A veces es difícil convencer a mis hijos de que tengo un trabajo adecuado. Trabajo mucho desde casa, y recientemente me han visto construir y volar estos helicópteros de papel:
¿Cómo es este trabajo? En JMP , siempre estamos tratando de encontrar formas de involucrar a más científicos e ingenieros con el análisis de datos. Una gran pasión para mí es diseño de experimentos (DoE) porque sé cómo ayuda a los científicos e ingenieros a encontrar rápidamente las mejores soluciones a problemas difíciles.
A uno de mis colegas se le ocurrió la idea de realizar una competencia que brindaría a las personas una experiencia práctica de DoE a través de un experimento del mundo real. El experimento del helicóptero de papel es un ejemplo clásico en el que puedes experimentar el desafío de resolver un problema de ingeniería de múltiples factores.
El desafío de la ingeniería y cómo no para resolverlo
El objetivo es simple: encontrar el diseño que proporcione el mayor tiempo de vuelo.
Tómese un minuto para pensar en cómo podría hacerlo. Estoy seguro de que puede pensar en muchos "factores" que esperaría que afectaran el tiempo de vuelo:
- el tipo de papel
- cuanto tiempo tienen las alas
- que tan anchas son las alas
- etcétera…
Ahora, con todas estas cosas que podrías cambiar, ¿cómo vas a averiguar cuál es el mejor diseño? ¿Cómo decidirá la mejor combinación de opciones de factores?
Sospecho que la mayoría de ustedes se sumergirían y harían un helicóptero que creen que funcionará y lo volarán. Luego, podría construir una segunda con un cambio en el diseño, tal vez alargar un poco las alas, porque cree que eso mejorará el tiempo de vuelo. Prueba ese y encuentra que vuela por un poco más de tiempo. Luego, para la próxima compilación, puede cambiar un factor diferente.
Sigue así hasta que finalmente se te acaba el tiempo o la energía. De todas las cosas que ha probado, habrá encontrado una que funcione mejor. ¡Trabajo hecho!
Pero te quedan algunas dudas inquietantes:
- ¿Realmente he explorado todas las posibilidades?
- ¿Entiendo el efecto de cada factor?
- ¿Realmente sé por qué este diseño funcionó bien?
- ¿Podría haber una solución mejor que yo no probé?
- ¿Podría haber llegado a una solución en menos tiempo y con menos molestias?
Hablo por experiencia personal porque así es como solía trabajar en el laboratorio cuando desarrollaba procesos de fabricación en la industria química, es decir, hasta que aprendí sobre DoE.
Una mejor manera con DoE
Para la competencia de helicópteros de papel, se guió a los participantes para que usaran la estrategia DoE para encontrar el mejor diseño. Se les proporcionó una plantilla para cuatro helicópteros diferentes e instrucciones sobre cómo construirlos.
Se les dijo que crearan otro conjunto de los mismos cuatro helicópteros pero en un peso de papel diferente (o que los crearan en el mismo papel y agregaran un sujetapapeles) para dar ocho helicópteros en total. Al construir y probar los ocho helicópteros, habrían probado todas las combinaciones posibles de alas cortas/largas, alas delgadas/gruesas y tipos de papel pesado/ligero. Variar todos los factores a la vez probablemente vaya en contra de lo que te han dicho. Hay algunos grandes beneficios cuando experimentas de esta manera.
Lo que aprendemos con DoE
Una gran parte de mi trabajo consiste en visitar a los clientes para asistir a seminarios y talleres a fin de generar conciencia sobre lo que pueden hacer con el software. Realizamos este mismo experimento con los asistentes a una de estas visitas recientemente. Estos son los resultados de uno de los grupos. Midieron el tiempo de vuelo de cada helicóptero tres veces y sacaron el promedio:
Puedes ver que el mejor tiempo de vuelo (1,98 segundos) es para el helicóptero n.° 5, que estaba hecho de papel con alas largas y delgadas. Aunque el mismo pero con alas gruesas (#6) es casi igual de bueno (1,83 segundos). El helicóptero de la tarjeta con alas cortas y delgadas (n.º 3) es peor (0,51 segundos). Podemos usar estos resultados para estimar los efectos separados de cada factor.
El tiempo medio de vuelo de la tarjeta es de 0,78 segundos. El tiempo medio de vuelo del papel es de 1,52 segundos. Ahora podemos calcular que el efecto sobre el tiempo de vuelo de cambiar de tarjeta a papel es 1,52 - 0,78 = 0,74 segundos. Podemos hacer lo mismo para los otros factores.
Mejor aún, podemos usar software como JMP para ajustar un modelo que proporcione toda esta información en conjunto. Este Prediction Profiler es una visualización de un modelo que se ajusta a los mismos datos usando JMP:
Haga clic y arrastre las líneas rojas discontinuas en el gráfico para ver qué sucede cuando cambia la configuración de los factores. Este visual interactivo fue publicado en JMP Público junto con algunos más relacionados con esta publicación de blog . Puede ver el efecto de cada factor en el tiempo de vuelo. El tipo de papel tiene el mayor efecto. El ancho del ala no es muy importante. DoE le brinda una rica comprensión de su sistema o proceso.
Con este conjunto de datos equilibrado, también podemos intentar comprender comportamientos más complejos. ¿Existe una interacción entre el efecto del tipo de papel y la longitud del ala? Es decir, ¿el efecto del tipo de papel se ve afectado por la longitud del ala? Esta simple visualización de los datos sugiere que no hay mucha interacción:
La diferencia en los tiempos de vuelo entre la tarjeta y el papel es muy similar tanto con las alas largas como con las cortas. En otros casos, estos efectos de interacción son muy importantes. Si varía solo un factor a la vez, no tendrá los datos que necesita para encontrar interacciones importantes.
Este es un ejemplo muy simple para demostrar cómo puede aprender más y más rápido con DoE. En el mundo real de la ciencia e ingeniería industrial, los experimentos pueden volverse más complicados. Por ejemplo, a menudo tendrá más factores, por lo que probar todas las posibilidades no es realista. Debe saber que el método DoE se puede adaptar para manejar restricciones prácticas como esta. Cualquiera que sea el desafío experimental, puede aprender más y más rápido con DoE.
Y el ganador es…
Anunciaré al ganador mañana en mi próxima publicación de blog y compartiré algunos extractos de su informe. El concurso fue promocionado a través de Chemistry World, la revista de la Royal Society of Chemistry. Incluimos la plantilla como un inserto en la revista y el equipo creó este gran video:
Construye el mejor desafío de helicóptero de mundo quimico en Vimeo .
Les pedimos a las personas que ingresan a la competencia que nos envíen un breve informe de su trabajo para tener la oportunidad de ganar un dron DJI Mavic 2. Tenemos muchas entradas geniales. Como juez, buscaba un trabajo que demostrara pensamiento claro, esfuerzo, aprendizaje y sentido de la diversión. Entonces, vuelve mañana para saber quién ganó.
Por ahora, es posible que desee obtener más información sobre DoE, así que aquí hay algunos recursos más:
- El concurso ha cerrado, pero aún puedes conseguir la plantilla y las instrucciones para probar el desafío del helicóptero por ti mismo.
- Pilar Gomez-Jimenez, científica principal de Johnson Matthey, habló recientemente sobre cómo comenzar con DoE y desarrollar la mentalidad en este seminario web con el Mundo de la Química.
- El año pasado, me propuse escribir una serie de publicaciones de blog para desmitificar el DoE con explicaciones simples de algunos de los términos y conceptos que pueden resultar confusos para las personas cuando están comenzando. Puedes encontrar la serie completa. aquí .
