Doctorado en Ingeniería - Ingeniería Mecánica y Mecatrónica

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Biomechanical factors associated with glaucomatous optic neuropathy
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Muñoz Sarmiento, Diana Marcela; Cortés Rodríguez, Carlos Julio; Rodríguez Montaño, Óscar Libardo; https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001354493; Muñoz Sarmiento, Diana Marcela [0000000150620257]; Grupo de Investigación en Biomecánica / Universidad Nacional de Colombia Gibm-Uncb
Antecedentes: El glaucoma se ha asociado a diversos factores biomecánicos, tales como la presión intraocular (PIO), la presión del líquido cefalorraquídeo (PLCR), los movimientos oculares horizontales, la rigidez de los tejidos, entre otras. Esta tesis tiene como objetivo analizar la influencia de estos factores en la cabeza del nervio óptico (CNO). Además, debido a la alta variabilidad en las reconstrucciones anatómicas propuestas históricamente, se evalúa el impacto de incluir y excluir diferentes regiones anatómicas. Métodos: Se desarrolló un modelo computacional tridimensional del ojo y la órbita usando el método de los elementos finitos, documentando las deformaciones promedio a lo largo de los ejes anatómicos y en las direcciones principales en la CNO. Asimismo, se creó un modelo axisimétrico del ojo, a partir del cual se generaron 17 casos anatómicos. Resultados: La inclusión y exclusión de las regiones anatómicas afectó significativamente las deformaciones obtenidas. Por otro lado, se obtuvo una alta dispersión de las deformaciones debida a los movimientos oculares laterales, que no se observó con la variación de la PIO y la PLCR. Desde una perspectiva anatómica, una PIO alta y una PLCR baja generaron un efecto mecánico sinérgico sobre la CNO. Finalmente, los factores más influyentes fueron la PIO, la PLCR, la rigidez del espacio subaracnoideo (ESA), y la rigidez del tejido adiposo (TA). Conclusión: Los factores biomecánicos más importantes para el desarrollo del glaucoma son una PIO alta, una PLCR baja, y una rigidez elevada del ESA y del TA (Texto tomado de la fuente).
Extruder for 3D bioprinting with composed bioink oriented to the cellular viability evaluation in the generation of tissues
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-02-01) Silva Castellanos, Christian Augusto; Cortés Rodríguez, Carlos Julio; Silva Castellanos, Christian Augusto [0001390041]; Silva Castellanos, Christian Augusto [9t8wUxMAAAAJ&hl]; https://www.researchgate.net/profile/Christian-Silva-15; Grupo de Investigación en Biomecánica / Universidad Nacional de Colombia Gibm-Uncb
3D bioprinting is an emerging biofabrication strategy that utilizes bioinks and models generated with CAD-like tools for the automated fabrication of tissue scaffolds and organlike constructs. Despite recent advances in materials and techniques with significant potential to achieve the fabrication of tissues relevant for clinical and in vitro applications, various aspects, such as tissue vascularization and prolonged cell functionality, are limited by the advancements in this field. Among the different 3D bioprinting techniques, extrusionbased bioprinting (EBB) has been conceived as the most promising for achieving this goal due to its versatility and availability. This document reports on developing three- and fourlayer extrusion systems axially aligned to overcome the current limitations faced when attempting to manufacture vascularized tissues and stable, perfusable vascular structures. We combined in silico simulations with in vitro experiments to precisely design multiple axial layered tissue extrusion systems with a high degree of cellular viability and versatility for 3D bioprinting applications. Furthermore, we report the hardware and software modifications made on commercially available 3D printers and bioprinters to allow the simultaneous deposition of multiple materials using coaxial nozzles. Finally, we demonstrate the versatility and potential of the four-layer coaxial extrusion system by printing perfusable vascular constructs and vascular networks with some commercially available bioinks. Our work paves the way for the rational design of coaxial extrusion systems with enormous potential in manufacturing hollow tubular constructs relevant to mimic structures found in the human body.
Influencia de la dirección de impresión, espesor y tiempo de recocido en las propiedades mecánicas del Nylon 12 usado en manufactura aditiva SLS
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) García Rodríguez, Alejandro; Narvaéz Tovar, Carlos Alberto; Velasco Peña, Marco Antonio; García, Alejandro [0000-0002-2518-1093]; Innovación en Procesos de Manufactura E Ingeniería de Materiales (Ipmim)
La manufactura aditiva es uno de los campos de investigación que actualmente llaman el interés de la industria y de la comunidad científica. Existen diferentes tecnologías, sin embargo, una de las de mayor interés es la tecnología de Sinterizado Laser Selectivo (SLS), ya que esta permite construir piezas no paramétricas, en tiempos relativamente cortos con material reciclado. Actualmente esta tecnología se sigue investigando porque presenta muchas variables de diseño, máquina, postproceso con influencia significativa en las propiedades térmicas, químicas, mecánicas, entre otras. Las investigaciones más recientes se han centrado en parámetros ajenos a los parámetros del láser y máquina, con el fin de brindar herramientas y alimentar las guías de diseño para que los usuarios que deseen mejorar la calidad de sus productos, sin necesidad de invertir en la modificación de parámetros de la máquina. Por esta razón en la presente investigación se estudió la influencia de la dirección de impresión, espesor de pared y tiempo de recocido en las propiedades químicas, térmicas, mecánicas de PA 12 evaluando si los cambios presentados entre variables son estadísticamente significativos. Además, se caracterizó la materia en prima en polvo a una tasa de 70 % polvo reciclado y 30 % polvo virgen para evaluar si existen diferencias notables cuando son sometidos a ciclos de sinterizado. Se identificó que polvo reciclado presentó cambios notables después del primer y segundo ciclo de sinterizado, mostrando un aumento del 30 % en el porcentaje de cristalinidad en comparación con el polvo mezclado. La temperatura de cristalización presentó un aumento a medida que se aumentaban los ciclos de reciclado el polvo, mientras que la temperatura de fusión disminuyó. Sin embargo, no se presentaron cambios significativos en la composición química y las fases presentes en el material asociados al uso del polvo en diferentes ciclos. En cuanto al tamaño de partícula, el diámetro del polvo mezclado es estadísticamente menor a las otras condiciones de sinterizado. Además, se caracterizó la morfología del polvo y se relacionó con la morfología del cristal de partícula, mostrando cambios asociados a la afectación térmica producto de los ciclos de sinterizado. Por otra parte, las variables de espesor de pared, tiempo de recocido y dirección de impresión presentaron cambios significativos en las propiedades térmicas, morfológicas, y mecánicas de los especímenes manufacturados en PA 12. Las condiciones que presentaron mayores diferencias fueron la dirección vertical y el espesor de 2.0 mm, mostrando menores valores de área transversal, resistencia ultima a la tracción (UTS), elongación a la rotura (Eab), dureza y porcentaje dúctil de fractura estadísticamente menores en comparación con las otras direcciones. Se identifico que el porcentaje de cristalinidad es afectada tanto por el espesor y por la dirección de impresión. Este parámetro mostró un aumento considerable en el rango de valores en la condición de 3 horas de estancia de recocido, repercutiendo en un aumento de la resistencia mecánica, una caída en la elongación a la rotura. El módulo de elasticidad solo fue afectado por la dirección de impresión, puesto que en esta dirección se presentaron los valores de defectología de mayor medida. No se identificaron cambios químicos y estructurales en función de las tres variables de entrada. Por último, se contrastaron las diferencias significativas de manera puntual y funcional. En las condiciones químicas se presentaron diferencias significativas en la prueba funcional, posiblemente asociadas a la preparación de la muestra. Por otra parte, la caracterización térmica mostró diferencias en función de la dirección de impresión. Por último, la dirección de impresión y el tratamiento térmico afectaron funcionalmente los valores de esfuerzo, mientras que la elongación a la rotura fue afectada únicamente por la dirección de impresión. (Texto tomado de la fuente).
In vitro modeling of mechanical and biochemical aspects involved in the cellular migratory processes related with colorectal cancer metastasis
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-12) Castro Abril, Hector Alfonso; Ochoa Garrido, Ignacio; Doblaré Castellano, Manuel; Garzón Alvarado, Diego Alexander; laboratorio de Biomiméticos: Grupo de Mecanobiología de Órganos y Tejidos; TME Lab (Universidad de Zaragoza)
Metastasis is one of the most lethal manifestations in cancer, accounting for up to 90% of cancer related deaths. Recently, it has been shown that the mechanics of tissues, as well as the biological response of cells to different biophysical stimuli, play an active role in the development of cancer as well as in metastasis. Since this disease is a major concern in public health, understanding the biology of metastasis and how mechanics affect this process is essential to develop new therapeutic strategies to attack and even prevent it. The main aim of this thesis was to study the role of the mechanical environment and the nutrient availability in the evolution of Colorectal Cancer (CRC), one of the leading causes of cancer deaths worldwide. For this, we first varied different fabrication parameters of previously established pro tocols for generating type I collagen hydrogels. With these hydrogels, we studied the migrating behavior of CRC cell-line spheroids and found that the combined effect of the ultrastructure of the hydrogels and their mechanical stiffness generated profound distinct patterns in cell invasion. In a parallel approach, we analyzed the response of spheroids to dynamic changes in glucose and Fetal Bovine Serum (FBS) availability in order to check whether these changes generated an adaptive response in the samples. Our results showed that the spheroids indeed had the ability to adapt to nutrient-deprived environments, especially after several cycles of nutrient-abundance and nutrient-starvation. Furthermore, in the case of the HCT-116 cell line, we observed that the spheroids expelled their necrotic core during the starvation cycles, a striking phenomenon that, to the best of our knowledge, has never been reported in literature. Due to the notoriety of the event, we explored, in the last part of this thesis, the possible mech anisms involved in the ejection of the core. For this, we explored different cytoskeleton (CSK) blockers in the preconditioned spheroids during the starvation periods to check whether the ejec tion of the core was related to cell contraction. This approach allowed us to conclude that it was indeed involved in the phenomenon, since blocked spheroids did not eject their core during the mentioned period.
Overcoming the Reality Gap: Imitation and Reinforcement Learning Algorithms for Bipedal Robotic Locomotion Problems
(Universidad Nacional de Colombia, 2023) Yanguas Rojas, David Reinerio; Mojica Nava, Eduardo Alirio; Yanguas Rojas, David; David Yanguas-Rojas; 0000-0001-5874-721X; David R. Yanguas Rojas; Programa de Investigacion sobre Adquisicion y Analisis de Señales Paas-Un
Esta tesis presenta una estrategia de entrenamiento de robots que utiliza técnicas de aprendizaje artificial para optimizar el rendimiento de los robots en tareas complejas. Motivado por los impresionantes logros recientes en el aprendizaje automático, especialmente en juegos y escenarios virtuales, el proyecto tiene como objetivo explorar el potencial de estas técnicas para mejorar las capacidades de los robots más allá de la programación humana tradicional a pesar de las limitaciones impuestas por la brecha de la realidad. El caso de estudio seleccionado para esta investigación es la locomoción bípeda, ya que permite dilucidar los principales desafíos y ventajas de utilizar métodos de aprendizaje artificial para el aprendizaje de robots. La tesis identifica cuatro desafíos principales en este contexto: la variabilidad de los resultados obtenidos de los algoritmos de aprendizaje artificial, el alto costo y riesgo asociado con la realización de experimentos en robots reales, la brecha entre la simulación y el comportamiento del mundo real, y la necesidad de adaptar los patrones de movimiento humanos a los sistemas robóticos. La propuesta consiste en tres módulos principales para abordar estos desafíos: Enfoques de Control No Lineal, Aprendizaje por Imitación y Aprendizaje por Reforzamiento. El módulo de Enfoques de Control No Lineal establece una base al modelar robots y emplear técnicas de control bien establecidas. El módulo de Aprendizaje por Imitación utiliza la imitación para generar políticas iniciales basadas en datos de captura de movimiento de referencia o resultados preliminares de políticas para crear patrones de marcha similares a los humanos y factibles. El módulo de Aprendizaje por Refuerzos complementa el proceso mejorando de manera iterativa las políticas paramétricas, principalmente a través de la simulación pero con el rendimiento en el mundo real como objetivo final. Esta tesis enfatiza la modularidad del enfoque, permitiendo la implementación de los módulos individuales por separado o su combinación para determinar la estrategia más efectiva para diferentes escenarios de entrenamiento de robots. Al utilizar una combinación de técnicas de control establecidas, aprendizaje por imitación y aprendizaje por refuerzos, la estrategia de entrenamiento propuesta busca desbloquear el potencial para que los robots alcancen un rendimiento optimizado en tareas complejas, contribuyendo al avance de la inteligencia artificial en la robótica no solo en sistemas virtuales sino en sistemas reales.
Passive dynamic system for energy returning on transtibial prosthesis
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Prieto Parrado, Edwin Nikolay; Cortés-Rodríguez, Carlos Julio; Tovar, Andres; Grupo de Investigación en Biomecánica (GIBM)
Nowadays, Lower Limb Prostheses (LLP) are changing at a very fast pace, due to technological developments implemented in such devices. In addition, users have new demands about their prostheses and they require absolute comfort and good performance. Unfortunately, the demand of LLP has risen mostly in third world countries because of the increment of vascular diseases (e.g., Diabetes Mellitus) and trauma (vehicle accidents, landmines, etc.). However, people do not have enough funds to acquire advanced prostheses that return the capabilities of walking or jogging in a proper way. Despite the fact that active prostheses help people to reduce metabolic cost, those are heavier and more expensive than Energy Storage and Return(ESR) prosthesis devices, produce uncomfortable noises and require more maintenance than passive ones. Moreover, components of the bionic prosthesis (i.e., actuators, battery, gearbox, among others) make the system highly inefficient. As a consequence, a higher quantity of external energy is required to allow the user to have enough autonomy for daily use. The current work pretends to obtain a novel customizable configuration of the transtibial prosthesis. However, the lack of qualitative and quantitative information on the ankle joint dynamics of LLP users cannot establish a reference target to optimize. In consequence, we processed recent gait data of trans-femoral amputees and compared them with sound groups at different gait speeds. From here, it is reported a formal comparative analysis between those groups. After dynamical data from the gait patterns are obtained, we proposed an explicit dynamic model to emulate the dynamic gait based on the ISO 22675 standard. We proposed a series of design variables in terms of shape, size and laminate thickness for the ankle-foot design. A global sensitivity analysis was performed in order to identify the most influential variables in terms of the outputs established to enhance and, contribute to the validation of the model. Then, a surrogate-model-based optimization algorithm is evaluated to adjust the best design variables for the given input. By means of Bayesian optimization, we found the prosthesis designs with the highest mechanical network for different gait speeds and groups. In the near future, this work will allow customizing, through additive manufacturing, a low-cost ankle-foot prosthesis with the best energetic return at the final stance phase.
Mechanobiological approach for skeletal muscle adaptation
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Villota Narváez, Yesid Alexis; Garzón Alvarado, Diego Alexander; Ramírez Martínez, Angélica María; Röhrle, Oliver; Gnum Grupo de Modelado y Métodos Numericos en Ingeniería
Skeletal muscle is the most adaptive tissue in the human body. Its adaptation includes changes in shape and size, changes at the organelle function and distribution inside muscle cells, and changes at the molecular scale. Macroscopic characteristics such as size and strength, are related to the cellular scale via protein content in myofibrils, which are the series arrangement of units that generate force (sarcomeres); at the organelle scale, adaptation occurs in the mytochondria content, as well as sarcoplasmic reticulum function; microscopic characteristics at the molecular scale are related to the type of protein molecules that myofibrils contain, the type of molecules include a variety of myosin heavy and light chains. This adaptation processes are the outcome of stimulus like diet, hormone levels, and physical activity. The last one will be particularly important for the aim of this thesis, which is the modeling of the evolution of the characteristics of muscle tissue under the effects of personalized training protocols, i.e. physical activity.
Desarrollo de arquitecturas de control en sistemas satelitales multiagente para servicios de observación terrestre
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Rodriguez Pirateque, German Wedge; Sofrony Esmeral, Jorge; Grupo de Investigación y Desarrollo Aeroespacial (GIDA); Grupo de Investigación en Electrónica y Tecnologías para la Defensa (TESDA)
Las necesidades de apropiación tecnológica y la estructuración de misiones espaciales en el contexto colombiano traen consigo la demanda de servicios y trabajos colaborativos y especializados, para los diferentes segmentos de un sistema espacial, como bien se está identificando en la estructuración del Programa Espacial Colombiano. Frente a estos derroteros, la presente investigación aborda el reto de apropiación del conocimiento en el diseño de misión, el control del segmento espacial y en especial el reto de proponer estrategias de control a sistemas satelitales multiagente, ya que los sistemas convencionales por su costo, centralización y modos de control conservadores, restringen el desempeño individual y grupal para las nuevas alternativas de sistemas en red que se presentan con los satélites de pequeña escala. En este sentido y mediante el uso de la metodología en V, se abordan los procesos de diseño de misión, así como el diseño de controladores individuales y grupales para la orientación y traslación de satélites en misiones de observación terrestre. Lo anterior con el fin de aprovechar la reducción de costos y flexibilidad operacional que brinda el uso de satélites de pequeña escala; a pesar de su limitada capacidad operacional/física, la cual hace necesario disponer de más de un agente para lograr los objetivos de servicio. Esta necesidad inherente, demanda la posibilidad de interconectar agentes en red y explorar arquitecturas de control con estrategias de cooperación, consenso y técnicas robustas de control en red, que permitan afrontar las no linealidades, incertidumbres y errores que limitan su coordinación y cooperación. Según lo expuesto, se definen diferentes arquitecturas de control frente a perturbaciones, limitaciones de actuación e incertidumbres, donde se identifican y caracterizan parámetros de desempeño individual y grupal ante diferentes tipos de misión, comportamientos adaptativos, políticas de consenso y cooperación, en dos etapas: La primera con el análisis, diseño y desarrollo de misiones, modelos y controladores, útiles para la definición del sistema y las arquitecturas de control formuladas; y la segunda mediante la evaluación e integración de algoritmos de control y consenso, validados con el método de Montecarlo y la aplicación de los índices propuestos como métricas de desempeño de la red. Adicionalmente, se incluye el diseño e implementación de una interfaz gráfica para la instrucción y entrenamiento en el diseño de misión y configuración de agentes, como complemento a los controladores y arquitecturas propuestas para la apropiación de tecnologías de control modernas y el manejo de sistemas satelitales de pequeña escala, como medios para la democratización y el despliegue del concepto del New Space en el territorio colombiano. (Texto tomado de la fuente)
Influence of the micro-geometry of a scaffold for bone regeneration on the stresses of the newly formed tissue
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-12-17) Rodríguez Montaño, Óscar Libardo; Cortés Rodríguez, Carlos Julio; Boccaccio, Antonio; Grupo de Investigación en Biomecánica / Universidad Nacional de Colombia Gibm-Uncb; MINCIENCIAS
Scaffolds for tissue engineering are porous devices that have gain an enormous attention in the last decades for multiple disciplines, as solution to help the repair process that cannot heal spontaneously by natural mechanisms. Since the in vitro and in vivo procedures test the different key factors in the design and its outcomes, in silico research brings an unbeatable tool for understanding the processes that occur within these devices and how different design variables will influence the final result of the treatment. It is well known that the biomechanical cues are relevant in the bone repair processes and those are related to the stimuli transmitted to the repair environment, as the callus in a normal healing process, or to the support structure, such as orthopedic fixation devices and/or the scaffold to help the regeneration process. Researchers in the last decades have made efforts to characterize the favorable biophysical stimuli to the formation of bone and other types of tissue. Different geometric configurations of the scaffold microstructure can transmit the loads to the newly formed tissue in different ways, depending on the topology of the microstructure, but it is not clear how this process takes place during the regeneration, and moreover, how it changes if the biophysical environment is changing, as a consequence of the scaffold degradation. However, it has been demonstrated that there are more favorable scaffold micro-geometries to the bone healing process than others. The general aim of this research was to investigate computationally, how the micro-geometry of scaffolds for bone regeneration influences the stresses on the newly formed tissue. To achieve this objective, an in silico framework based on the finite element method is used to represent the tissue evolution inside the scaffold and statistical analysis is used to determine the evolution of the stresses within the neo-formed tissue. The in silico framework is also used to find favorable parameters that define the micro-geometry of different bone tissue scaffold designs. The results obtained in this thesis enrich the understanding and discussion regarding the biophysical phenomena that occur inside the scaffold, thus allowing to identify better designs from a biomechanical perspective.
Contribution to the computation of regions of attraction of nonlinear systems based on the extended dynamic mode decomposition - Application to the anaerobic digestion
(Universidad Nacional de Colombia, 2021) García Tenorio, Camilo; Mojica-Nava, Eduardo; Programa de Investigacion sobre Adquisicion y Analisis de Señales Paas-Un
El tema principal de la tesis es la identificación basada en datos de la región de atracción (ROA por sus siglas en ingles) de puntos de equilibrio asintóticamente estables. Aunque esta es la principal contribución computacional, la mayoría del trabajo de la tesis constituye en satisfacer las condiciones subyacentes para lograr aproximar la ROA\@. Para obtener una aproximación precisa basada en datos del ROA en sistemas con múltiples puntos fijos o de equilibrio es necesario completar apropiadamente una serie de pasos partiendo de algunas trayectorias del sistema, i.e., asumiendo que no hay ningún acceso al modelo de ecuaciones diferenciales. La condición principal es una aproximación precisa del operador de Koopman ya que proporciona un grupo de eigenfunciones donde una composición particular de las mismas proporciona otra eingenfunción no trivial con eigenvalor asociado unitario. La principal propiedad de esta eingenfunción es que proporciona el ``manifold'' estable de los puntos de silla en el perímetro de la ROA\@. Por esta razón, para todo este procedimiento de trabajo, también es necesario tener una aproximación de la ubicación y estabilidad de los puntos fijos del sistema, recordando que la única entrada al algoritmo es un conjunto de trayectorias del sistema. Por consiguiente, el algoritmo debe ser una aproximación apropiada de las dinámicas del sistema y ser capaz de proporcionar una ecuación de diferencia que pueda proporcionar la ubicación y estabilidad de puntos fijos basándose en el análisis tradicional de sistemas no lineales. El algoritmo que tiene el potencial de alcanzar estos requisitos es el ``extended dynamics mode decomposition'' (EDMD), en donde la mayor parte del trabajo de esta tesis se enfoca en transformar el potencial que tiene este algoritmo en una realidad. En su mayor parte, el enfoque del desarrollo es sobre la estabilidad numérica del algoritmo, reduciendo el esfuerzo computacional y pasos necesarios para llevar a cabo la aproximación. Técnicos como la reducción de los polinomios ortogonales bas\'andose en las casi normas p-q y la eliminaci\'on de elementos polinomiales segur su error, aseguran que bases mas pequeños realicen las aproximaciones garantizando la existencia de soluciones debido a la propiedad de ortogonalidad. Mejoras como la recuperaron del estado a troves de la función inversa de los polinomios de una sola variable reducen el numero necesario de inversiones de matrices. Finalmente, las expansiones a priori del estado con funciones trigonométricas arbitrarias o cualquier otro tipo de funciones elementales, expanden los tipos posibles de sistemas que el algoritmo puede manejar. Como consecuencia de estas mejoras, la tesis logra los objetivos originales de analizar sistemas y controlar conjuntos de sistemas interconectados en un contexto basado en datos. Finalmente, la aplicación principal de la tesis es el análisis de la ROA en el proceso de digestión anaerobia, donde el análisis del fenómeno de multi-estabilidad que garantiza la operación correcta del reactor es de suma importancia.
Estudio de la creatividad en diseño en ingeniería en Aprendizaje Basado en Proyectos
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-04-09) Rodríguez Mesa, Fernando José; Peña Reyes, José Ismael
La creatividad en el diseño de ingeniería (CDI) es una habilidad de alta demanda para el desempeño en la investigación, el desarrollo de productos y procesos. La sociedad demanda profesionales que encuentren y resuelvan problemas para integrar y aplicar conocimientos y habilidades con soluciones creativas con el trabajo colaborativo de diferentes áreas del conocimiento. El aprendizaje basado en problemas (ABP o PBL) es una práctica educativa que desarrolla conocimientos y habilidades en estudiantes con valores culturales. Este estudio explica cómo el PBL con sus valores culturales puede desarrollar la creatividad en los estudiantes de pregrado, mediante el uso de estadística descriptiva cualitativa y cuantitativa y con un enfoque realista crítico. El estudio diseñó un marco teórico para estudiar el desarrollo del CDI desde el punto de vista de los principios del PBL y la influencia de la cultura de los estudiantes durante el trabajo del proyecto. Primero, explica la relación entre PBL y CDI con las dimensiones de aprendizaje de Illeris y la influencia intelectual sobre PBL de algunos autores en cómo ocurre el aprendizaje. Luego, las 4p’s de la creatividad explican la relación entre los CDI y los principios de aprendizaje del PBL. El marco conceptual utiliza las dimensiones del aprendizaje para comprender cómo los diferentes estudiantes aprenden en diversas prácticas educativas. Así mismo, el marco teórico se completa con un marco metodológico de cuatro etapas para procesar y analizar cuantitativamente los datos. La investigación también desarrolló el Cuestionario de Factores Culturales Revelados, QFR, que tiene 108 afirmaciones en una escala Likert de 1 a 5. Usó preguntas abiertas para diseñar declaraciones de dos grupos de estudiantes de dos universidades. El primer grupo entrevistó a 17/83 estudiantes del trabajo de proyecto del primer semestre de dos programas académicos en la Universidad de Aalborg en Dinamarca, cuya tradición en PBL se acerca a los 50 años. El segundo, con 8/19 entrevistas a estudiantes de un curso con una implementación de los principios de trabajo del modelo de Aalborg en la Universidad Nacional de Colombia, con un modelo educativo tradicionalmente centrado en el docente. El análisis utilizó respuestas textuales con Análisis Temático a 1262 minutos de transcripción literal. Luego lo aplicó a varios cursos para estudiar cultura. El QFR recopiló respuestas de una muestra independiente de 22 cursos seleccionados y 1183 estudiantes, luego se redujo a 12 cursos en el caso de participación no significativa, no completar la evaluación de creatividad o agruparlos por similitudes. Finalmente, el estudio describió esos cursos utilizando el triángulo de Illeris. El análisis de los datos QFR utilizó Componentes Principales, PCA y los valores asociados con el trabajo del proyecto, caracterizados individualmente y descritos de acuerdo con sus valores culturales sobre los principios de PBL. Luego, con las diferencias estadísticas de Kruskal Wallis, Conover-Iman y las direcciones de los ejes PCA encontró diferencias entre cursos. El instrumento para evaluar la creatividad fue CEDA (Creative Engineering Design Assessment), con pruebas a priori y a posterior aplicada en 1088 estudiantes de 16 cursos de ingeniería, de los cuales 14 participaron en el QFR. Se analizó la creatividad en función de la fluidez, flexibilidad, originalidad y utilidad de las ideas, utilizando el t-test y las estadísticas de Wilcoxon para establecer diferencias significativas antes y después del proyecto. El estudio encontró que el trabajo del proyecto como tema central aumentó la creatividad y que, en ninguno de los cursos estudiados, la creatividad disminuyó significativamente. De hecho, el desarrollo de la creatividad ocurre debido a cómo funciona el problema del proyecto en un modelo de PBL. El estudio encontró que la formulación del problema como tema central, el lugar donde los estudiantes realizan el proyecto y el estilo de colaboración grupal afectan la creatividad. El estudio también encontró, utilizando una transformación lineal novedosa entre los valores culturales del trabajo de proyectos en un curso visto desde los valores expuestos en otro curso, que los mecanismos culturales que operan en el PBL tienen un efecto directo o moderador sobre la creatividad. Este procedimiento encontró 15 orientaciones culturales operando como mecanismos y afectando el desarrollo de la creatividad con PBL. Con los resultados de este estudio, se puede investigar la implementación de modelos PBL en cualquier disciplina, a la vez que es útil para el desarrollo de estrategias para desarrollar la creatividad y llegar a soluciones creativas a los proyectos. Además, el marco metodológico demostró ser efectivo en el estudio de los valores culturales del trabajo del proyecto, pudiendo investigar otros temas fuera de la creatividad. (Texto tomado de la fuente).
Desarrollo de un sistema de clasificación de sustancias basado en un arreglo de sensores tipo lengua electrónica
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-08-16) Leon Medina, Jersson Xavier; Tibaduiza Burgos, Diego Alexander; Anaya Vejar, Maribel; Grupo de Investigación en Electrónica de Alta Frecuencia y Telecomunicaciones (CMUN)
The analysis of liquid substances is a current research area with applications in food, agricultural and chemical sciences, among others. These tests are generally time-consuming and performed with expensive equipment. Additionally, another way to analyze liquids is using a panel of previously trained experts who can evaluate some type of flavor. Although this method has proved to be effective, it is subject to disturbances produced by humans that can affect the classification process. Electronic tongue sensor arrays have emerged as an alternative to traditional liquid analysis methods, since they have demonstrated their effectiveness as classifiers of liquid substances and made it possible to automate this process. This doctoral thesis presents the development of an electronic system for classifying substances based on an array of electronic tongue sensor arrays. The system consists of an array of sensors, an electronic data acquisition system, and a computerized system for pattern recognition and multivariate analysis of the experimental data obtained. Different stages in the development of the classification system for liquid substances are described, such as the selection of sensors and electronic data acquisition equipment, system configuration, assembly and experimental design. Two new methodologies are presented for the processing of the signals obtained by electronic tongue sensor arrays. These methodologies include the use of feature extraction algorithms such as Principal Component Analysis (PCA) and t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE) which are used to reduce the high dimensionality of the data. These methodologies are based on the pattern recognition approach and use machine learning algorithms for classification as k nearest neighbors k-NN. The developed methodologies are validated using different datasets from different experiments, sensors and configurations, thus showing the effectiveness of the developed methodologies. (Tex taken from source)
Modelo basado en agentes inteligentes como soporte a la gestión del riego en cultivos agrícolas
(Universidad Nacional de Colombia, 2020) Jiménez López, Andrés Fernando; Cárdenas Herrera, Pedro Fabián; Gobernación de Boyacá; UNROBOT-Grupo de Plataformas Robóticas
El uso eficiente del agua es fundamental para la sostenibilidad de la agricultura y la seguridad alimentaria, al reducir la vulnerabilidad en la producción de cultivos, causada por la escasez o el desperdicio del recurso. El objetivo principal de esta tesis fue desarrollar un modelo basado en agentes inteligentes como soporte a la gestión del riego en cultivos agrícolas. Se buscó avanzar más allá de la simulación de un sistema multi-agente a su implementación en un escenario real. El modelo se implementó en el Distrito de Riego de Usochicamocha, ubicado en Boyacá, Colombia. Se desarrolló un agente ciber-físico de riego que permite determinar y aplicar las cantidades de agua en los cultivos de acuerdo con criterios técnicos y un modelo basado en agentes (MBA) para la distribución del agua utilizando funciones de utilidad basadas en el estado de los cultivos y aspectos sociales entre los agentes de la vecindad. En los resultados, el sistema permitió mantener la humedad del suelo dentro de los valores del déficit máximo permitido para varios cultivos. En conclusión, el modelo propuesto es promisorio en el diseño de sistemas distribuidos para el manejo del riego agrícola, ya que integra múltiples tecnologías y permite el manejo del riego a nivel de finca y de distrito de riego. Además, se ha demostrado, que se puede mejorar la eficiencia en el uso del agua, incorporando inteligencia artificial, sistemas multi-agente e internet de las cosas en el riego de precisión, de acuerdo con las variaciones espacio-temporales del sistema suelo-planta-atmósfera. (Texto tomado de la fuente)
Producción y propiedades físicas de nuevas perovskitas complejas del tipo RAMOX (R=La, Nd, Sm, Eu; A=Sr, Bi; M= Ti, Mn, Fe)
(Universidad Nacional de Colombia, 2021-07-30) Cuervo Farfán, Javier Alonso; Roa Rojas, Jairo; Rincón Joya, Miryam; Olaya Flórez, Jhon Jairo; Strazzabosco Dorneles, Lucio; Parra Vargas, Carlos Arturo; Grupo de Física de Nuevos Materiales
Las estructuras cristalinas de las nuevas perovskitas complejas que componen la familia RAMOx (R = La, Nd, Sm, Eu; A = Sr, Bi; M = Ti, Mn, Fe), difirieren en sus propiedades debido a que los elementos que las conforman, al ser acoplados, crean enlaces que a pesar de cristalizar en el mismo grupo espacial Pnma o Pbnm (# 62) presentan ligeros cambios originados por las características magnéticas, eléctricas, de radio iónico y por el enlace iónico o covalente de los diferentes elementos químicos que las componen. Además, se observan pequeñas diferencias en las posiciones atómicas y parámetros reticulares en la estructura con fase mayoritaria encontrada (98% de pureza), lo que conduce a la vez a diferencias dadas por distorsiones o inclinación de sus octaedros B-O6, que al haber sido expuestas a diferentes mecanismos mecánicos, eléctricos, magnéticos o térmicos, dan origen a propiedades características de cada una de las siete fórmulas estequiométricas sintetizadas y posteriormente analizadas en este documento. Las muestras policristalinas se produjeron por medio del método de síntesis de reacción de estado sólido. Durante los diferentes procesos térmicos aplicados se obtuvo la evolución cristalina con desaparición de las reflexiones propias de los óxidos precursores a partir de los cuales fueron sintetizadas las muestras hasta la obtención de la fase cristalográfica final. El refinamiento Rietveld, mediante el uso del software GSAS, permitió obtener la estructura en que cristalizó cada compuesto y sus parámetros tanto cristalográficos como de confianza. El estudio microestructural, a través de imágenes que se obtuvieron por medio del SEM, mostró un buen grado de compactación de los granos, resultado cotejado con medidas de densidad aparente que permitieron confirmar porosidades inferiores al 20%. En algunas muestras se observó la coexistencia de amplias diferencias de tamaño de grano que ocasionaron variaciones en las respuestas ante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos. El sistema de espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS) acoplado al SEM, facilitó el establecimiento de la composición efectiva de las muestras de acuerdo con el porcentaje estequiométrico de cada elemento químico en cada material. Las medidas del parámetro magnético dependiente de la temperatura y de magnetización en función del campo aplicado, revelaron comportamientos paramagnéticos, ferromagnéticos y ferrimagnéticos en varias composiciones. Las técnicas de caracterización eléctrica de corriente-voltaje (I-V) y de resistividad en un rango amplio de temperatura (desde 60 K hasta 400 K, aproximadamente) pusieron en evidencia comportamientos de tipo semiconductor (alta resistividad a temperatura ambiente), semiconductor-termistor (baja resistividad a temperatura ambiente), mecanismos de transporte eléctrico donde intervienen polarones, tipo Mott (VRH) y tipo Efros-Shklovskii (ES) y que suministraron el cálculo de la energía de activación de cada mecanismo en algunas muestras. Medidas de permitividad en función de la temperatura con frecuencias constantes corroboraron los resultados de transporte eléctrico y mostraron relajaciones tipo Debye y Maxwell-Wagner en las muestras con más alta resistividad, con las cuales también a partir de curvas de Arrhenius se obtuvieron las energías de activación y se pudo deducir la probabilidad de transiciones de carácter eléctrico o magnético. Estos materiales tipo perovskita exhibieron una amplia gama de resistividades, correlacionadas con el gap de energía óptico obtenido en algunas muestras. La coexistencia de parámetros magnéticos y eléctricos a temperaturas similares sugirieron la existencia de acoplamientos magneto-eléctricos (algunos corroborados con cálculos de polarización a través de medidas de corriente piroeléctrica), así como la coexistencia de comportamientos semiconductores y ferromagnéticos a temperatura ambiente que potencializan eventuales aplicaciones propias de tecnologías inmersas en la industria de la espintrónica, de grabación de información, de sensores magnéticos y de temperatura, entre otras. (Texto tomado de la fuente)
Mechanobiological computational model for the development and formation of sinovial joints
(2019-07-22) Márquez Flórez, Kalenia María; Carda Batalla, Carmen (Thesis advisor); Sancho-Tello Valls, María (Thesis advisor)
The onset and development of the synovial joints is due to different genetic, biochemical, and mechanical factors. It starts at the limb buds, which have an uninterrupted mass of mesenchymal cells within its core, also known as skeletal blastema. Most of these blastemal cells differentiate into chondrocytes; however, some of these cells remain undifferentiated at the site of the future joint (interzone). The separation of the rudiments occurs with cavitation process within the interzone. After the joint cleavage (cavitation), joint morphogenesis occurs, and the bones take their final shape. Once the embryonic period has finished, the synovial joint and its internal structures has developed completely. Though, once the synovial joints are formed, they might suffer several pathologies, such as the osteoarthritis (OA). There are several treatments that have been proposed to regenerate the articular cartilage, among which scaffolds without cellular sources have shown great results. Understand the processes that the joint tissue goes through are important to develop new direct and effective treatments for joint related pathologies. Computational models seem a good alternative tool to complement the study of the joint processes. Therefore, it was of our interest to study, through computational models, the biochemical interaction for the interzone onset, the cavitation and morphogenesis processes during the joint development. We analyzed these phenomena within the development of an interphalangeal joint and the patella onset. Moreover, we were also interested on analyzing, through a computational model, the processes happening when a defect in the articular cartilage is treated with the implantation of a polymeric scaffold. All the computational models developed in this study applied theories about tissue behavior under mechanical and biochemical stimuli. The obtained results were compared to experimental works found in the literature, all of them showed promising outcomes. Hence, we consider that the procedures and considerations taken for each proposed computational model are not far from what is really happening on the analyzed biological phenomena. Moreover, we were able to evaluate mechanical and biochemical conditions the biological phenomena, that would be hard to test through experimental approaches. We hope that these models become useful to medical and biological researches, helping in the design of prevention and therapy strategies for joint related diseases. This thesis is structured in eight parts including an introduction which tries to aware the importance of the study and the objectives of the thesis. Afterwards, on the second part, we expose some general concepts related to the topics and methods employed to develop the research. Then, the third part describes a computational model proposed to explain joint development from the interzone onset to the cavitation process. The fourth part is focus on the joint morphogenesis as part of the joint development process. Subsequently, the fifth section is dedicated to explaining the sesamoid bones development through a comparison of three theories of the patella onset, evaluated via computational models. The seventh part of this work is a computational model proposed to understand the processes that surround the cartilage regeneration when a polymeric scaffold is implanted in the articular cartilage. In the last part, we concluded the achievements and discussed the main conclusions of the thesis, as well as the recommended future work and perspectives. As an additional chapter, we added a general overview of the thesis in English and in Valencian
Biomechanical and mechanobiological model of the midpalatal suture formation process, by computational simulation
(2019-12-10) Guerrero Vargas, José Alejandro
Maxillary expansion is an orthodontic procedure that is used to treat the transverse maxillary deficiency. This procedure increases the transversal measurement of the maxilla taking advantage of the presence of the fibrous tissue that joins the two horizontal portions of the palate, known as midpalatal suture. To overcome some adverse effects that are generated with this treatment, or to make changes in the technique, it is necessary to understand the behavior of the suture and the surrounding tissues. Consequently, this work seeks to evaluate the midpalatal suture formation processes, and its response to the presence of external loads such as those generated during the expansion, from both an experimental and computational perspective. Therefore, the project was developed by means of an experimental model, a computational mechanobiological model, a biomechanical computational model in 2D and a biomechanical computational model in 3D. For the development of the experimental model, an in vivo procedure was standardized to observe the effect of tensile loads on cellular activity inside the suture and on the expressions of some molecular factors located at the bone–suture–bone interface. The procedure can be used as a reference for future research on this suture. With respect to the mechanobiological model, the mathematical model proposed achieves to reproduce the cellular migration phenomena that are carried out as a consequence of the expansion loads application and simulates the remodeling processes that occur at the bone margins, replicating the initial states of the midpalatal suture morphology in humans and generating more complex interdigitation patterns in expanded sutures. In relation to the biomechanical models, it was possible to evaluate the influence of certain parameters, such as the interdigitation degree and the anchorage type used, in the structural behavior of the oral cavity when it is subjected to an maxillary expansion treatment. The experimentally findings and the biomechanical models derived from this research can be used by dentists and clinicians to understand some events that happen into the oral cavity during the period of treatment. On the other hand, the mechanobiological model could be the first approach looking for reproduce the molecular and cellular interaction into the midpalatal suture, when a maxillary expansion is applied, by a combination of a basic chemotaxis model and a reaction–diffusion model.
Modelo computacional y experimental del comportamiento mecánico y biológico de fibroblastos aislados del ligamento colateral de la rodilla expuestos a estímulos biofísicos del ultrasonido
(2019-08-21) Cárdenas Sandoval, Rosy Paola
El objetivo de esta tesis fue modelar computacional y experimentalmente el comportamiento mecánico y biológico de fibroblastos del ligamento colateral de la rodilla expuestos a estímulos biofísicos del ultrasonido. Tratamiento con ultrasonido pulsátil a una frecuencia de 1.0 MHz con dos intensidades diferentes 1.0 W/cm2 (Grupo A) y 2.0 W/cm2 (Grupo B) fue aplicado cada 24 horas por cinco días a cultivos monocapa de fibroblastos de ligamento. Un grupo control no recibió tratamiento (Grupo C). La autora midió el módulo de elasticidad celular a través del ensayo con Microscopio de Fuerza Atómica (AFM), armónicos utilizando el Método de los Elementos Finitos (FEM), viabilidad a través de la técnica de citometría de flujo, proliferación por medio de un ensayo colorimétrico (MTS), síntesis de colágeno tipo I y III, y fibronectina mediante el Ensayo de Inmunoabsorbancia Ligado a Enzimas (ELISA), y migración celular a través del ensayo de lesión por raspado. Los resultados mostraron una disminución en el módulo de elasticidad (22% y 32%, p0.05), en los armónicos (20% y 20%) y en la viabilidad celular (1% y 10%) para la baja y alta intensidad, respectivamente. La proliferación celular fue aumentada 10% (Grupo A) y disminuida 13% (Grupo B) (p0.05). El colágeno tipo I fue aumentado 100% para la alta intensidad, y no hubo expresión de colágeno tipo III para la baja intensidad ni para el grupo control. La producción de fibronectina fue aumentada 79% (Grupo A) y 61% (Grupo B). Se comprobó que la disminución del módulo de elasticidad se produjo por una reorganización del citoesqueleto de la célula para 1) proliferar y migrar (aumento del 4%) a la zona de lesión ante baja intensidad de tratamiento y para 2) producir matriz extracelular en la zona de lesión y por tanto disminuir la migración celular (11%) para el tratamiento con alta intensidad (p0.05). Estos hallazgos mostraron que baja dosis de ultrasonido puede estimular la etapa temprana o regenerativa de reparación y alta dosis de tratamiento estimula la etapa tardía o de remodelado. Este trabajo sugiere que el ultrasonido pulsátil estimula a las células para mejorar el proceso de reparación de los ligamentos.
Ultrasound imaging for sustainable and rational management of standing trees in urban areas
(2019) Espinosa Moreno, Luis Fernando
The tree plays a major ecological role in modern cities. The management of the plants is the subject of requests from urban operators: the diagnosis is essentially visual, even when the extent of internal damage and the associated hazard cannot be precisely evaluated by simple observation. Ultrasonic imaging methods allow answering biological questions related to the adaptation of the tree to exogenous constraints, such as pathogenic attacks, presence, and type of internal damages, the extent of degraded or traumatized areas. The major scientific issues are linked to the image production (reconstruction of the intrinsic parameter from a set of measurements) and to the image interpretation (discrimination for detection of alterations and its positioning). The overall aim of this thesis was to develop an ultrasonic imaging method for the diagnosis of the internal condition of urban trees. The scientific objectives were to develop numerical models to study the factors of influence on the propagation of ultrasonic waves in the cross-section of a tree and to propose an image reconstruction solution, suited for orthotropic materials, allowing the discrimination and positioning of decay. The development of a protocol for the acquisition, processing, analysis and interpretation of ultrasound tomography signals and images is of great importance for wood science. Obtaining reliable and interpretable images is a recurring demand from urban operators. Initially, to set-up the ultrasonic chain of measurement, a comparative experimental study was done to choose the excitation signal parameters, such as shape, temporal duration, and frequency response, and then the choice of a suitable time-of-flight determination technique. Then, we were concerned on evaluating the influence of the orthotropic condition of wood on the propagation of ultrasonic waves, by performing a time-of-flight (TOF) estimation using a raytracing approach, a method used in the field of exploration seismography to simulate wavefronts in elastic media. The anisotropy of wood in the radial-tangential plane influenced the wave velocity depending on the direction of propagation, that led to deformed wavefronts compared to the perfectly circular wavefronts for an isotropic case. The paths from each receiver to the transmitter in the wood presented a curvature, therefore the trajectories differed from the straight-line distance obtained for an isotropic case. A numerical comparison was made using the Finite Elements Method (FEM); the TOF estimates and wavefronts agreed with those of the raytracing approach. A similar experimental validation was performed. Wood sections from two species were tested. Defects in the wood were simulated by drilling holes. The shape of TOF curves computed using the raytracing algorithm and those obtained from the experiments were in good agreement. Defects located in the center of the trunk presented larger TOF variations compare to defects located in off-centered positions. Thus, off-centered defects would be more difficult to determine and characterize by tomographic inversion. Then, we were interested in the influence of the wood orthotropic condition on the tomography image reconstruction process (inverse problem) and how it should be adapted to the standing tree constraints. For wood, the ray paths between the ultrasonic transmitter and the receivers are not straight as for isotropic media; therefore, the image reconstruction method should be adapted to deal with curved rays. The proposed method considers the orthotropy property of wood material, performing an iterative process that approximated the curved rays. A slowness function was defined for every pixel and a nonlinear regression allowed the mapping of the inner elastic constants. Initially, four numerical configurations were tested representing real cases usually found in standing tree monitoring. The reconstructed images using the proposed method were compared with a straight-ray reconstruction method (filtered back projection algorithm), highlighting a more detailed identification and quantification of the inner state of the anisotropic structure of the trunk. Then, the inversion procedure was tested using wood samples from two species for three different configurations: a healthy case, a centered defect case, and an off-centered defect case. As for the numerical study, the proposed method resulted in a more accurate defect representation when compared to a straight-ray reconstruction, especially for the case of centered defects.
Investigación numérica de un flujo incompresible turbulento cargado con partículas sólidas suspendidas a través de un canal con perturbaciones de pared controladas
(2018-12-12) Ramírez Pastran, Jesús Antonio
En este documento se presentan los resultados correspondientes a una investigación numérica de un flujo incompresible turbulento cargado con partículas sólidas suspendidas a través de un canal rectangular con perturbaciones de pared controladas. Inicialmente se presenta un marco conceptual de cada uno de los fenómenos a evaluar, seguidamente se presentan los modelos computacionales utilizados con sus respectiva validación. Se presentan capítulos individuales en donde se caracteriza el efecto que tienen tanto las partículas como las perturbaciones geométricas impuesta a una de las paredes del canal, sobre el comportamiento turbulento del flujo. Así, se presenta el efecto individual y combinado tanto de las partículas como de las perturbaciones geométricas. En el desarrollo de los modelos computacionales, se utilizaron técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional y particularmente, se utilizó una metodología de simulación de grandes escalas (LES) para capturar los fenómenos turbulentos presentes en el flujo. La resolución del movimiento de las partículas se hizo mediante un enfoque Lagrangiano de punto de partícula. Se observó que tanto las partículas como las perturbaciones geométricas tienen una clara influencia en el comportamiento turbulento del flujo, siendo el efecto de las partículas dominante.
Modelación del proceso de deshidratación por espray de jugo de guayaba
(2017-12-10) Cubillos Varela, Alfonso
En esta tesis se modela y simula la calidad de un jugo sintético de guayaba secado por aspersión. La calidad, medida a partir de la humedad, densidad y tamaño de las partículas secas, se analiza con diferentes velocidades y temperaturas del aire, flujos del jugo y velocidades del atomizador. El análisis se realiza a partir de datos experimentales y un modelo de simulación que aplica la dinámica de fluidos computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics). Además, se realiza la caracterización de la materia prima para obtener un modelo de secado de gota que permita ser incluida en el modelo de simulación. Los resultados de simulación generados a partir del modelo son similares a los datos obtenidos por experimentación. Lo anterior permite concluir que, el modelo obtenido sirve como base para definir las condiciones de operación del proceso que permitiría obtener un producto con las características de calidad deseadas, o realizar el escalamiento del proceso.

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