera posible», dijo Lange a los asistentes a XSEDE14, señalando que si bien los avances de la última década han permitido simulaciones mucho más precisas requeridas por lo que él llama «investigación». incesante de realismo «. Como sociedad, señaló, hemos estado en esta curva de aprendizaje durante al menos 60 años o más.

«Me gusta decir que la computación, el modelado y la simulación han cambiado la ciencia y la ingeniería en la forma en que la aviación ha cambiado los viajes», dijo Lange, señalando que en algún momento el modelado predictivo se convirtió en parte de él. integral para la ingeniería y el análisis, reemplazando los costosos prototipos de pruebas de choque, ya sea un avión o una nueva línea de latas de aerosol, demostraciones que no se parecían en nada a las versiones finales de producción.

«Estoy en el negocio de dar forma a las decisiones», dijo Lange. “Gano dinero con modelado y simulaciones, haciendo algo o no haciendo algo que hubiéramos hecho experimentando. Prefiero hacer cosas que te digan esas cosas antes de que sucedan, no después. «

Contradicciones y escala

Desde el punto de vista de la ingeniería, muchos consumidores todavía pueden pensar que los bienes de consumo cotidianos, como los detergentes o los pañales, son de « baja tecnología » cuando en realidad los desafíos que enfrentan los científicos e ingenieros que trabajan en la amplia cartera de productos de P&G son, en principio, similares a los de la ciencia espacial. “La alta tecnología no es solo para cohetes, aviones, automóviles, drogas o teléfonos inteligentes”, dijo Lange.

Imágenes generadas por computadora a partir de simulaciones cinematográficas que miden la actividad articular y muscular en el diseño de una botella de detergente para ropa. Imagen cortesía de Tom Lange, P&G.

Al describir los desafíos del desarrollo de productos de P&G como «contradicciones y escala», Lange explicó que, a menudo, incluso el producto doméstico más común debe tener características científicamente opuestas entre sí para funcionar de la manera más perfecta y eficaz posible. Aquí es donde entran en juego los recursos y la experiencia de HPC, lo que le permite modelar muchos miles de iteraciones de una sola característica de producto con menos tiempo y menos costo, pero con resultados consistentes y sin sorpresas desagradables para los consumidores.

«Las toallas de papel deben ser absorbentes, pero muy fuertes cuando están mojadas», dijo. “Los pañales deben ser absorbentes, pero no sobresalir, ajustarse y confortar a los bebés como una tela. Los tratamientos de lavandería deben eliminar las manchas pero proteger las telas, sin embargo, deben ser enfocados y fáciles de usar. Los contenedores nunca deben tener fugas, sino que deben abrirse fácilmente. Cuando caen, no deben romperse, pero deben usar un mínimo de plástico que se recicle bien. Más importante aún, todos estos productos deben representar un buen valor para mejorar la vida diaria, no solo accesibles para su uso de vez en cuando «.

En cuanto a la escala, el uso de la ciencia computacional para mejorar los productos también se realiza para satisfacer las necesidades de fabricación de alto volumen. En conjunto, la contradicción y la escala requieren un proceso sistemático: primero, un desafío empresarial debe traducirse en un desafío científico y expresarse en ecuaciones científicas. Luego, se deben recopilar todos los datos relevantes, como las propiedades del material, las capacidades de fabricación e incluso las calificaciones de los consumidores. Por lo tanto, las simulaciones deben realizarse y luego comunicarse de manera efectiva a un nivel no experto antes de que se tomen las decisiones finales y comience la producción real.

Este modelo computacional se utiliza en todo el espectro de productos e implica habilidades de ingeniería asistida por computadora (CAE) en casi todas las industrias. Por ejemplo, se realizan simulaciones cinéticas para medir la actividad muscular y los ángulos articulares del brazo y la mano cuando una persona levanta una jarra llena de detergente para ropa y desenrosca el tapón de medición de vez en cuando. Otros se enfocan en hacer miles de millones de pañales cada año que sean absorbentes, cómodos y a prueba de fugas. Muchas de estas simulaciones requieren habilidades CAE interdisciplinarias.

“Aquí hay uno: la superficie libre fluye hacia arriba ya través de un medio poroso comprimible y parcialmente saturado con comportamiento no newtoniano. Es un niño orinal en pañal ”, dijo Lange.

Viendo hacia adelante

Un desafío clave para empresas como P&G será garantizar que la analítica computacional finalmente se democratice, dijo Lange a los asistentes a XSEDE. “Las capacidades de computación, modelado y simulación de alto rendimiento deben ser la base para todos los científicos e ingenieros. Tenemos que reemplazar los cálculos manuales de nuestra educación, la mayoría, pero no todos, por cálculos y cálculos «.

Otro desafío será que las empresas desarrollen un archivo de sus muchos miles de simulaciones y puedan tener la capacidad de reproducir un análisis realizado quizás hace cinco años por otro investigador, dijo Lange. «Necesitamos ‘bibliotecología’ para la forma en que registramos y administramos nuestras simulaciones».

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