La resiliencia de la naturaleza inspira una red eléctrica mejorada

Los ecosistemas naturales formados por plantas, animales y microorganismos enfrentan desafíos constantes debido a peligros naturales, como condiciones climáticas extremas o especies invasoras.

A pesar de estos desafíos, los ecosistemas han prosperado durante millones de años, mostrando altos niveles de resiliencia frente a peligros y perturbaciones. ¿Qué pasaría si los mecanismos y patrones responsables de esta próspera resiliencia pudieran aplicarse a la red eléctrica?

Investigadores de la Universidad Texas A&M han probado sistemas ciberfísicos bioinspirados para fortalecer la red eléctrica para mitigar diferentes tipos de ciberataques y comprender sus impactos.

Las posibles amenazas cibernéticas a las redes de recursos como la red eléctrica incluyen presentaciones de información falsa a los sistemas de datos e intentos de robo de información, que pueden 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», dijo la Dra. Astrid Layton, profesora asociada en el Departamento de Ingeniería Mecánica J. Mike Walker ’66 y directora del Laboratorio de Sistemas Bioinspirados (BiSSL).

«Si bien estos peligros pueden dañar los ecosistemas, tienen la capacidad única de sobrevivir a estas perturbaciones sin niveles despilfarradores de redundancias, no sólo a nivel de ecosistema, sino también a nivel de especie, razón por la cual estamos interesados ​​en los sistemas de energía ciberfísicos desde esta perspectiva ecológica».

Como sugiere su nombre, los sistemas de energía ciberfísicos se componen de elementos físicos y cibernéticos, denominados componentes. Los componentes cibernéticos (como cortafuegos y enrutadores) se ocupan de los flujos de información digital, mientras que los componentes físicos (como autobuses y generadores) procesan flujos de energía tangibles. A pesar de su prevalencia, la complejidad del sistema provoca un conocimiento incompleto de cómo las perturbaciones se mueven e impactan en un sistema de energía ciberfísico.

«Es crucial que un sistema no sólo sobreviva los tiempos difíciles, sino que también prospere durante los buenos», dijo Layton. «El uso de modelos ecológicos y la información que brindan nos permite evaluar la interfaz ciberfísica, aclarando cómo el sistema puede funcionar de manera más eficiente cuando no hay amenazas inmediatas y al mismo tiempo comprender y minimizar los daños cuando ocurren».

El objetivo principal de este proyecto era comprender mejor la relación entre los componentes cibernéticos y los componentes físicos que componen los sistemas de energía ciberfísicos. Una comprensión más sólida de la interfaz del sistema permite a los investigadores predecir los impactos potenciales de los ataques cibernéticos a los componentes físicos y los ataques físicos a los componentes cibernéticos, informando a los formuladores de políticas y a los operadores de redes sobre la mejor manera de prepararse y operar durante estas amenazas.

Layton, un experto en técnicas de análisis y diseño de sistemas bioinspirados, colaboró ​​con la Dra. Katherine Davis, profesora asociada de ingeniería eléctrica e informática, quien aporta un amplio conocimiento de los sistemas de energía. Layton y Davis han trabajado como colaboradores desde una subvención inicial del Texas A&M Energy Institute en 2018.
Su conocimiento combinado de ingeniería mecánica y eléctrica los convierte en un gran equipo para comprender y diseñar sistemas de energía ciberfísicos para lograr resiliencia.

A Layton y Davis también se les unió su Ph.D. estudiantes Emily Payne y Shining Sun para el estudio de Sandia. Payne, un estudiante de ingeniería mecánica, comenzó a trabajar con Layton en el Bio-inspired SystemS Lab como estudiante universitario de ingeniería arquitectónica en 2022.

Sun, un estudiante de ingeniería eléctrica e informática, ha trabajado con Davis desde 2023. Tanto Payne como Sun han publicado varios artículos relacionados con este trabajo y han presentado sus hallazgos en conferencias, cada uno de los cuales ganó premios por su investigación.

«Parte del éxito de este proyecto han sido estos estudiantes graduados en ingeniería, Emily y Shining, quienes se han destacado en los aspectos interdisciplinarios del trabajo además del enfoque altamente técnico del problema», dijo Layton.

«Mi investigación en particular pide a los estudiantes de ingeniería que lean artículos sobre ecología, que son esencialmente un lenguaje diferente al de los artículos de ingeniería, y los apliquen a sus investigaciones».

Este enfoque permite a Layton ver los problemas de ingeniería desde una perspectiva innovadora.

El proyecto de los Laboratorios Nacionales Sandia finalizó en septiembre de 2025, pero los investigadores continúan colaborando en sus sistemas de energía bioinspirados.

Layton y Davis participarán en un estudio colaborativo centrado en modelar los impactos de las perturbaciones climáticas en la red eléctrica.