A simple vista, los edificios y los puentes parecen estar fijos, sin moverse por fuerzas como el viento y la lluvia. Pero, de hecho, estas grandes estructuras sí experimentan vibraciones imperceptiblemente pequeñas que, según su frecuencia, pueden indicar inestabilidad o daños estructurales.
Investigadores del MIT han desarrollado una técnica para «ver» vibraciones que, de otro modo, serían invisibles a simple vista, combinando vídeo de alta velocidad con técnicas de visión artificial.
Normalmente, un vídeo de alta velocidad no captaría vibraciones tan sutiles en un edificio. Para lograrlo, los investigadores emplearon una técnica de visión artificial llamada «amplificación del movimiento» que descompone los fotogramas de alta velocidad en determinadas frecuencias, exagerando esencialmente movimientos diminutos, inferiores a un píxel.
En experimentos de laboratorio, los investigadores pudieron detectar vibraciones diminutas en una viga de acero y un tubo de PVC. Las vibraciones medidas con la técnica coincidieron con las detectadas por acelerómetros y vibrometría láser: técnicas precisas, pero costosas, que se utilizan habitualmente para supervisar infraestructuras.
Oral Buyukozturk, profesor de ingeniería civil y ambiental en el MIT, afirma que la amplificación del movimiento ofrece una alternativa más rápida, económica y no invasiva a las técnicas de supervisión existentes.
«Podría tratarse de una tecnología de sensores sin contacto que se puede utilizar en aplicaciones económicas y rápidas», afirma Buyukozturk. «Según su objetivo, quizá podría usar la cámara de su teléfono móvil para hacer una inspección inicial y, si detecta algo, enfocarlo con una cámara de alta potencia. Hay distintos niveles de inspección y no siempre hay que empezar con la cámara de mayor calidad».
Buyukozturk es coautor de un artículo junto con el autor principal, el estudiante de posgrado Justin Chen, que se publica en la Journal of Sound and Vibration. Los otros coautores del artículo son el estudiante de posgrado Neal Wadhwa y el investigador posdoctoral Young-Jin Cha, junto con los profesores de informática e ingeniería Fredo Durand y William Freeman.
Vea cómo los investigadores del MIT combinan vídeo de alta velocidad con técnicas de visión artificial para «ver» vibraciones que, de otro modo, serían invisibles a simple vista.
Vídeo producido y editado por Melanie Gonick/MIT (imágenes adicionales cortesía de los investigadores)
Ampliar un pulso
Hoy en día, los ingenieros suelen supervisar las infraestructuras mediante varios acelerómetros, sensores que miden la aceleración, que luego puede utilizarse para calcular la velocidad y, en última instancia, el movimiento. Los acelerómetros son muy precisos, pero costosos: cada uno cuesta más de $1,000, y un solo acelerómetro mide únicamente un punto de una estructura. Incluso con un conjunto de sensores, señala Buyukozturk, los acelerómetros «no pueden alcanzar una alta densidad de mediciones espaciales». Además, como los acelerómetros se fijan a las estructuras que supervisan, podrían afectar potencialmente al movimiento general, sobre todo si la estructura en cuestión es relativamente ligera.
Como alternativa, la vibrometría láser es una técnica sin contacto que expone una estructura a un haz láser y a una onda acústica; sus velocidades pueden traducirse para calcular el desplazamiento o movimiento de una estructura. Este método también es increíblemente preciso, pero, al igual que los acelerómetros, la vibrometría láser requiere mucho tiempo y mide un solo punto a la vez.
En cambio, los investigadores plantearon que una cámara de alta velocidad podría seguir de forma rápida y sencilla las vibraciones de toda una estructura, sin contacto físico.
Para poner a prueba su teoría, Buyukozturk trabajó con Durand y Freeman, los desarrolladores originales de los algoritmos de amplificación del movimiento. En 2012, ambos presentaron un software que aumenta eficazmente determinadas frecuencias en los fotogramas de vídeo, lo que permite «ver» movimientos diminutos, como el pulso de una persona o la vibración de la cuerda de un violín.
Durand y Freeman trabajaron con Buyukozturk, Chen, Wadhwa y Cha para adaptar su código a la supervisión de infraestructuras. El código filtra esencialmente una imagen de vídeo en señales de amplitud y fase, que luego pueden combinarse para reconstruir la imagen de vídeo y ampliar, en determinadas frecuencias, los movimientos aparentes de ciertos objetos.
Encontrar la frecuencia fundamental
El equipo realizó experimentos con una cámara de alta velocidad Phantom v10. Los investigadores diseñaron un experimento para comparar la técnica con acelerómetros y vibrometros láser convencionales. Con cada técnica, midieron las vibraciones de una viga en voladizo y un tubo de PVC después de golpearlos con un martillo.
Las mediciones posteriores obtenidas mediante la técnica de amplificación del movimiento concordaron bien con las de los otros sensores. Los investigadores observaron que, sin aplicar los algoritmos, los vídeos de alta velocidad mostraban que tanto la viga como el tubo parecían inmóviles. Sin embargo, al ejecutar el algoritmo con los datos de vídeo, observaron una variedad de deformaciones en la forma de cada estructura mientras vibraba. Por ejemplo, la viga parece oscilar de un lado a otro, mientras que la circunferencia del tubo pasa de ser un círculo a un óvalo y vuelve a ser un círculo.
Buyukozturk afirma que la técnica podría ser útil para supervisar a distancia edificios y puentes, y resultar especialmente útil para inspeccionar tuberías: la circunferencia de un tubo es naturalmente simétrica. Si hay un defecto en un lado, quizá no vibre del mismo modo que si estuviera completamente intacto. La vibración resultante podría entonces ser una señal de posibles daños.
El grupo planea realizar experimentos de supervisión por vídeo del Green Building del MIT (Building 54), así como de la John Hancock Tower, la Prudential Tower y el Zakim Bridge de Boston. Buyukozturk señala que detectar vibraciones en un edificio o un puente no significa necesariamente que haya algún problema: toda estructura tiene una «frecuencia fundamental» a la que vibra. Conocer esa frecuencia, afirma, puede dar a los ingenieros una idea de cómo podría responder una estructura a fuerzas como el viento o incluso los terremotos.
«La gente lleva trabajando en la supervisión estructural desde hace 30 a 40 años, pero todavía no tenemos un sistema integrado que pueda utilizarse fácilmente para supervisar estructuralmente, por ejemplo, un puente o un sistema de tuberías», afirma Buyukozturk. «Nuestro objetivo es avanzar varios pasos hacia ese fin con nuevas metodologías innovadoras».
Esta investigación contó con el apoyo parcial de Royal Dutch Shell y la Energy Initiative del MIT.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. Su publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autora: Jennifer Chu es redactora colaboradora de MIT News.
Imagen: Una vista del Palacio de Planalto, diseñado por el arquitecto Oscar Niemeyer. REUTERS/Ueslei Marcelino.
