Blog CUED. Avanzando en la Educación en Ingeniería e Industria 4.0: Desarrollo de Laboratorios Remotos y Plataforma IoT para la Adquisición de Habilidades Prácticas

Sergio Martin¹ y Antonio Robles-Gómez² 

¹ Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). CUED.

² Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). 

«Avanzando en la Educación en Ingeniería e Industria 4.0: Desarrollo de Laboratorios Remotos y Plataforma IoT para la Adquisición de Habilidades Prácticas»

Palabras clave: Laboratorio Remoto, Industria 4.0. , Aprendizaje en Línea.

Introducción
El paradigma de «Industria 4.0» ha presentado una gran cantidad de nuevas oportunidades y desafíos para las empresas. La transformación digital de las cadenas de producción y logística, así como el desarrollo de productos, es esencial para mejorar la competitividad y la eficiencia. Este cambio ha sido posible gracias al desarrollo simultáneo de nuevas tecnologías como Big Data, IoT, computación en la nube e inteligencia artificial (Tao et al., 2018; Thoben et al., 2017; Wang et al., 2016). Otras innovaciones clave incluyen la integración de software horizontal y vertical, ciberseguridad, gemelos digitales y robótica avanzada (Frank, 2019; Benotsmane, 2019).
La cuarta revolución industrial también ha planteado un desafío educativo significativo. Es necesario educar no solo a los 2.76 millones de estudiantes de ingeniería actuales en Europa, sino también mejorar las competencias de los empleados en un sector que abarca más de 2 millones de empresas y 33 millones de empleos en todo el continente. Mientras que los estudiantes pueden aprender a través de métodos educativos tradicionales, los empleados probablemente necesitarán recursos en línea para actualizar sus conocimientos y habilidades. Sin embargo, garantizar la adquisición de habilidades prácticas de alta calidad en línea en ingeniería es un desafío extremadamente complejo. Tradicionalmente, los simuladores han sido comunes en la educación en ingeniería, pero más recientemente, los laboratorios virtuales y remotos han ofrecido flexibilidad en tiempo y espacio de aprendizaje (Ruiz, 2014).

El proyecto IN4LABS tiene como objetivo acelerar la transición digital de la educación en ingeniería y la industria hacia la Industria 4.0. Sus principales contribuciones son el desarrollo de una plataforma para facilitar la creación de laboratorios remotos para Industria 4.0 y el establecimiento y evaluación de laboratorios remotos para diversas tecnologías de Industria 4.0. El código fuente y los diseños de hardware de la plataforma y estos laboratorios serán de acceso público.
A continuación, se detallan nuestra propuesta general y algunos de los avances logrados en el proyecto IN4LABS.

Propuesta
La adquisición de habilidades prácticas es crucial en la educación en ingeniería, pero no siempre es factible lograrlo de manera presencial. Los laboratorios remotos (Martin et al., 2021), esencialmente hardware real accesible de forma remota a través de una interfaz web, proporcionan flexibilidad en el proceso de aprendizaje para estudiantes que están a distancia o emplean una metodología híbrida de aprendizaje. Nuestro objetivo principal es acelerar la transición de la educación digital hacia la Industria 4.0. Específicamente, proponemos:

• Desarrollar una plataforma IoT de código abierto para apoyar y facilitar el desarrollo de laboratorios remotos.
• Implementar una serie de laboratorios remotos de Industria 4.0.
• Pilotar estos laboratorios remotos con la infraestructura desarrollada.
• Promover la cooperación internacional con asociaciones técnicas, empresas e instituciones interesadas en la Industria 4.0.

El conjunto definido de laboratorios incluye:

• Laboratorio de IoT: Desarrollo de un laboratorio remoto con placas compatibles con Arduino que pueden interconectarse de forma inalámbrica, permitiendo el desarrollo de prácticas remotas.
• Laboratorio de Sensores: Experimentación con diversos sensores IoT, como sensores de gas, humo, temperatura, humedad y presión, programables de forma remota por los estudiantes.

Figura 1. Interfaz laboratorio remoto de IoT.

• Laboratorio de Ciberseguridad: Utilización de infraestructura IoT remota para desarrollar prácticas de ciberseguridad, incluida la comunicación cifrada y defensa contra ataques como «Man-in-the-Middle», desbordamiento de búfer y denegación de servicio.

• Laboratorio de Integración de Sistemas: Uso de infraestructura IoT remota para la integración de sistemas con NodeRED, una herramienta de programación que conecta dispositivos de hardware, API y servicios en línea.

• Laboratorio de Robótica: Programación de sistemas robóticos interconectados de forma remota mediante infraestructura IoT con servos robóticos adicionales.

• Laboratorio de Big Data: Incorporación de una plataforma de Big Data al sistema IoT para realizar análisis de datos, permitiendo a los estudiantes crear paneles de control con datos IoT.

• Laboratorio de Nube: Permite a los estudiantes practicar de forma remota conectando un sistema IoT a un proveedor de nube.

• Laboratorio de Inteligencia Artificial: Facilitación de prácticas de aprendizaje automático mediante un servidor de alto rendimiento.

La infraestructura IoT que soporta estos laboratorios está diseñada para acceso remoto a través de software personalizado.

Figura 2. Interfaz de la plataforma de laboratorios con sistema de reservas.

Discusión y Conclusiones

El impacto de la cuarta revolución industrial es inmenso, con la Industria 4.0 contribuyendo potencialmente a ganancias anuales de eficiencia en la manufactura entre el 6% y el 8%. Por lo tanto, los resultados del proyecto IN4LABS tendrán un impacto económico significativo: acelerar la transición digital hacia la Industria 4.0 y reducir sustancialmente los costos de desarrollo de laboratorios en línea. Se estima que implementar nuestros laboratorios remotos de Industria 4.0 en otras instituciones podría tomar tan solo dos horas por laboratorio para la configuración completa de software y hardware, en lugar de varios meses, lo que se traduce directamente en ahorros de costos.

Agradecimientos
Esta publicación es parte del proyecto In4Labs con referencia TED2021-131535B-I00 financiado por MICIU/AEI/10.13039/501100011033 y por la «Unión Europea NextGenerationEU/PRTR». Los autores también agradecen el apoyo proporcionado por la Cátedra UNESCO de Educación a Distancia (CUED).

Referencias bibliográficas:

Benotsmane R, Kovács G, Dudás L. Economic, social impacts and operation of smart factories in Industry 4.0 focusing on simulation and artificial intelligence of collaborating robots. Social Sciences. 2019;8(5):143. https://doi.org/10.3390/socsci8050143

Frank AG, Dalenogare LS, Ayala NF. Industry 4.0 technologies: Implementation patterns in manufacturing companies. International journal of production economics. 2019;210:15-26. https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2019.01.004

Martin S, Fernandez-Pacheco A, Ruipérez-Valiente JA, Carro G, Castro M. Remote Experimentation Through Arduino-Based Remote Laboratories. IEEE Revista Iberoamericana de Tecnologías del Aprendizaje. 2021;16(2):180-186. https://doi.org/10.1109/RITA.2021.30899166

Ruiz ES, Martin AP, Orduna P, Martin S, Gil R, Larrocha ER, et al. Virtual and remote industrial laboratory: Integration in learning management systems. IEEE Industrial Electronics Magazine. 2014;8(4):45-58. https://doi.org/10.1109/MIE.2012.2235530

Tao FC, J Q, Q, Zhang M. Digital twin-driven product design, manufacturing and service with big data. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018;94:3563-76. https://doi.org/10.1007/s00170-017-0233-1

Thoben KD, Wiesner S, Wuest T. Industrie 4.0” and smart manufacturing-a review of research issues and application examples. International journal of automation technology. 2017;11(1):4-16. https://doi.org/10.20965/ijat 2017.p0004

Wang S, Wan J, Zhang D, Li D, Zhang C. Towards smart factory for industry 4.0: a self-organized multi-agent system with big data-based feedback and coordination. Computer networks. 2016;101:158-68. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2015.12.017

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Martín, S. y Robles-Gómez, A. (15 de enero de 2025). Avanzando en la Educación en Ingeniería e Industria 4.0: Desarrollo de Laboratorios Remotos y Plataforma IoT para la Adquisición de Habilidades Prácticas. Blog CUED.