Las aplicaciones de Inteligencia Artificial (IA) avanzan cada vez más rápido, evidenciando el gran potencial que estas poseen, como también, los desafíos que implica el desarrollo de esta tecnología. ¿Qué pasa en la industria de la construcción con hormigón? Salvo algunas excepciones, estas innovaciones aún parecen lejanas, lo que podría cambiar gracias a un nuevo modelo de IA capaz de optimizar los diseños de mezcla para producir hormigones más resistentes y sostenibles. Este artículo se basa en la presentación que realizó el Dr. Julius Kusuma en la convención que el American Concrete Institute realizó en octubre de 2023, donde presentó los avances en el desarrollo de este motor de IA y que se utilizó para la construcción de un edificio de data center para Meta.
Cada vez son más frecuentes las informaciones vinculadas al desarrollo de la Inteligencia Artificial (IA) en distintos ámbitos. Desde aplicaciones que pueden generar imágenes y contenido completo, a otras que son capaces de, con las indicaciones adecuadas, elaborar piezas musicales, en la actualidad, es posible encontrar múltiples motores de IA cuyos usos representan desafíos y oportunidades en las distintas ramas del conocimiento.
En ese sentido, la industria de la construcción está probando ser un terreno fértil para la utilización de esta tecnología. Ya sea para identificar el nivel de daño de una estructura de hormigón, la operación de maquinarias y equipos o, por ejemplo, manejar todo un sistema de almacenamiento de energía renovable no convencional, entre otros, poco a poco se vislumbra el potencial que puede alcanzar esta tecnología, en el contexto del desarrollo y crecimiento del sector de la construcción con hormigón y sus múltiples aplicaciones.
Hace poco más de dos años, Meta, la empresa que alberga a Facebook, Instagram y Whatsapp -redes sociales ampliamente utilizadas en todo el mundo- inició una investigación junto a académicos de la Universidad de Illinois para el desarrollo de un modelo de Inteligencia Artificial que lograse un diseño de mezcla tal que el hormigón producido cumpliese con los requerimientos deseados por la firma en materia de sostenibilidad y resistencia para la construcción de sus data center, edificaciones que albergan a los servidores físicos de, en este caso, las distintas aplicaciones vinculadas a Meta.
La investigación continuó su desarrollo y recientemente, Julius Kusuma, Ph.D en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y científico investigador líder en Meta, presentó los avances de dicha investigación, que propone un nuevo modelo de producción del material, si bien pensado para la construcción de data center, que puede extrapolarse a otro tipo de proyectos.
La importancia de data centers resistentes y sostenibles
En un mundo completamente interconectado, donde Internet juega un rol crucial tanto en la accesibilidad como en el traspaso y recopilación de información, la infraestructura física destinada a mantener y almacenar los equipos electrónicos que sostienen a la red adquiere una importante relevancia, especialmente, en el funcionamiento tanto de Internet como otras aplicaciones, en este caso, las que alberga Meta: Facebook, Instagram y Whatsapp, por mencionar algunas.
Pese a que los data center son edificaciones más bien simples en cuanto a su diseño, se trata de proyectos que en su mayoría se construyen con hormigón. Por esa misma razón es que se busca optimizar el diseño de mezcla del material, para que estas estructuras de hormigón sean más resistentes y sostenibles.
Respecto a este último punto, los data center poseen una particularidad: al ser intensivos en el uso de hormigón, tienen una alta huella de CO2. “Basado en estimaciones que calculamos en un concurso que se realizó en 2022, cerca del 30% de la huella de carbono embebida de los data center que construimos, proviene justamente del uso del hormigón, desde que se inicia la obra hasta el final de su uso”, explicó el Dr. Kusuma.
Para reducir ese impacto -y, de paso, cumplir con las metas de sostenibilidad que se impuso Meta al año 2030- el ingeniero y su equipo comenzaron a trabajar en el desarrollo de fórmulas para optimizar el diseño de mezcla del hormigón y así, reducir la huella de CO2 embebida sin resentir en las otras cualidades del material. “Se sabe cómo optimizar al hormigón para mejorar su resistencia, eficiencia en costo y recientemente, se están desarrollando fórmulas para incrementar su velocidad porque queremos construir más rápido, queremos que las cosas se aceleren. Y lo último que se está analizando es cómo mejorar la sostenibilidad del hormigón y eso es completamente nuevo”, aseguró el ingeniero.
Mejorando al hormigón, material fundamental para data centers
Que el hormigón sea más sostenible añade una nueva dimensión de complejidad a todo el proceso de producción del material, explica Dr. Kusuma. Y es que, a su juicio, las variables mencionadas antes, como la resistencia y el costo, son más bien conocidas, mientras que tanto la velocidad como la sostenibilidad, necesitan aún de más desarrollo, “junto con todas las innovaciones que conllevan, como nuevos materiales, nuevos tipos de cemento, nuevos procesos, etcétera”, agregó.
Dado ese contexto, en que se incorporan nuevas variables en el desarrollo del material, es que el ingeniero y su equipo comenzaron a trabajar en el desarrollo de fórmulas que pudiesen cumplir con ese objetivo “y yo creo que la Inteligencia Artificial es una manera de acelerar este proceso, y debemos hacerlo juntos”, destacó el científico.
Así, se iniciaron los primeros ensayos para incorporar a la IA en la optimización del diseño de mezcla del hormigón. “En Meta, al no estar familiarizados con el desarrollo del hormigón, buscamos a un socio que nos pudiese ayudar en el proceso y que nos permitiese ayudar a la industria en su tránsito hacia la descarbonización del material. Así, comenzamos un ensayo de laboratorio con una IA básica a la que introdujimos una serie de datos básicos, cuyos resultados se mostraron favorables”, puntualizó.
En efecto, esos resultados en laboratorio se mostraron tan buenos “que logramos convencer a nuestros socios en la parte de la construcción de poder realizar ensayos in situ con este modelo y, finalmente, construir el data center con estas fórmulas que descubrimos en conjunto con la ayuda del modelo de IA”, destacó.
Creando un nuevo modelo de IA para optimizar al hormigón
Para llegar a ese resultado -el crear un diseño de mezcla optimizado, en este caso, para una mayor sostenibilidad- es de suma importancia que el modelo de Inteligencia Artificial cuente con datos de alta calidad y “desafortunadamente, estos no son fáciles de encontrar”, dijo Julius Kusuma. “Por este motivo, el desarrollo de IA tiene que hacer dos cosas: ser capaz de absorber desde cualquier fuente de datos disponible, y tiene que aprender y generar nuevas fórmulas que puedan ensayarse”, añadió.
A medida que se generan una mayor cantidad de datos, gracias a los ensayos en laboratorio como en terreno, la Inteligencia Artificial ajusta sus predicciones y optimizaciones, dando como resultado fórmulas -en este caso, de hormigón- que son cada vez más eficientes.
El Dr. Kusuma detalla que el trabajo junto a su equipo se basó en dos motores de Inteligencia Artificial: PyTorch, una plataforma de código abierto que utiliza la metodología de “machine learning”, y BoTorch, que utiliza modelos de optimización bayesianos y que “creemos, nos permite optimizar tanto para el aprendizaje como para el KPI que mencioné antes, de forma simultánea y con el tiempo, la IA se vuelva más inteligente y obtenga mejores resultados”, comentó.
Esto resultó clave en el desarrollo del nuevo modelo de optimización para el diseño de mezcla del hormigón que desarrolló el Dr. Kusuma junto a sus compañeros ya que, con la aparición de nuevos materiales, se necesitan modelos predictivos que puedan adaptarse rápidamente a estas nuevas variables.
Entrenando al nuevo desarrollo: la importancia de los datos
Así, se inició la etapa de “entrenamiento” del modelo de IA para optimizar el diseño de mezcla del hormigón. Para ello, se realizaron ensayos que “arrojaron resultados que, yo diría, son convincentes”, aseguró el Dr. Kusuma. En estos, se lograron predecir las curvas de desarrollo de resistencia de hormigones con cemento portland tradicional y las de un hormigón con un componente de cenizas volantes (20% de reemplazo del cemento tradicional).
“Como era de esperarse, el hormigón con cenizas volantes desarrolló una mayor resistencia y, por el contrario, una velocidad de curado menor debido a esto”, dijo el experto.
Ya con estos datos, se analizaron variables esenciales que el hormigón debía cumplir, de acuerdo con los requisitos fijados por Meta para la construcción de sus data center. En ese sentido, el ingeniero destaca que, en materia de optimización, “esta va mejorando con el tiempo”, lo que puede apreciarse, por ejemplo, en la resistencia a 28 días del hormigón, donde las pruebas de laboratorio del modelo incorporaron datos “humanos” (en las mezclas 1 y 2) para que después, el modelo de IA genere una primera muestra optimizada para una mayor sostenibilidad (mezcla 3), la que continuó desarrollando.
“Como se puede apreciar, se generan más y más puntos de datos en el gráfico que ascienden, lo que significa que se generan diseños de mezcla más resistentes, de curado más rápido y más sostenibles. Asimismo, se puede aprender mucho del espacio que se genera entre las pruebas y así, en vez de realizar muchas pruebas y no saber si se llegó a un límite o no, esta IA puede decir qué es lo realizable bajo ciertas limitantes en el diseño de mezcla”, subrayó.
De esta manera, Julius Kusuma asegura que es posible diseñar hormigones que tengan una mayor trabajabilidad, por lo que se puede modificar la relación agua/cemento. Otro punto que destaca el profesional es que, bajo esa misma premisa, es factible también diseñar hormigones con mayores velocidades de curado. “Por ejemplo, quiero que la relación agua/cemento sea de 0,35 porque quiero hormigones mucho más fluidos, que permitan hacer las cosas más rápido”, explicó.
Asimismo, el Doctor del MIT destaca que pueden incorporarse otras variables, por ejemplo, la ausencia de materiales como cenizas volantes o escorias. “Se pueden obtener respuestas a estas restricciones e incorporarlas, posiblemente, durante la fase de diseño o en la de la planificación del proyecto”, puntualizó.
Resultados preliminares
Las primeras pruebas in situ de los hormigones diseñados bajo este modelo de IA arrojaron resultados sorprendentes, disminuyendo las emisiones embebidas de CO2 en el material en cerca de un 40% y mejorando los requisitos de resistencia que solicita, en este caso, Meta para la construcción de sus Data Center.
A juicio del Dr. Kusuma, uno de los aspectos primordiales en el desarrollo de este modelo de IA es que sea abierto. “Como mencioné anteriormente, cada día se descubren nuevos materiales y procesos, lo que es impresionante, pero, al final, todos tienen que utilizarse dentro de las fórmulas para producir hormigón. Para eso, tienen que ser prácticos bajo restricciones operacionales, de suministros y otros aspectos del proyecto”, puntualizó.
En ese sentido, la aplicación de este modelo de IA para optimizar el diseño de mezcla del hormigón podría acelerar de manera sustantiva la incorporación, por ejemplo, de cenizas volantes o escorias para la producción del material.
En la misma línea, el experto agrega que, de integrar este desarrollo a los flujos de trabajo del proyecto, podrían optimizarse las fórmulas del hormigón para el desarrollo de mezclas más sostenibles, eficientes -tanto en productividad como en costo- y más resistentes, “como se pudo apreciar en estas exitosas pruebas de campo que se realizaron con el modelo”, destacó.
Uno de los puntos en los que hace hincapié el Dr. Kusuma es en los datos. “La Inteligencia Artificial y la data van de la mano, y esa es una consideración de suma importancia. Si existen datos básicos de manera gratuita, quizás sea factible que sea una data premium para aquellos que estén dispuestos a invertir en la integración de modelos de Inteligencia Artificial en su operación para mejorarla, y quizás esto sea compatible con la IA y la sostenibilidad del hormigón”, aseveró.
La visión a futuro de este nuevo modelo de IA
Como una manera de continuar mejorando el desarrollo de este modelo de IA para la optimización del diseño de mezcla para hormigones más sostenibles y resistentes, el código fuente de este desarrollo se dejó abierto. “Queremos que esta innovación esté disponible para todos”, aseguró el Dr. Kusuma.
En esa línea, el profesional detalla que el código contiene datos básicos y que, para continuar el desarrollo del modelo, lo ideal es que se vayan incorporando una mayor cantidad de datos para así, construir mejores algoritmos. Esto último, repercutirá en un mayor desarrollo y en hormigones mucho más sostenibles y resistentes, según el experto.
Asimismo, si bien el modelo de IA se pensó para cumplir con los requisitos de sostenibilidad que impulsa Meta para sus data center, es posible integrarlo en otro tipo de proyectos. Como menciona Julius Kusuma, al incorporarlo en el flujo de trabajo del diseño y la construcción de proyectos, esta nueva herramienta aportaría en el avance en términos de sostenibilidad y eficiencia para todo tipo de obras, lo que impulsaría, a juicio del profesional, no sólo edificios de Data Center más sostenibles, sino también, que las construcciones del futuro tengan esas características.
