C omo%20afecta%20la%20 contaminacion%20electromagnetica%20a%20la%20salud
Ciencia y Tecnología como Herramientas para el...
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Ciencia y Tecnología
como Herramientas para
el Desarrollo de
Producto.
Martyn R. Shorten, Ph.D.
BioMechanica, LLC
Portland, Oregon, USA
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de Producto
• Conocimiento
• El proceso de adquirir
conocimiento
(Investigación)
Ciencia:
• Creación y uso de
Invenciones
Procesos
Métodos
• Resultado de un
Proceso
• Solución a un
Problema
Tecnología: Producto:
Ideas
Conceptos
Materiales
Componentes
Sistemas de
Producción
+ =
• Conocimiento
• El proceso de adquirir
conocimiento
(Investigación)
Ciencia:
• Creación y uso de:
Invenciones
Procesos
Métodos
• Resultado de un
Proceso
• Solución a un Problema
Tecnología: Producto:
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de Producto
Ciencia
Biomecánica:
• Fuerza y movimiento
• Segmentos del cuerpo
• Huesos, articulaciones,
músculos
• Heridas, desempeño
Ciencia
Fisiología:
• Efectos del ejercicio
• Salud y condición
• Salud de los huesos
• Termoregulación
Ciencia
Ciencia de los Materiales:
• Química & Física
• Polímeros
• Materiales naturales
Ciencia
Psicología:
• Respuestas del consumidor
• Percepciones del consumidor
• Necesidades del consumidor
Ciencia
Como trabaja el cuerpo
Como trabajan los materiales
Que piensan los consumidores
Que quieren los consumidores
Biomecánica
Fisiología
Ciencia de los materiales
Psicología
Tecnología
Ingeniería de Producto:
• Conceptos de diseño
• Nuevos materiales
• Componentes y sistemas
• Métodos de producción
Tecnología
Tecnología de Información:
• Diseño y desarrollo
• Logistica
• Administración
• Comunicación
¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?
Nuevos materiales
NIKE Shox
• Concepto desarrollado
por 1985
• Materiales durables para
el salto con propiedades
requeridas no
disponibles.
• El producto
eventualmente salió al
mercado en 2001
después de haberse
desarrollado un material
adecuado en la industria
automotriz.
¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?
Nueva tecnología
adidas 1
• Primer intento en 1986
• Limitado por el peso de la
bateria su tamaño y vida.
• Limitado por tamaño del
componente y el costo.
• Fue una realidad finalmente en
el 2005 por la tecnología MEMS
(Micro-sistemas electrico-
mecánicos) y una pequeña pero
alta capacidad.
¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?
Nuevos procesos de manufactura.
Pearl iZumi
• El concepto de “acabado sin
costuras” (Seamless upper)
requiere un nuevo patrón de
creación y nuevos métodos
de construcción del corte.
¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?
Ciencia & Ingeniería
• Define necesidades
funcionales
• Ideas para conceptos de
producto.
• Prueba de producto
• Comercialización o beneficios
¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?
El Laboratorio de Biomecánica.
Biomecánica humana
• Movimiento
• Fuerza
• Respuestas fisiológicas.
Biomecánica
“La aplicación de principios
físicos y mecánicos a los
sistemas biológicos.”
Movimiento
Marcadores reflectivos
sujetados al cuerpo son
rastreados por un arreglo
de 12 cámaras de alta
velocidad para registrar el
movimiento en 3
dimensiones del cuerpo y
de las secciones del
zapato.
El Laboratorio de Biomecánica.
El Laboratorio de Biomecánica.
Movimiento
Marcadores reflectivos
sujetados al cuerpo son
rastreados por un arreglo de
12 cámaras de alta velocidad
para registrar el movimiento
en 3 dimensiones del cuerpo
y de las secciones del zapato.
Movimiento
Marcadores reflectivos sujetados
al cuerpo son rastreados por un
arreglo de 12 cámaras de alta
velocidad para registrar el
movimiento en 3 dimensiones del
cuerpo y de las secciones del
zapato.
Los datos se aplican a modelos
biomecánicos.
Ejemplo:
Un experto en la técnica del “camino
del punto interceptor” (Jeet Kwan Do)
realizando un “Golpe de una pulgada”
El Laboratorio de Biomecánica.
Fuerza
Sensores de presión en el calzado
(sobre el piso) y placas de fuerza
(en el piso) se usan para medir las
fuerzas y su distribución actuando
en el cuerpo.
El Laboratorio de Biomecánica.
Ejemplo:
Distribución de presiones en el
zapato durante un golpe en Golf.
El Laboratorio de Biomecánica.
Fuerza
Sensores de presión en el calzado
(sobre el piso) y placas de fuerza
(en el piso) se usan para medir las
fuerzas y su distribución actuando
en el cuerpo.
Ejemplo:
Fuerza de reacción del suelo al correr,
medida con una placa de fuerza.
El Laboratorio de Biomecánica.
Fuerza
Sensores de presión en el calzado
(sobre el piso) y placas de fuerza
(en el piso) se usan para medir las
fuerzas y su distribución actuando
en el cuerpo.
Intensidad del ejercicio.
Medición continua del ritmo cardiaco
y del volumen de oxigenación.
El Laboratorio de Biomecánica.
Actividad muscular
Sensores sujetos a la piel registran la
actividad eléctrica en los músculos
subyacentes.
- Coordinación del movimiento
- Fuerza muscular
- Fatiga
El Laboratorio de Biomecánica.
Productos
• Documentación del funcionamiento del
cuerpo humano durante diferentes
actividades.
• Determinación de requerimientos del calzado.
• Medición de los efectos del calzado en los
factores de riesgo del desempeño y las
lesiones.
El Laboratorio de Biomecánica.
Ejemplos de aplicaciones
• Acojinamiento• Confort
• Protección
• Desempeño
• Materiales acojinantes• Optimización de materiales
• La geometría como una alternativa de solución al acojinamiento.
• Tracción• Requerimientos de tracción.
• Evaluación de desempeño de la suela.
• Morfología del pie y calce
Distribución de Presiones en el Zapato.
Cargas en la suela del pie al correr.
Talón
Punta del
pie
Medio
Caminar Correr Basquetbol Tenis
Cargas pico en el Pie.
Los requerimientos de
acojinamiento dependen
de: …
• Deporte / Actividad
• Intensidad del movimiento
• Tamaño del cuerpo
• Género
• Región del pie.
Ejemplo de distribuciones pico de
presiones.
Caminar Correr Basquetboll Tenis
Distribución de materiales apropiada para mínimos picos de presión.
Ajustando el acojinamiento para el Confort.
Confort en zapatos de tacón alto.
Los tacones altos...
• Incrementan la presión
y reducen el confort en
el antepie.
• Reducen las cargas en
el tacón
• Reducen la estabilidad
Ajustando el acojinamiento para Protección.
Distribución de materiales apropiada para mínimos golpe por impacto.
Caminar Correr Basquetboll Tenis
Ajustando el acojinamiento para desempeño.
Distribución de materiales apropiada para un impulso máximo.
Caminar Correr Basquetboll Tenis
Desempeño vs Confort
Confort:
Desempeño:
• Las propiedades ´´optimas de
acojinamiento para el “confort” son casi
exactamente las opuestas a las que se
requieren para el “desempeño”.
• No es posible tener verdadero confort y
verdadero desempeño en el mismo
sistema de acojinamiento.
La Ciencia dice …
Física de materiales acojinantes.
Espuma de EVA
• Todos los materiales
acojinantes son no-lineales.
• El desempeño acojinado no
esta directamente relacionado
con la dureza o densidad del
material.
Física de materiales acojinantes- Espuma EVA
• Las espumas acojinantes típicas
tienen propiedades
característicamente no-lineales.
• Las propiedades dependen de la
variación en la densidad.
• La rigidez varia con la compresión.
• Tres fases características.
Elasticidad linear
Pandeo de
altiplano
Física de materiales acojinantes- Espuma EVA
• Las espumas acojinantes típicas
tienen propiedades
característicamente no-lineales.
• Las propiedades dependen de la
variación en la densidad.
• La rigidez varia con la compresión.
• Tres fases características.
Densificación
(Tocando fondo)
Física de materiales acojinantes- Espuma EVA
• Las espumas acojinantes típicas
tienen propiedades
característicamente no-lineales.
• Las propiedades dependen de la
variación en la densidad.
• La rigidez varia con la compresión.
• Tres fases características.
Efectos de la Dureza
Asker C
70 40
1. Rigidez elástica mayor al inicio.
2. Mayor rigidez en etapa de
altiplano.
3. Menor tensión en la
densificación.
(1)(2)
(3)
Física de materiales acojinantes- Espuma EVA
Espuma EVA – Desempeño acojinante.
(Energía/ Entrada)
• El desempeño acojinante varía con
la carga de entrada (energía)
• Para cargas menores, los materiales
“mas suaves” se comportan mejor.
• Para cargas más altas los materiales
más duros se comportan mejor.
Física de la Distribución de Presiones.
La teoría de contacto de Hertz describe
la interacción entre superficies
elásticas..
3
2
*
*3
1
0
)6(
R
E
π
Fp
• La distribución de presión se afecta
tanto por las propiedades de los
materiales (“suavidad”) como por la
curvatura de la superficie.
• La distribucipon de presiones es
elipsoidal y la presión pico, p0, esta
dada por:
p0
3
2
*
*3
1
0π
)6(
R
EFp
• La teoría dice que la suavidad y la
curvatura reducen los picos de presión
de la misma forma.
• ¿Es esto verdad en la práctica?
p0
Física de la Distribución de Presiones.
Plano
0
150
100
200
50
kPa
Mientjes & Shorten (2003)
Suave = ¿Curvado?
Distribución de presiones bajo el talón.
Plano
0
150
100
200
50
kPa
Mientjes & Shorten (2003)
Suave = ¿Curvado?
Más suave
Más suave
Curvatura
Curvado
Plano
0
150
100
200
50
kPa
Mientjes & Shorten (2003)
Suave = ¿Curvado?
Curvado
Plano
0
150
100
200
50
kPa
Suave = ¿Curvado?
Más suave
Mientjes & Shorten (2003)
Curvatura
Acojinamiento más suave
Mientjes & Shorten (2003)
Suave = ¿Curvado?
Distribución de presiones bajo el talón.
Acojinamiento más confortable
Plano Curvado
Suave = Curvado
Aplicaciones
• En los productos en los que el grosor de la
suela esta limitado por los requerimientos
de estabilidad (i.e. futbol soccer), las
hormas contorneadas en su parte inferior
así como las suelas pueden ser usadas
para proveer acojinamiento en vez de una
espuma gruesa/suave.
Suave = Curvado
• Superficies mas contorneadas, distribuyen
las cargas, reducen los picos de presión e
incrementan el confort en la misma forma
que lo hacen los materiales mas suaves.
Suave = Curvado
Aplicaciones
Placa de suela plana
Zapatos de soccer: presión bajo el talón.
Placa de suela contorneada.
• En los productos en los que el grosor de la suela
esta limitado por los requerimientos de estabilidad
(i.e. futbol soccer), las hormas contorneadas en su
parte inferior así como las suelas pueden ser
usadas para proveer acojinamiento en vez de una
espuma gruesa/suave.
Suave = Curvado
Aplicaciones
• En los productos en los que el grosor de la suela
esta limitado por los requerimientos de
estabilidad (i.e. futbol soccer), las hormas
contorneadas en su parte inferior así como las
suelas pueden ser usadas para proveer
acojinamiento en vez de una espuma
gruesa/suave.
• Las plantillas contorneadas pueden ser usadas
para reducir la presión en el pie y mejorar el
confort.
Suelas y Tracción
Las suelas de zapato para
correr varían ampliamente
en su diseño y no son
siempre óptimas para su
propósito pretendido.
La fuerza de la
suela y los datos
de distribución de
presión pueden ser
combinados para
calcular la
distribución de las
fuerzas de corte y
los requerimientos
de tracción.
Cargas en la suela del zapato para correr.
Presión Vectores de corte Tracción
Los datos de requerimientos
de tracción pueden ser
usados para diseñar suelas
óptimas y mínimas.
Cargas en la suela del zapato para correr.
Suelas mínimas de zapato para correr.
Los datos de requerimientos
de tracción pueden ser
usados para diseñar suelas
ótimas y mínimas.
• Tracción adecuada.
• Durabilifad adecuada.
• Menos hule
= menor peso
= menor costo
Evaluación de suela– Botas de trabajo
A
Producto A:
• Las cargas se concentran en unos
relativamente pocos elementos
tensados, especialmente en el talón.
• Tracción reducida.
• Desgaste más rápido.
A B
Producto B:
• Más distribución uniforme de las
cargas
• Mejor tracción
• Se reduce la tensión al material
• Mayor durabilidad.
Evaluación de suela– Botas de trabajo
Producto A:
• Las cargas se concentran en unos
relativamente pocos elementos de
muñón, especialmente en el talón.
• Tracción reducida.
• Desgaste más rápido.
Morfología del pie & Calce.
• Escáneres láser 3D proporcionan información detallada sobre la
forma del pie
• Los datos de grandes muestras de individuos se usan para modificar
las hormas.
Morfología del pie & Calce.
Las hormas son herramientas parafabricar calzado, no moldes. Unahorma moldeada al pie no calzabien y tiene funcionalidad limitada.
Los datos de morfología del pie nose usan para determinar la formade la horma, sino para adaptarla.
Aplicaciones
• Patronaje
• Hormas específicas por tipo
de población.
•Detalles del calce.
Morfología del pie & Calce.
Variabilidad de las dimensiones del pie.
La variabilidad en los daros
de la forma del pie muestran
como los patrones del corte
requieren flexibilidad y/o
ajustabilidad.
Tecnología
• Computadoras en Zapatos
• Tecnología en Zapatos• Ejemplo del zapato para correr
• Tendencias anti-tecnológicas
- Andar descalzo/ Mínimo correr
- Sustentabilidad
- Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
• Tecnología en Desarrollo de Producto• Diseño virtual.
• Ingeniería virtual.
• Prototipado virtual.
Computadoras en Zapatos
Zapato computarizado Puma 1986
“El Podómetro electrónico”
•Registro de pisadas y
tiempo
•Distancia estimada.
Zapato computarizado Pume 1986.
“El Podómetro Electrónico”
•Sin retroalimentación visual.
•Conexión por cable a la
computadora.
•Funcionalidad limitada.
•Peso
•Costo
• Tecnología compleja, durable,
en un producto desechable.
Computadoras en Zapatos
Adidas 1, 2005
Computadoras en Zapatos
• Impacto medido
• Acojinamiento ajustado en
el talón.
•Sin retroalimentación visual.
•Conexión por cable a la
computadora.
•Funcionalidad limitada.
•Peso
•Costo
• Tecnología compleja, durable,
en un producto desechable.
NIKE Plus Adidas MiCoach Smart Phone, Web
iPod, PDA
Computadoras en Zapatos
• Registra parámetros de la marcha y
ritmo cardiaco.
•Retroalimentación visual & auditiva.
•Conexión inalámbrica al PDA
• Amplia funcionalidad vía WWW
•Peso ligero
•Bajo costo
• Tecnología durable que puede
moverse de zapato en zapato.
NIKE Plus Adidas MiCoach
Ya no se requiere un Zapato.
Computadoras en Zapatos
Tecnología
• Computadoras en los zapatos
• Tecnología en los Zapatos• Ejemplo del zapato para correr
• Tendencias anti-tecnológicas
- Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas
- Sustentabilidad
• Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
• Tecnología en el Desarrollo de Producto.• Diseño virtual
• Ingeniería virtual
• Prototipado virtual
Tecnología en los Zapatos
Brooks Beast
Mizuno Wave Prophecy
• Componentes del calzado para correr.
Un gran número de componentes
plásticos moldeados.
• Tecnologías de acojinamiento
• Dispositivos para estabilización.
• Diseños complejos de suela.
• Parte función, parte mercadotecnia
Tendencias Anti-Tecnológicas(1)
Descalzos/zapatos deportivos minimalistas
• Segmento del mercado del calzado en los USA con más sólido
crecimiento.
• Productos minimalistas que proporcionan una sensación similar a
la de correr descalzo.
Vibram Five Fingers NIKE Free
Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias
rectoras
NIKE Free• Producto basado en investigación sobre
correr descalzos
• Introducido como una herramienta de
entrenamiento para el pie.
• Investigación independiente muestra
que…
• Se incrementa la fuerza de los músculos
del pie.
• Se incrementa la resistencia de las
extremidades inferiores al daño.
Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias
rectoras.
Nacidos para correr
• “Nacidos para correr” enfatiza los
beneficios del calzado minimalista y es
critico de los diseños convencionales del
calzado deportivo para correr.
• Los Tarahumaras
tienen la tradición de
ser corredores de
largas distancias y
correr con simples
sandalias.
• Libro exitoso que narra la historia de los
Tarahumaras en el Cañón del Cobre,
México.
• Biólogo evolucionista de Harvard que
report evidencia de que los humanos
estan adapatados para correr distancias.
• Sugiere que correr descalzos y correr con
la punta del pie son procesos mas
naturales.
Dan Lieberman
Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias
rectoras
Ejemplos de calzado deportivo “Descalzo”
Vibram Five Fingers TerraPlan Evo New Balance Minimus
•Ligeros•Flexibles•Con poco o nulo acojinamiento.
Ejemplos de calzado deportivo “minimalista”
NIKE Free Zoot Adidas Chill
Brooks Green Silence Saucony Hattori
•Ligero•Flexible•Algún acojinamiento
Tendencias anti-tecnológicas (2)
Sustentabilidad
• El consumidor demanda más productos amigables con el
medio ambiente.
Estrategias de diseño de producto Sustentable.
• Eliminar materiales peligrosos
• Usar menos materia prima y menos componentes
• Remplazar materiales no renovables por materiales mas
sustentables.
• Diseño para un consumo mínimo de energía.
• Se minimizan los materiales auxiliares, como los del
empaquetado.
• Se hacen productos más durables.
• Se provee reparación o reemplazo de componentes.
• Reciclabilidad incorporada.
• Se permite separación de componentes.
• Reciclado, reúso y reprocesado.
Tendencias anti-tecnológicas.
Descalzo/Calzado minimalista Sustentabilidad
• Pocos componentes moldeados
• Tecnología minimalista
¿Minimalista o Funcional?
Minimalista / Zapatos ecológicos
Desempeño/Zapatos atléticos funcionales
Zapato atlético ecológico. Brooks Green Silence
• Plantilla biodegradable, y collares de hule espuma
• Materiales reciclados en un 75%
• Agujetas, lazos y cinchas son 100% recicladas
• Adhesivos base agua; colorantes y tinturas no-tóxicas
• 50 % de reducción en las partes y menos moldes.
Zapato atlético ecológico.
Brooks Green Silence
• Ligero
• Flexible
• Tracción ?
• Acojinamiento ?
• Estabilidad
Solamente apropiado
para un segmento
limitado de los
corredores.
“Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
El diseño “inteligente” y las
soluciones ingenieriles, pueden
mantener el desempeño y
funcionalidad del calzado deportivo
reduciendo su complejidad, costo e
impacto ambiental.
Ejemplo de soluciones “inteligentes”
Estabilidad / Control de pronación.
Los diseños tradicionales usan
espuma de densidad variable y
componentes moldeados para
estabilizar el pie.
NIKE Lunar Glide
Ejemplo de soluciones “inteligentes”
Estabilidad / Control de pronación.
Los diseños tradicionales usan
espuma de densidad variable y
componentes moldeados para
estabilizar el pie.
Una entresuela con dos
componentes provee control de
pronación y acojinamiento.
Ejemplo de soluciones “inteligentes”
Los diseños tradicionales usan
espuma de densidad variable y
componentes moldeados para
estabilizar el pie.
Estabilidad / Control de pronación.
Las fibras bajo tensión y las capas
superpuestas de textiles
reemplazan los componentes
moldeados del corte.
Ejemplo de soluciones “inteligentes”
Los diseños tradicionales usan
espuma de densidad variable y
componentes moldeados para
estabilizar el pie.
Estabilidad / Control de pronación.
Menos material = menor peso
Menos componentes = menor peso
Función optimizada
• Tracción
• Acojinamiento
• Estabilidad = mejor desempeño
Se reemplazan Componentes con
Sistemas
Soluciones funcionales con “menos
calzado” son más minimalistas,
sustentables y posibles.
El diseño “inteligente” y las
soluciones ingenieriles, pueden
mantener el desempeño y
funcionalidad del calzado
deportivo reduciendo su
complejidad, costo e impacto
ambiental.
“Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
Tecnología
• Computadoras en los zapatos
• Tecnología en los Zapatos• Ejemplo del zapato para correr
• Tendencias anti-tecnológicas
- Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas
- Sustentabilidad
• Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
• Tecnología en el Desarrollo de Producto.• Diseño virtual
• Ingeniería virtual
• Prototipado virtual
Desarrollo de Producto Virtual
Los procesos
basados en la tecnología
de información están
reemplazando
rápidamente los métodos
tradicionales de
desarrollo de producto.
• Rapidez
• Eficiencia
• Costo
• Globalización
Diseño Virtual
• El diseñador “dibuja” con una
pluma digital y un programa de
CAD (diseño asistido por
computadora)
• Acceso a bases de datos
Materiales aprobados
Propiedades físicas
Estándares de calidad
Datos de costos.
Diseño Virtual
• El diseñador “dibuja” con una
pluma digital y un programa de
CAD (diseño asistido por
computadora)
• Acceso a bases de datos
Materiales aprobados
Propiedades físicas
Estándares de calidad
Datos de costos.
• Modelado en 3D y análisis
Base de datos de hormas
Base de datos de componentes.
Creación de Producto Virtual
• Desarrollo de especificaciones en línea.
• Moldes & herramientas generados de los datos de CAD.
• Elaboración de horma & patronaje automatizado
• Prototipado rápido
Probado Virtual
• Modelado en 3D
• Análisis de elementos
finitos.
• Desempeño de
componentes
• Durabilidad de
componentes
• Pruebas virtuales
/desempeño de producto.
Fuente de imágen: XYZ Scientific Appplications, Inc. (http://www.truegrid.com)
Probado Virtual
• Modelado en 3D
• Análisis de elementos
finitos.
• Desempeño de
componentes
• Durabilidad de
componentes
• Pruebas virtuales
/desempeño de producto.
• Análisis de flujo de
moldes.
Pre-Producción Virtual
• Los datos del CAD y las
especificaciones se transmiten
digitalmente al taller de máquinas y
a los sistemas de la fábrica.
• Herramientas CAM creadas
directamente del CAD.
• Provisión de materiales vía base
de datos de proveedores
aprobada.
• Logística de producción y
optimización de horarios.
Desarrollo Virtual de Producto
Alto costo de infraestructura
• Hardware y software
• Procesos automatizados
• Diseñadores y técnicos
calificados= mayores salarios
Ahorro de costos en línea
• Más rápido desarrollo de
producto
• Más rápido prototipado.
• Menores ciclos de
prototipado
• Reducción en el índice de
errores.
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de producto
• La ciencia ha contribuido al desarrollo de calzado másfuncional, especialmente zapatos deportivos.• Definiendo las necesidades del consumidor.
• Recursos para innovación.
• El rol de la ciencia madura conforme se establece elcuerpo base de conocimiento, pero muchas preguntasimportantes quedan sin contestar.
• Rol futuro de la ciencia:• Diseño inteligente– Cómo hacer más con menos.
• Soluciones sustentables.
• La innovación en la tecnología del calzado depende fuertemente dela disponibilidad de nuevos materiales.
• La tecnología computacional en el calzado tiene limitada aplicación;los sensores adheridos al cuerpo, enlazados inalámbricamente a unPDA (Adquisición de datos para producción- Production DataAcquisition) y al Internet, tienen potencialmente aplicaciones
ilimitadas.
• La tecnología de información está transformando el desarrollo deproducto y los procesos de manufactura. Típicamente, la tecnologíade información se vuelve más poderosa y más barata con el tiempo,de forma que su uso se expandirá.
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de producto
Gracias.