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La Metrología, motor de innovación tecnológica y desarrollo industrial

José Ángel Robles Carbonell
Director de la División Científica
Centro Español de Metrología
Mª Dolores Del Campo Maldonado
Jefa de Área de Temperatura
Centro Español de Metrología

La metrología, definida como ciencia que se ocupa de las medidas, es una disciplina situada horizontalmente en la base del conocimiento, que juega un papel primordial en campos tales como la investigación y el desarrollo, la fabricación industrial, la medicina, las telecomunicaciones, el comercio, etc. El progreso de la ciencia siempre ha estado íntimamente ligado a los avances en la capacidad de medición.

En este artículo se presenta una visión de la evolución en paralelo de ciencia y metrología, las actuales necesidades de la sociedad en materia metrológica y sus retos futuros. También se analiza el papel de la metrología en la I+D y su impacto en el desarrollo industrial y económico de los países. Por último se trata la experiencia europea de la última década a través del programa europeo de investigación en metrología (EMRP) y su posible continuidad.

Metrology, defined as the science of measurements is a horizontal field that is situated on the basis of the knowledge. It plays an important role in areas like research, development, industrial manufacturing, medicine, telecommunications, trade, etc. The progress in science has been always linked to the advances in measurement capabilities.

In this paper, a vision of a parallel evolution of science and metrology, the present metrological needs of society and its future challenges are shown. It is also analyzed the role of metrology in R&D and its impact in the industrial and economical development of the countries. Finally, the European experience in the last decade through the European Metrology Research Program (EMRP) and its possible continuation is discussed.

Introducción

La "Metrología", definida como "ciencia que se ocupa de la medida" es tan antigua como la propia humanidad y se ha desarrollado en función de las necesidades de la sociedad en cada época. Se trata de una ciencia situada horizontalmente en la base del conocimiento, que juega un papel primordial en campos tales como la investigación y el desarrollo, la fabricación industrial, la medicina, las telecomunicaciones, el comercio, etc. El progreso de la ciencia siempre ha estado íntimamente ligado a los avances en la capacidad de medición. La metrología, a menudo ignorada por la opinión pública, es una creación de la sociedad industrializada y afecta a casi todos los aspectos de la vida.

"El papel de la metrología en el progreso humano es invasivo, pero discreto, hasta el punto de que puede pasar tan desapercibido como la necesidad de un ambiente respirable para la inmensa mayoría de las especies vivientes".

Prof. Carlos Enrique Granados
(Introducción a la Historia de la Metrología)

En la actualidad, las áreas tradicionales de la industria han evolucionado hacia una mayor complejidad, requiriendo tolerancias de fabricación más exigentes y rangos de medida más amplios con menores incertidumbres; por otro lado, han surgido nuevas áreas tecnológicas, tales como la nanotecnología y la biotecnología, al tiempo que áreas que no son nuevas en sí mismas, como la química, la medicina y la seguridad alimentaria requieren importantes aportaciones de la metrología. Sin embargo, para que se produzca un efectivo progreso en dichas áreas se requiere un mayor esfuerzo en investigación y desarrollo de patrones y métodos de medida trazables al Sistema Internacional de Unidades, SI.

Desarrollar y mejorar las capacidades de medida disponibles en un país, es esencial para potenciar y apoyar los procesos de innovación tecnológica y desarrollo industrial como elementos diferenciadores de las economías emergentes. Proyectos específicos de I+D permiten disponer de patrones y métodos de medida que favorecen la ruptura de algunas de las actuales barreras tecnológicas existentes en materia de reproducibilidad y aceptación de resultados en cualquiera de las aplicaciones industriales, como es el caso de la nanotecnología, donde las tolerancias e incertidumbres demandadas son del orden de mil veces menores a las actualmente existentes en la fabricación de precisión. Así, aunque en muchos procesos de nano-fabricación se emplean microscopios electrónicos o interferómetros láser de alta resolución, se observa gran dispersión en las características de las fabricaciones, fruto de la falta de exactitud y reproducibilidad de los sistemas de medida y posicionado, y de la dificultad de contar con patrones de calibración adecuados a la nanoescala.

Los avances en metrología son básicos para la innovación, y potencian todas las áreas de la ciencia. La industria necesita contar con claros fundamentos metrológicos que sustenten sus decisiones tecnológicas y sus políticas de innovación.

Evolución de la metrología en paralelo con la ciencia y la tecnología

El desarrollo de cualquier civilización ha llevado aparejado el desarrollo de un sistema de pesos y medidas. No existe civilización si no se establecen relaciones entre los seres humanos, relaciones que siempre implican los conceptos de propiedad e intercambio, para los que pesos y medidas son un instrumento imprescindible. Por ello, en sus comienzos, el comercio fue el principal impulsor de la metrología. Los griegos son un claro ejemplo de primeros comerciantes que entendieron la importancia de la metrología. Ellos mantenían copias de todos los pesos y medidas de los países con los que comerciaban, como forma de evitar el que puede considerarse, aun hoy, otro de los grandes impulsores de la metrología: el fraude. En un principio bastaban simples piedras o partes del cuerpo como patrones pero según fue extendiéndose el comercio, se fue exigiendo una mayor precisión y exactitud a las pesas y medidas, los patrones debían ser estables y, de alguna forma, equivalentes.

Desde los tiempos de Galileo y su "Ciencia Nueva", metrología y ciencia comienzan su evolución en paralelo. Galileo fue el primero en percatarse de que las cosas tenían propiedades medibles y propiedades no medibles. Él mismo identificó las propiedades medibles como magnitudes, momento que puede ser considerado como el inicio de la metrología tal y como la entendemos ahora. Galileo decía que su propósito era "contar lo que se puede contar, medir lo que se puede medir y, lo que no se puede medir, hacerlo medible"; no puede haber mejor lema para un metrólogo.

La metrología científica se vio, en un principio, más desarrollada en aspectos relacionados con la arquitectura, agrimensura y geografía en general. Esta íntima relación entre metrología y geografía queda evidenciada por los ímprobos trabajos de Delambre y Méchain en la determinación de la longitud del grado de meridiano, presionados por las acuciantes necesidades de los navegantes de la época por determinar las longitudes geográficas, lo que también influyó en el desarrollo de la medida de tiempo y el progreso acelerado de la relojería en los siglos XVI y XVII. Ello conllevó una mejora sustancial en la mecánica de precisión, antecedente inmediato de la revolución industrial.

Esta relación entre ciencia y técnica con la metrología se hizo más estrecha con la decisión, fundamentalmente francesa, de construir un sistema de pesas y medidas libre de las limitaciones antropológicas de los modelos antiguos. Esta decisión tuvo un efecto adicional con el que no contaron sus creadores, en un principio sólo preocupados por facilitar las relaciones comerciales. Los primeros patrones basados en conocimientos geográficos resultaban insuficientes para cubrir las necesidades técnicas, lo que condujo al empleo de métodos y conceptos científicos para hacer progresar la metrología, dando fundamento a los patrones y mejorándolos progresivamente, produciéndose como consecuencia una mejora en la calidad de las medidas y posibilitándose la producción industrial en serie y la tecnología moderna en general. La tabla 1 recoge algunos de los hitos que han jalonado la evolución de la ciencia y la metrología.

Tabla 1: Hitos relevantes en la historia de la ciencia y las medidas

La evolución del metro es quizá uno de los ejemplos más claros de cómo ciencia y metrología han seguido un camino paralelo. En 1890 A. A. Michelson descubrió que la línea espectral roja del cadmio era excepcionalmente coherente; un poco más tarde, en 1892, utilizó su interferómetro para determinar la longitud del prototipo internacional del metro en términos de esa longitud de onda y, en 1907, le fue concedido el premio nobel de física por "sus instrumentos ópticos de precisión y la investigación llevada a cabo gracias a ellos en los campos de la metrología de precisión y la espectroscopía", en palabras del profesor K.B. Hasselberg en su discurso de la ceremonia de entrega de dichos premios.

En 1925 el interferómetro pasó a ser un instrumento de medida habitual para la determinación de longitudes en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM en sus siglas en francés). En 1921 A. Pérard inició un estudio sistemático de las radiaciones del cadmio, mercurio, helio, neón, kriptón, zinc y talio buscando cuál podría ser de más utilidad para medir longitudes. En 1950 el cadmio 114, el mercurio 198 y el kriptón 86 quedaron como los mejores candidatos y en 1960 el metro pasó de estar definido por un artefacto físico a definirse a partir de la longitud de onda de la luz resultante de la transición entre dos niveles atómicos de un elemento concreto (el kriptón 86). Algo antes, a mediados de los 50, había comenzado a "producirse" radiación coherente en la región de las microondas gracias al máser desarrollado por C. Townes en los Estados Unidos y N. Basov y A. Prokhorov en la Unión Soviética, que compartieron el premio nobel en 1964. C. Townes junto con A. Schawlow extendieron la idea del máser a la región óptica y consiguieron sólo dos años más tarde construir el láser.

A partir de 1964, las longitudes de onda estabilizadas de láseres de helio-neón comenzaron a utilizarse como patrones de longitud. El uso de la interferometría láser permitía la medida de mayores longitudes, imposibles de ser medidas mediante fuentes de luz de lámparas espectrales y su desarrollo fue imparable gracias a sus numerosas aplicaciones. En 1981 el propio Schawlow recibiría el premio nobel por sus desarrollos en espectroscopía láser y en 1983 la definición del metro volvió a ser modificada para basarse ahora en una constante fundamental, la velocidad de la luz, recomendándose el láser de helio-neón estabilizado sobre célula de Iodo para su realización práctica.

Y la historia continúa; en 2005 J. L. Hall y T. W. Hänsch recibieron también el premio nobel de física por "sus contribuciones al desarrollo de la espectroscopía de precisión basada en técnicas láser, incluyendo la técnica óptica del peine de frecuencias". El peine de frecuencias ha simplificado el panorama de la medida de longitudes ya que un único instrumento permite generar y medir, con una exactitud sin precedentes, la frecuencia de casi cualquier fuente óptica estable.

La medida de la longitud no es el único ámbito de la metrología que ha evolucionado en paralelo con la ciencia y la tecnología. Hace ya más de veinte años la metrología eléctrica sufrió profundos cambios con el advenimiento de la era cuántica. Los patrones eléctricos pasaron a ser fenómenos cuánticos más estables, robustos, reproducibles y exactos que sus predecesores. Los efectos Josephson y Hall (B. D. Josephson y K. von Klitzing fueron premios nobel en 1973 y 1985 respectivamente) fueron establecidos en 1988 (recomendaciones 1 y 2 de 1988 del Comité Internacional de Pesas y Medidas) como materializaciones recomendadas del voltio y ohmio respectivamente. Más adelante, en 2010, A. Geim y K. Novoselov fueron galardonados con el premio nobel por sus experimentos pioneros con el grafeno, uno de cuyos usos prácticos es como patrón de resistencia eléctrica, basado en el efecto Hall no convencional.

Tabla 2: Premios nobel cuyos resultados han sido aplicados a la metrología

Como se ha visto muchos de los descubrimientos y experimentos de premios nobel están ligados a la mejora de las capacidades de medida. Para completar esta lista, incluimos la tabla 2, donde se recogen otros premios nobel cuyos resultados se han aplicado a la metrología.

A través de la ciencia, las medidas han evolucionado y se han adaptado para dar respuesta a las necesidades de las diferentes civilizaciones hasta llegar al mundo que hoy conocemos con las comunicaciones por satélites, el desarrollo de nuevos materiales -alterando la materia a nivel atómico- que permiten la fabricación de productos inteligentes, el conocimiento de planetas y astros a años luz de la tierra, o de nuestro propio cuerpo, con instrumentos y técnicas no invasivas como los escáneres cerebrales, la resonancia magnética, etc

Esta relación entre ciencia y metrología continuará reforzándose, sin duda, en el futuro. En la actualidad existen evidentes líneas de investigación que pueden tener un impacto directo en las propias definiciones de las unidades, ligándolas a la medida de constantes fundamentales. Estamos viviendo uno de los momentos más apasionantes de la historia de la metrología en el que nuevos caminos inexplorados traerán consigo nuevos avances en la industria y la tecnología.

El papel de la metrología en la I+D+i

El mundo actual esta haciendo frente a cambios estructurales y retos extraordinarios para intentar dar solución a la reciente crisis económica que ha dejado a muchos países endeudados y con una gran tasa de paro. La globalización de las finanzas y la fragmentación geográfica de la producción ha alcanzado niveles sin precedentes que exigen de los gobiernos nuevas estrategias y modelos sostenibles. En una economía globalizada donde los productos se distribuyen y comercializan rápidamente y en donde el factor precio juega un papel relevante, una de las vías prioritarias para competir, adoptada por las economías avanzadas como la Unión Europea, es la profundización en el conocimiento, lo que engloba la investigación y el desarrollo (I+D), la innovación y la educación, como motor esencial del incremento de la productividad. Promover la investigación, el desarrollo y la innovación (I+D+i) es un objetivo importante, de interés común.

Es por ello que la investigación y la innovación juegan un papel prioritario en la estrategia EUROPA 2020 para promover un crecimiento inteligente y sostenible. El objetivo europeo para el año 2020 es incrementar el gasto en I+D y llegar al 3 % del PIB europeo. Varias de las iniciativas emblemáticas de dicha estrategia contemplarán la metrología, tales como:

  • "Unión por la Innovación"
  • "Una agenda digital para Europa"
  • "La Europa de los Recursos eficientes"
  • "Una política industrial para la era de la globalización"

Como hemos venido diciendo, la metrología va íntimamente ligada al desarrollo de la ciencia y dado que se la suele considerar como ciencia horizontal situada en la base del conocimiento, es esencial en la investigación científica, en las mediciones necesarias para el control y mejora de la comprensión de teorías/hipótesis, para el estudio de los factores que influyen en un fenómeno específico y para el desarrollo de nuevas teorías y la mejora de técnicas de medida. La investigación científica es, a su vez, la base del desarrollo de la propia metrología. Aquellos campos de la metrología de mayor desarrollo, son los que aportan más y mejores soluciones a la investigación y a la industria. La metrología es un vector de competitividad y un factor de trazabilidad. Asimismo, en otro aspecto, la metrología es también clave para la seguridad jurídica, con la medición como factor de imparcialidad en las transacciones.

La industria, el comercio, y cada vez más la calidad de vida, dependen de medidas efectivas y consistentes. Por lo tanto las demandas en metrología están creciendo de forma constante, y es de esperar que crezcan más rápidamente en el futuro. Se puede considerar que los motores de este crecimiento son los tres siguientes:

  • la mayor complejidad de la industria, que requiere mayores rangos de medida y menores incertidumbres,
  • la aparición de nuevas áreas tecnológicas, como la nanotecnología o la biotecnología,
  • el mayor valor reconocido a la metrología en disciplinas clásicas, tales como la medicina o la seguridad alimentaria.

Impacto de la metrología en el desarrollo industrial y económico de los países

Una buena infraestructura metrológica es fundamental para la industria, haciendo accesibles servicios tales como la calibración de instrumentos de medida, patrones y materiales de referencia, la formación y el asesoramiento, que permiten realizar medidas fiables, desarrollar nuevos productos y contribuir a la calidad de éstos, junto a la eficiencia de los procesos y la competitividad de las empresas.

En los países industrializados se estima que las medidas tienen un coste equivalente en sus economías de más del 1 % del PIB y un retorno equivalente entre el 2 % y el 7 % del PIB, por lo que la metrología supone una parte vital de la actividad diaria de la sociedad.

La medición sistemática, con incertidumbre determinada, es una de las bases del control de calidad industrial, hasta el punto que, en las industrias más modernas, el coste de las mediciones supone del 10 % al 15 % de los costes de producción.

Aun siendo de una claridad meridiana el impacto que tiene la metrología en el desarrollo industrial y económico de los países, es muy usual que se quiera cuantificar y justificar la necesidad de desarrollar y mantener una infraestructura metrológica en cada país. Esta evaluación no es sencilla y para que sus resultados puedan ser fiables se ha de dedicar bastante tiempo, dinero y personal especializado a ello. Merece la pena destacar el informe emitido por el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) donde se recogen a grandes rasgos resultados de cuatro grandes estudios realizados hace unos años por reputadas instituciones como son: NIST (EE. UU.), DTI (Reino Unido), NRC (Canadá) y la Unión Europea. Cada uno de estos estudios ha utilizado diferentes supuestos económicos.

El NIST ha realizado varios estudios del impacto económico de la metrología en diversas áreas, muchos de los cuales se basan en la comparación del coste de desarrollo de un cierto patrón de medida o material de referencia certificado y el ahorro estimado a un determinado grupo de usuarios o a la industria. Este modelo, en principio, permite estimar el impacto en una escala nacional haciendo alguna extrapolación. Uno de los ejemplos del estudio relata que el periódico Washington Post and Medical Laboratory Observer informó en su día que entre el 25 % y el 30 % de las mediciones relacionadas con la salud se realizan para confirmar diagnósticos (repetición de ensayos, prevención y detección de errores). Esto significa que potencialmente entre 10 y 30 mil millones de dólares por año podrían ser ahorrados si las medidas fueran consistentes y fiables.

El enfoque del DTI está basado en consideraciones macroeconómicas que permiten obtener cifras generales. En paralelo, se han realizado estudios comparativos respecto a las capacidades de medida de su instituto nacional de metrología (National Physical Laboratory, NPL) en relación con las de otros institutos nacionales. La investigación demostró que las mediciones en el Reino Unido tienen un efecto significativo en la economía del orden del 0,8 % del PIB.

Los estudios canadienses están basados en la combinación de varios estudios parciales, encuestas y análisis estadísticos. Los casos estudiados se han extrapolado obteniéndose la importancia de dichos resultados a escala nacional. Los resultados globales del estudio estiman, de forma conservadora, que la inversión pública de 12 millones de dólares canadienses en su instituto nacional de metrología proporciona un ratio coste/beneficio de 1 a 13.

El estudio de la UE esta basado en seis casos (nanotecnología, industria del automóvil, industria farmacéutica, sector del gas natural europeo, industria de diagnosis in vitro y control de emisiones y contaminación del medioambiente) y en la información aportada por los estados miembros, complementada con estimaciones económicas. Se indica que la UE gasta alrededor del 1 % del PIB en actividades de medición y que por cada euro dedicado a estas actividades se generan 3 euros. Así pues, el ratio coste/beneficio es de 1 a 3, esto sin tener en cuenta las externalidades.

De los estudios mencionados anteriormente se deduce que, en las sociedades industriales modernas, el valor anual de las transacciones en las que se emplean las medidas es del 50 % del PIB. Este dato es muy significativo e importante para valorar lo que significaría una reducción de la infraestructura de la metrología. Un aumento en el error medio de las medidas del 0,1 % significaría un coste social del orden del 0,05 % del PIB que es mucho mayor que el coste que los Estados pagan por mantener una infraestructura metrológica.

Como resumen se puede decir que los cuatro estudios citados aportan argumentos que abogan por la conveniencia de que los Gobiernos sigan invirtiendo en metrología. Concretamente, en el informe del CIPM se concluye que:

  • Existen claras razones económicas para que los sistemas de medida nacionales, desarrollados y mantenidos por los institutos nacionales de metrología (INM) de los distintos países, sean financiados con fondos públicos.
  • Los INM inducen considerables beneficios (spillovers) a la competitividad internacional y a los procesos de innovación industrial, además de prestar apoyo al sector industrial de los instrumentos de medida y a la pequeña y mediana empresa.
  • Los INM generan un considerable número de beneficios externos que mejoran cuantitativamente aspectos de la calidad de vida, tales como la salud, la seguridad, la protección del consumidor y del medioambiente.
  • La actividad de los INM influye positivamente sobre la economía a través del mantenimiento de la infraestructura metrológica, apoyando la innovación y permitiendo el comercio seguro y justo.
  • Se debe prestar especial atención y financiación a las tecnologías emergentes, incluyendo la metrología en áreas como la nanotecnología, las mediciones basadas en efectos cuánticos, el software, la química, la biotecnología, así como en las tecnologías de la información, que permiten realizar calibraciones y comparaciones vía telemática.

Debe entenderse que estas sugerencias tienen un carácter general, por lo que deben ser adaptadas a las economías y nivel de desarrollo tecnológico de cada país.

Como conclusión podemos decir que la infraestructura metrológica de un país debe considerarse como una infraestructura técnica crucial, que aporta garantías para:

  • Mejorar la capacidad técnica de innovación
  • Promover el crecimiento económico y el progreso social
  • Aumentar la competitividad en el comercio internacional
  • Mejorar los intercambios y cooperaciones internacionales
  • Facilitar la aplicación de alta tecnología en la industria
  • Garantizar la seguridad y eficacia de la asistencia sanitaria
  • Dar respuesta a los grandes retos de la energía y el medio ambiente

La metrología en el siglo XXI

En los últimos tiempos la necesidad de contar con medidas cada vez más exactas y precisas se está incrementando no sólo en los sectores industriales y de comercio internacional sino también en los campos de la salud y la protección medioambiental, además de en los ya habituales de la ciencia y la tecnología. Existen ciertos factores claves que están provocando una evolución de la metrología tradicional hacía nuevos horizontes para cubrir demandas que están apareciendo en la sociedad, y entre estos factores podemos señalar los siguientes:

  • La sociedad actual requiere mediciones que aporten confianza y den los mismos resultados independientemente del lugar de realización. Clave para la intercambiabilidad de piezas y componentes.
  • La globalización del comercio y de la industria, con la creciente circulación de productos y servicios entre países, genera un aumento del interés por la exactitud y reproducibilidad de los resultados de medida que apoye al desarrollo económico y social. Clave para la economía de libre mercado.
  • Es necesario contar con un sistema global de medida para la armonización internacional de unidades físicas, normas de productos, procedimientos de calibración, evaluación de incertidumbres, etc. Clave para el desarrollo científico y la transparencia en el comercio.

Hasta hace poco, la metrología se relacionaba prácticamente solo con la física y la ingeniería. El rápido desarrollo de la tecnología y la necesidad general de mediciones mejores y más fiables ha exigido nuevas demandas a la metrología clásica. En muchos dominios como la metrología dimensional, las medidas eléctricas, ópticas y de presión o el dominio del tiempo y la frecuencia, las exigencias de exactitud se han venido multiplicando, en los últimos cincuenta años, por diez, cada diez o veinte años según el campo. Esta progresión no se está deteniendo, sino que se incrementa, como en el caso de los patrones de tiempo y frecuencia, base de los sistemas de navegación y posicionamiento actuales.

El comercio internacional depende cada vez más de la metrología, aumentando anualmente un 15 %, con alrededor de un 80 % relacionado con patrones o normativas, según la OCDE. Nuevas áreas metrológicas se están añadiendo a las clásicas, estimuladas por el auge de la metrología química, como ocurre con la medicina, la alimentación, la meteorología, la detección de drogas o la medicina forense, además de los nuevos materiales y nano-materiales y la biotecnología. La e-metrología a través de internet y la metrología de las sensaciones son también nuevos campos en desarrollo. En estos momentos el gran desafío es equilibrar estas nuevas demandas con aquellas que nos llegan de la metrología más clásica: la mejora de los relojes para la navegación, la medición de muy altas o muy bajas temperaturas, etc.

En la última década se han llevado a cabo importantes desarrollos en el campo sanitario. Gracias a las nuevas capacidades de medida, la diagnosis de los pacientes ha mejorado considerablemente contribuyendo, por tanto, a un mayor éxito en los tratamientos. Pero aún existen muchos problemas de comparabilidad de las medidas realizadas en los hospitales, no sólo a nivel internacional sino a nivel nacional e incluso dentro de un mismo hospital. La solución de estos problemas mejoraría inmediatamente la salud pública y permitiría una considerable reducción de costes.

Es importante destacar que muchas de las mediciones necesarias en este campo no pueden realizarse mediante unidades directamente trazables al Sistema Internacional (SI), como es el caso del contenido en grasas o la actividad biológica de muchas preparaciones farmacéuticas que no pueden medirse fácilmente en términos físico-químicos. En estos casos, los patrones son "unidades internacionales" definidas en función de, por ejemplo, la actividad biológica o muestras de referencia. En este sentido se ha desarrollado la base de datos del JCTLM (Comité Conjunto para la Trazabilidad en Medicina de Laboratorio, formado por el BIPM y la Federación Internacional de Química Clínica y Medicina de Laboratorio). Ésta es una base de datos que proporciona información relativa a materiales de referencia, métodos, procedimientos y servicios para la medicina de laboratorio y análisis in vitro. Colaboraciones similares se están abriendo para el suministro de muestras de referencia de pureza conocida, para la calibración de los equipos de diagnóstico en los hospitales. Este éxito ha llamado la atención de organizaciones responsables del control del dopaje en el deporte y del control de residuos químicos en los alimentos, ya que muchas técnicas son similares.

La mejora de las capacidades de medida en la medicina de laboratorio implica asimismo un considerable ahorro de dinero para los gobiernos. Por ejemplo, la incertidumbre asociada a la medida del colesterol en sangre se ha reducido de un 6 % a un 3 % en los últimos veinte años. Incluso con el nivel de exactitud actual, alrededor de un 10 % de los pacientes están incorrectamente tratados, pero esta reducción de la incertidumbre de la medida consiguió, según estimaciones de la autoridades sanitarias de los Estados Unidos, un ahorro de alrededor de 100 millones de euros anuales. Como dato orientativo de la importancia que están adquiriendo las ciencias de la salud, según un informe de la OCDE la inversión en I+D del sector público en los países miembros supuso un 0,1 % del PIB conjunto. En la Fig. 1 se presenta la inversión realizada por algunos países en 2010

Fig. 1: Inversión en I+D en salud. Datos de 2010

En el control de dopaje no existe un acuerdo internacional en cuanto a las técnicas de medida a emplear. El Comité Olímpico Internacional utiliza laboratorios acreditados que comparan sus resultados utilizando muestras patrón. El problema está en que las concentraciones de drogas encontradas son muy pequeñas, y en matrices como sangre u orina, y las incertidumbres en metrología química dependen en gran medida de la matriz. Por tanto las incertidumbres de medida pueden ser bastante grandes y no satisfacen a las autoridades deportivas que buscan un "simple" sí o no como respuesta.

El control de los productos alimentarios está directamente relacionado con la salud pública, sin olvidar tampoco que el sector alimentario es el más importante dentro del comercio internacional. Este campo es otro en el que las referencias no son fácilmente trazables al SI. En la actualidad, la legislación en muchos países se está centrando en el control global de la cadena de producción de alimentos, estando desarrollándose nuevos y mejorados procedimientos de medida para, por ejemplo, el control de alimentos modificados genéticamente: en Europa el límite para indicar en el etiquetado que el alimento está modificado genéticamente es el 1 %, en Australia es el 2 % y en Japón el 5 %. Pero los procedimientos actuales carecen de rigor y no están adecuadamente validados. La tecnología relacionada con el ADN y el ARN es un área de la moderna biotecnología donde la infraestructura metrológica aún no ha sido desarrollada y donde es necesaria una comparabilidad internacional y una fiabilidad en las medidas inexistente por el momento.

Hoy en día, la biotecnología representa el 1,69 % de la economía de la UE, comparable con la agricultura (1,79 %) o la industria química (1,95 %) (fuente: European Commission & Lux Research). La inversión mundial en biotecnología en el año 2009 viene reflejada en la Fig. 2

Fig. 2: Inversión mundial en biotecnología en 2009

La metrología está siendo aplicada muy recientemente a las medidas medioambientales y a las relacionadas con el cambio climático; en 2010 la Organización Meteorológica Mundial ha sido la segunda organización intergubernamental en firmar el Tratado de Reconocimiento Mutuo (tratado por el que se reconocen los patrones nacionales y las capacidades de medida de los firmantes). El hecho de conseguir medidas medioambientales trazables al SI ayudará a mejorar los conocimientos actuales de las interacciones complejas entre el clima, las corrientes marinas y la atmósfera. Sólo si estas mediciones tienen unos sólidos cimientos metrológicos se podrán justificar las inversiones necesarias para la mejora de los parámetros medioambientales y se podrá comprobar su efecto a largo plazo. La importancia de comprender y predecir las variaciones climáticas ha crecido en la última década. En 2001 la Casa Blanca solicitó que la Academia Nacional de Ciencias y el Consejo de Investigación Nacional "revisaran las incertidumbres de medida en la ciencia del cambio climático". La medida de pequeñas variaciones asociadas con el cambio climático a largo plazo es una tarea extremadamente complicada. Por ejemplo, los instrumentos incluidos en los satélites deben ser capaces de observar, mediante medidas trazables, variaciones de temperatura del orden de 0,1 ºC por década o variaciones de ozono del orden del 1 % por década.

Además, la medida de la degradación del medioambiente causada por las actividades humanas e industriales debe ser realizada con suficiente exactitud no sólo para asegurar la conformidad con ciertas normas, o para la toma de decisiones relacionadas con medidas protectivas, sino también para otras aplicaciones como podría ser el comercio de los derechos de emisiones. Los costes relacionados con la limpieza medioambiental son enormes; mediciones incorrectas llevan a tomas de decisiones erróneas que pueden provocar grandes costos a los productores o a los propios gobiernos.

Este aumento del interés por la protección del medioambiente, el control de los recursos naturales y el uso de energías limpias, está llevando a los estados a invertir en nuevas tecnologías que requieren a su vez nuevos desarrollos de patrones, instrumental y técnicas de medida más exactas. Para ver la evolución de esta demanda podemos acudir al informe de la OCDE, en donde en 2008 los países europeos estaban invirtiendo 7.335 millones de dólares PPP (paridad de poder adquisitivo) y España alrededor de un 8,5 % de las inversiones públicas en I+D en este sector. La inversión en I+D en la última década de los países de la OCDE se puede ver en la Fig. 3

Fig. 3: Evolución de la inversión en I+D en energía y medioambiente de los países de la OCDE en la última década

Otro campo en desarrollo es el de la nanociencia. La industria de la nanotecnología facturó en el año 2006 unos 11,5 billones de dólares a nivel mundial (fuente: European Commission & Lux Research). Las mediciones en el campo nanoeléctrico se irán haciendo cada vez más necesarias según vaya siendo desplazada la tecnología relacionada con la construcción de circuitos integrados por la fabricación de nanocircuitos, electrónica molecular, nanotubos, etc. Las magnitudes eléctricas tradicionalmente medidas hasta el momento, como la capacidad o el voltaje ¿serán adecuadas en la nanoescala? ¿Serán las leyes de la física diferentes? Y ¿qué hay de la nanodosimetría? En general no existe aún un consenso internacional sobre lo que la metrología debe aportar en este ámbito, aunque sí existen ya algunas hojas de ruta a seguir.

En 2010 el BIPM organizó un seminario internacional para tratar estos temas, en el que se detectaron varios problemas técnicos que era necesario abordar. En primer lugar se resaltó que los mensurandos son a menudo difíciles de definir y que incluso técnicas que pretenden realizar el mismo tipo de medida proporcionan resultados diferentes porque en realidad miden diferentes propiedades. Un caso particular es el de las medidas de forma, donde se reconoce que el término "forma" no es suficientemente preciso y que para las nanopartículas puede no ser ni siquiera relevante. En segundo lugar se hizo evidente la importancia de la medida de la reactividad de las nanopartículas; es decir, su interacción con el entorno en el que se encuentren. La necesidad de hacer medidas in situ, en este caso, complica su realización. La influencia de la matriz es, por tanto, significativa y también podría ser necesario considerar la evolución temporal de diversas propiedades. Además, el empleo de modelos matemáticos y cálculos numéricos en algunas técnicas de medida, especialmente las de "forma", es una fuente adicional y significativa de incertidumbre.

La trazabilidad al SI es muy complicada de conseguir en las nano-biotecnologías, aunque está en estudio en la actualidad y ya existen soluciones en análisis de superficies, aerosoles o microscopía. La necesidad de calibraciones industriales es cada vez más urgente ya que múltiples productos que se están comercializando contienen nanopartículas. En la actualidad se están realizando muchos esfuerzos relacionados con las medidas de forma y concentración, aunque es una tarea difícil; la tendencia es la medida de propiedades por métodos definidos y el desarrollo de procedimientos normativos. Los materiales de referencia también son importantes, las prioridades se centran en los aerosoles, análisis de superficies, nanobiotecnología en general y toxicidad en particular. Algunos de ellos ya están disponibles pero todavía es necesario probar su fiabilidad.

Pero el futuro no acaba aquí, la metrología está comenzando a explorar nuevas fronteras; es el caso de la denominada "soft-metrology", que tal vez podríamos traducir como metrología "sin dimensiones" o metrología de las "sensaciones", centrada en la medida de parámetros asociados a la percepción humana. En esta nueva metrología, el ser humano es considerado como un "transductor", centrándose los trabajos en la creación de escalas, la selección de "expertos" en sensaciones, la definición de sensibilidad, repetibilidad y reproducibilidad y la comparabilidad de métodos. La medida de la utilidad del software o del confort o de la satisfacción del cliente son ejemplos dentro de este campo, sin olvidar el color, gusto u olor, o parámetros econométricos y sociométricos como la imagen o la audiencia.

La comunidad metrológica tradicional es renuente a incluir esta metrología de sensaciones entre las prácticas habituales ya que los resultados parecen, en principio, subjetivos. Lo ideal sería utilizar sensores aplicados a los sujetos sometidos a ensayo. La Comisión Europea, dentro de su programa Nuevas Ciencias y Tecnologías Emergentes ha financiado un proyecto llamado "Midiendo lo imposible". El objetivo de este proyecto es la investigación en áreas interdisciplinarias de la ciencia, con el propósito de apoyar el desarrollo de nuevos métodos y técnicas de investigación para la medición de fenómenos complejos que dependen de la percepción humana y su interpretación. Incluye, por ejemplo, las mediciones relativas a la percepción de los atributos de los productos y servicios, tales como la calidad o el atractivo, o la cuantificación de parámetros sociales tales como la seguridad y el bienestar. En resumen, el leitmotiv de Galileo sigue presente hoy en día para los metrólogos: hacer medible lo que no se puede medir.

Experiencia europea

La demanda en metrología esbozada en el anterior apartado es muy difícil de satisfacer desde cada país e instituto nacional de metrología, por lo que es necesario coordinar esfuerzos y establecer líneas estratégicas de investigación y desarrollo. En Europa esto se puso en marcha a principios de este siglo con los proyectos europeos MERA (metrología para el espacio europeo de investigación, septiembre 2002) e iMERA (implementación del MERA, abril 2005) que han conducido al desarrollo de un programa de investigación coordinada en metrología (EMRP) dentro de la organización regional de metrología europea, EURAMET, que reúne a los institutos nacionales de metrología. El EMRP fue aprobado en el año 2009 por el Parlamento y el Consejo para su financiación bajo el art 169 (actual 185) dentro del 7º Programa Marco por un total de 400 millones de euros, a desarrollar en siete años. (Información disponible en http://www.euramet.org).

El EMRP está centrado en la coordinación de la I+D en metrología, facilitando una integración más estrecha de los programas nacionales de investigación tanto a nivel científico como económico y de gestión. El EMRP garantiza la colaboración entre los institutos nacionales de metrología, reduciendo la duplicación de esfuerzos y costes y aumentando el impacto. Su objetivo general es acelerar la innovación y la competitividad en Europa, generar resultados y conocimientos en metrología y desarrollar nuevas capacidades de medida.

De este programa no solo se benefician los institutos nacionales de metrología, ya que dedica un presupuesto de 40 millones de euros (2009 – 2016) a becas e industrias de base tecnológica, grupos de investigación, etc., que tengan capacidad y deseen participar en los proyectos de investigación abordados.

El programa se inició en el año 2009 y ya se han producido 3 convocatorias con 65 proyectos financiados, estando aún pendientes dos convocatorias más, la del 2012 y la del 2013. España, a través del Centro Español de Metrología (CEM) y sus Laboratorios Asociados, participa en 15 de estos proyectos, en campos tan variados como la nanometrología, las medidas eléctricas, el medio ambiente o la energía, todos ellos claves para un desarrollo industrial competitivo e inminente.

En líneas generales, el programa de investigación EMRP está basado en los siguientes pilares:

Grandes Retos: salud, energía, medioambiente y nuevas tecnologías.

Metrología Fundamental y Aplicada: nuevas definiciones de las unidades y mejora de su realización práctica.

Este se materializa en cinco convocatorias mostradas en la tabla 3

Tabla 3: convocatoria del EMRP

Hasta el momento la investigación en estos campos ha estado fragmentada en Europa y jamás ha sido estratégicamente coordinada. En el EMRP, tanto las actividades de investigación existentes como las capacidades individuales directamente relacionadas con los objetivos antes mencionados y que necesitan un acercamiento multidisciplinar, son combinadas, coordinadas e incluso suplementadas en caso necesario. La selección de campos como la salud, la energía, el medio ambiente y las nuevas tecnologías, refleja el carácter de la metrología como una disciplina de investigación horizontal básica. El segundo gran tema, "metrología fundamental y aplicada" se centra en la necesidad de incrementar los esfuerzos de I+D en las áreas tradicionales de la metrología, respondiendo a la llamada de la Conferencia General de Pesas y Medidas en 2005 a incrementar los esfuerzos en la determinación de las constantes fundamentales que llevarán a una nueva redefinición del Sistema Internacional de unidades y a la mejora de las realizaciones prácticas de las mismas.

La experiencia y los resultados que se están obteniendo convierten al EMRP en un programa de I+D con gran impacto y visibilidad en la UE y con posibilidades de ampliación y continuación en el próximo programa marco.

EURAMET está trabajando en la actualidad para presentar a consideración de la Comisión Europea la continuación del programa EMRP, incluyendo nuevos factores claves como la innovación y la transmisión de conocimientos adquiridos en los proyectos previos y aplicación de los mismos a productos y servicios a poner en el mercado.

El nuevo programa, EMPIR (European Metrology Programme for Innovation ) estará sustentado temáticamente por tres pilares del desarrollo:

  1. Metrología avanzada, que contempla los grandes retos en energía, medio ambiente y salud.
  2. Aplicación industrial de los avances en metrología para incrementar la competitividad.
  3. Explotación y servicio de la ciencia básica relacionada con la metrología.

El programa EMPIR continuará desarrollando las capacidades de medida de los institutos nacionales europeos, como herramienta clave para responder a los desafíos en las áreas de medio ambiente, energía y salud. Estos desafíos requieren enfoques a largo plazo y armonización e integración internacional de esfuerzos en el desarrollo de patrones y métodos de medida. El segundo pilar del EMPIR tendrá como objetivo el desarrollo de las capacidades técnicas de las industrias, permitiendo una participación directa de estas en los proyectos, con el objetivo clave de transferir y desarrollar conjuntamente la tecnología. Con el tercer pilar, el EMPIR proporcionará el marco apropiado para cubrir desde los ciclos de innovación de las tecnologías de medición, a la investigación básica y a la aceptación en el mercado de los productos.

Si el programa EMPIR es finalmente aprobado por la Comisión, el Parlamento y el Consejo europeos, se espera su inicio para 2014, dando de esta forma continuidad al actual EMRP y aprovechando todo el conocimiento y resultados obtenidos en el mismo.

Conclusiones

Tras lo hasta aquí expuesto, podemos observar que la metrología está evolucionando a un ritmo mucho más dinámico que en pasadas décadas para adaptarse a las nuevas demandas y con ello potenciar futuros desarrollos en el campo de la ciencia y la tecnología. Los avances en metrología son la base de la innovación, mejoran la calidad de vida y potencian otras áreas de la ciencia. La I+D en metrología es por tanto una piedra angular en el desarrollo tecnológico e industrial de un país. La metrología es un vector de competitividad y un factor de trazabilidad. Por todo ello resulta clave que, entre otras medidas, en España:

  • se fomente y apoye la formación de profesionales altamente cualificados en materia metrológica. Disponer de personal cualificado es condición necesaria para incrementar la competitividad y la capacidad de crecimiento de las empresas,
  • se dé un impulso institucional a la infraestructura metrológica, que permita afrontar el futuro de forma estructurada, programada y sostenible,
  • se potencie la inversión pública y privada en I+D+i en materia metrológica,
  • se intensifique la cooperación entre la universidad, la empresa y los institutos de metrología en la ejecución de proyectos de I+D+i, de cara a afrontar innovaciones de mayor contenido tecnológico y disminuir la dependencia externa que hace menos competitivas a nuestras industrias, y
  • se potencie la transferencia de conocimientos metrológicos con objeto de que nuestras industrias puedan beneficiarse de ello y tengan mayor potencial para ser más competitivas e innovadoras.
Referencias

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- The evolution of metrology: past times to the present day. A. Wallard, Actas de la Escuela Internacional de Física "Enrico Fermi", curso CLXVI, 2007, pp. 11-20.
- Metrology and Society. A. Wallard, Actas de la Escuela Internacional de Física "Enrico Fermi", curso CLXVI, 2007, pp. 1 -9.
- Evolving Needs for Metrology in Trade, Industry and Society and the Role of the BIPM, informe del CIPM, 2003.
- Satellite Instrument Calibration for Measuring Global Climate Change, G. Ohring, B. Wielicki, R. Spencer, W. Emery, R. Data: Bulletin of the American Meteorological Society, sept 2005, pp. 1303-13013.
- The future of scientific metrology. A. Wallard, Actas del XIX Congreso de IMEKO, Portugal 2009.
- Report on the BIPM workshop on metrology at the nanoscale. A.G. Steele, J. Viallon, P. Hatto, T.J.B.M. Janssen, A. Knight, L. Locascio, J.R. Miles, V. Morazzani, S. Prins, W. Unger. Informe BIPM-2010/06.
- Introduction to soft metrology. J.C. Krynicki, Actas del XVIII Congreso de IMEKO, Brasil 2006.
- European Metrology Research Programme Outline 2008
- OECD science, technology and inndustry scoreboard 2011
- COM(2011) 808 final. Communication from the commission to the european parliament, the council, the european economic and social committee and the committee of the regions Horizon 2020 - The Framework Programme for Research and Innovation. Brussels, 30.11.2011
- Memoria de actividades de I+D+i 2010. FECYT
- La metrología científica en España y en su entorno europeo. Comisión de Laboratorios Asociados del Consejo Superior de Metrología. Rev 1. Sept 2007 www.cem.es

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