La resiliencia de la naturaleza inspira una mejora en la red eléctrica

Los ecosistemas naturales, compuestos por plantas, animales y microorganismos, enfrentaron constantes desafíos debido a fenómenos naturales como el clima extremo o especies invasoras. A pesar de estas adversidades, estos sistemas han prosperado durante millones de años, mostrando altos niveles de resiliencia ante peligros y perturbaciones. La pregunta que surge es: ¿podrían los mecanismos y patrones responsables de esta resiliencia ser aplicados a la red eléctrica?

Investigadores de Texas A&M University llevaron a cabo pruebas sobre sistemas ciberfísicos inspirados en la naturaleza para fortalecer la red eléctrica, con el objetivo de mitigar diferentes tipos de ciberataques y comprender sus impactos. Las amenazas cibernéticas potenciales para redes de recursos como la red eléctrica incluyen la presentación de información falsa a los sistemas de datos y los intentos de robo de información, lo que puede afectar las capacidades de rendimiento de una red.

"Los ecosistemas experimentan muchas de las mismas perturbaciones inesperadas que los sistemas creados por el hombre, como sequías e inundaciones", afirmó Dr. Astrid Layton, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Mecánica de J. Mike Walker '66 y directora del Bio-inspired SystemS Lab (BiSSL).

"Si bien los ecosistemas pueden sufrir daños por estos peligros, tienen la capacidad única de sobrevivir a estas perturbaciones sin niveles de redundancia innecesarios, no solo a nivel del ecosistema, sino también a nivel de especies, lo que explica nuestro interés en los sistemas de energía ciberfísicos desde esta perspectiva ecológica".

Como su nombre indica, los sistemas de energía ciberfísicos están compuestos por elementos cibernéticos y físicos, conocidos como componentes. Los componentes cibernéticos, como cortafuegos y enrutadores, manejan flujos de información digital, mientras que los componentes físicos, como buses y generadores, procesan flujos de energía tangibles. A pesar de su prevalencia, la complejidad del sistema causa un conocimiento incompleto sobre cómo las perturbaciones se mueven a través de un sistema ciberfísico y cómo lo impactan.

"Es crucial que un sistema no solo sobreviva en tiempos difíciles, sino que también prospere en tiempos buenos", comentó Layton. "Utilizar modelos ecológicos y la perspectiva que ofrecen permite evaluar la interfaz ciberfísica, aclarando cómo el sistema puede funcionar de manera más eficiente cuando no hay amenazas inmediatas, al tiempo que se comprende y minimizan los daños cuando sí ocurren".

El objetivo principal de este proyecto fue comprender mejor la relación entre los componentes cibernéticos y físicos que componen los sistemas de energía ciberfísicos. Un entendimiento más sólido de la interfaz del sistema permite a los investigadores predecir los posibles impactos de los ciberataques en los componentes físicos y los ataques físicos en los componentes cibernéticos, informando a los responsables de políticas y operadores de la red sobre cómo prepararse y operar mejor durante estas amenazas.

Layton, experta en diseño de sistemas inspirados en la naturaleza y técnicas de análisis, colaboró con Dr. Katherine Davis, profesora asociada de ingeniería eléctrica y computacional, quien aporta un amplio conocimiento sobre sistemas de energía. Layton y Davis han trabajado juntas desde una subvención del Texas A&M Energy Institute en 2018. Su conocimiento combinado en ingeniería mecánica y eléctrica las convierte en un gran equipo para comprender y diseñar sistemas de energía ciberfísicos para la resiliencia.

Layton y Davis también contaron con la participación de sus estudiantes de doctorado, Emily Payne y Shining Sun, para el estudio de Sandia. Payne, estudiante de ingeniería mecánica, comenzó a trabajar con Layton en el Bio-inspired SystemS Lab como estudiante de ingeniería arquitectónica en 2022. Sun, estudiante de ingeniería eléctrica y computacional, ha trabajado con Davis desde 2023. Ambos han publicado varios artículos relacionados con este trabajo y han presentado sus hallazgos en conferencias, ganando premios por su investigación.

"Parte del éxito de este proyecto ha sido gracias a estos estudiantes de posgrado en ingeniería, Emily y Shining, quienes han destacado en los aspectos interdisciplinarios del trabajo además de su enfoque técnico altamente especializado", comentó Layton.

"Mi investigación, en particular, pide a los estudiantes de ingeniería que lean artículos de ecología, que son esencialmente un idioma diferente a los artículos de ingeniería, y apliquen esto a su investigación".

Este enfoque permite a Layton ver problemas de ingeniería desde una perspectiva innovadora. El proyecto de Sandia National Laboratories finalizó en septiembre de 2025, pero los investigadores continúan colaborando en sus sistemas de energía inspirados en la naturaleza. Layton y Davis están programadas para participar en un estudio colaborativo centrado en modelar los impactos de las perturbaciones climáticas en la red eléctrica.

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