Journal I3 Investigación Interdisciplina Innovación

Journal de Investigaciรณn en Pregrado

Nยบ10

I³

Journal de Investigación en Pregrado

Nº 10 | Diciembre 2018

Editor Académico / Academic Editor Domingo Mery

Contenidos 02

Editorial

04

Investigación en Pregrado

11

Pasión por Investigación

Comité Honorario / Honorary Comitee Ángel Abusleme Clementine Bechet Daniel Garrido Elwin van't Wout Hernán Santa María Jorge Ramos Juan de Dios Ortúzar Loreto Parra Luis Rizzi Sergio Gutiérrez Mario Vera

19

PhD en la empresa

Equipo Editorial / Editorial Board Felipe Castillo Natalia Chubretovic

Editor Ejecutivo / Executive Editor Jovan Kuzmicic

Diseño y Diagramación / Design and Layout Francisco de Segovia Traducción / Translation Jovan Kuzmicic

INVESTIGACIONES DE LOS ALUMNOS 28

Purificación y mutagénesis del factor de transcripción de genes de virulencia bacteriana RfaH

38

Algoritmo rápido para modelar la interacción entre un espejo deformable y un sensor de frente de onda

46

Aumentando los cambios en intensidad para el reconocimiento facial en imágenes irreconocibles

58

Modelación de la satisfacción en transporte público utilizando datos reportados y datos medidos

71

Métodos numéricos para la ecuación de Bloch

81

Mejoramiento de un nuevo agregado sustentable artificial para el hormigón en base cenizas volantes del carbón de centrales termoeléctricas

93

Dispositivo para medir movimiento tridimensional del brazo

103 Simulaciones en Rayos X de la Galaxia Circinus INVESTIGACIONES DE LOS ALUMNOS ISSN 0719-3971

“Las opiniones vertidas en los artículos no representan el pensamiento de la Pontificia Universidad Católica de Chile y son responsabilidad exclusiva de autores”. © Permitida la reproducción citando fuente y autor.

114 III Congreso de Estudiantes de Ingeniería - Resúmenes

02 / Editorial

Ciencia y tecnología para el futuro de Chile Science and technology for Chile’s future

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ste año se anunció la creación del nuevo Ministerio de Ciencia, Tecnología, Conocimiento e Innovación, lo que cristaliza un anhelo de larga data en la comunidad científica nacional. Este esperado anuncio debiera ser una fuerza renovadora en el quehacer científico del país, impulsando nuevas y mejores formas de hacer investigación y educar a la comunidad en ciencias. Un merecido cambio ad portas de un futuro que se acerca cada vez más rápido, en donde se crean nuevas industrias y desarrollos, que requieren profesionales y jóvenes audaces y empoderados con nuevas herramientas y conocimientos… jóvenes que sin lugar a dudas deberán realizar su labor sin dejar de respetar nuestra sociedad y el medioambiente, pensando responsablemente en el mundo que le dejaremos a las futuras generaciones.

A pesar de los augurios de este anuncio, hoy vemos con incertidumbre el futuro de la educación científica. Noticias como la reducción del número de horas escolares para Ciencias Naturales o el reducido presupuesto 2019 para inversión en Ciencias en Chile no se condicen con los mensajes de prosperidad e interés que trae el nuevo ministerio. En un mundo cada vez más tecnológico, conectado y demandante, el conocimiento de Ciencias Naturales será un requisito mínimo para los desafíos técnicos de los futuros profesionales. Es por esto, que nuestra misión como educadores es disminuir esta brecha y fomentar la alfabetización científica, tanto en nuestras aulas, como fuera.

Esta es una de las misiones de nuestro Journal I3, que en esta nueva entrega incluye el trabajo de investigaciones de alumnos de Ingeniería y otras disciplinas. Son artículos de científicos jóvenes que ya miran el futuro de otra forma, tratando de hacer un aporte al conocimiento. Nuestra sección “Investigaciones de los alumnos” presenta ocho artículos de investigaciones que se están llevando a cabo en la Escuela de Ingeniería de la Universidad Católica de Chile. Los temas son diversos, desde biología molecular aplicada, modelamiento matemático y computacional, visión asistida por computadores, ciencias de

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his year, the creation of the Science, Technology, Knowledge and Innovation Ministry was announced, crystallizing an old yearning of the national scientific community. This longed proclamation should be a renovating impulse for Chilean science, promoting new and better ways of doing and teaching science in our community. A well deserved change at the gates of a future approaching ever faster, where new industries and developments are being created, which require audacious and empowered young professionals with new tools and knowledge… people that, without a doubt, must do their jobs while respecting our society and environment, thinking responsibly in the world they will leave to the future generations.

Despite the omen of this announcement, we see the future of scientific education with uncertainty. News such as the reduction of high school hours for Natural Sciences or the impoverished 2019 national budget for investment in Science do not correlate with the message of prosperity and care that accompanies the creation of a new Ministry. In a increasing technological, connected and demanding world, knowledge of Natural Sciences will be a minimum requirement for the technical challenges of future professionals. Therefore, our mission as educators is to reduce this gap and to promote scientific literacy, both within and outside our classrooms.

This is one of the missions of our Journal I3, which in this issue includes the research work of students from Engineering and other disciplines. These are young scientists that already look differently towards the future, trying to make a contribution to our knowledge.

Our section “Student’s research” presents eight original articles of the research being carried out at UC School of Engineering. The topics are diverse, from applied molecular biology, to mathematical and computational modeling, computer assisted vision, material science, biophysics and

Editorial / 03

los materiales, biofísica y biomecánica, hasta astrofísica.

Adicionalmente, este número incluye los 40 resúmenes presentados en el III Congreso de Estudiantes de Ingeniería, una iniciativa conjunta entre la UC y la USM en el marco del proyecto Nueva Ingeniería para el 2030. Con el fin de promover la difusión y el intercambio científico de nuestros estudiantes, ambas Universidades realizaron la tercera versión de este Congreso en el Campus San Joaquín de la UC el 6 de noviembre de 2018.

Esperamos que esta nueva edición contribuya a sembrar la semilla de la curiosidad científica, junto con esparcir las herramientas y el conocimiento requerido para cultivar este interés. Agradecemos la contribución de alumnos, profesores y profesionales en la creación de esta revista, esperamos que disfruten su lectura.

biomechanics, and astrophysics.

Additionally, this issue includes 40 abstracts of research work presented at the III Congress of Engineering Students, a joint venture between UC and USM within the project New Engineering for 2030. Aiming towards fostering scientific outreach and exchange of our students, both Universities launched the third version of this Congress at the San Joaquín Campus of UC on November 6th, 2018.

We hope this new issue contributes to planting the seed of scientific curiosity, together with spreading the tools and knowledge needed to cultivate this interest. We appreciate the contribution of students, academics and professionals to the creation of the journal and hope you enjoy reading it.

Domingo Mery Quiroz

Jovan Kuzmicic Previtali

Editor Académico / Academic Editor

Editor Ejecutivo / Executive Editor

04 / Investigación en Pregrado

Experiencia IPre de Pablo Schwarzenberg y su equipo

Una oportunidad para aprender, compartir y aplicar el conocimiento en algo que te apasiona

IPre experience with Pablo Schwarzenberg and his team

An opportunity to learn, share and apply your knowledge into your passion

El equipo detrás del juego,d e izquierda a derecha, fila superior: Roberto Montecino, César Meneses, Alonso Canales, Santiago Torres and Matías Gabler. Fila inferior: Miguel Ortiz, Florencia Ferrer, Eduado Echeverría, Karla Díaz y Pablo Schwarzenberg.

Faltan Sebastián Berhmann e Ignacio Peñafiel.

The team behind the game, from left to right, upper row: Roberto Montecino, César Meneses, Alonso Canales, Santiago Torres and Matías Gabler. Lower row: Miguel Ortiz, Florencia Ferrer, Eduado Echeverría, Karla Díaz and Pablo Schwarzenberg. Sebastián Berhmann and Ignacio Peñafiel are missing.

Pablo Schwarzenberg, profesor asistente adjunto del Departamento de Ciencia de la Computación, lidera un grupo de alumnos de pregrado de la Escuela de Ingeniería en un proyecto que busca desarrollar un videojuego multijugador para que estudiantes de enseñanza media aprendan a programar jugando. Durante dos semestres un grupo de alumnos IPre ha contribuido al levantamiento de información, prototipado, ideación y programación de este juego. Participando así en la creación de una herramienta que llevará la programación a los jóvenes chilenos de manera más alineada a sus intereses.

Por Natalia Chubretovic

Pablo Schwarzenberg, assistant-associate professor of the Computer Science Department, leads a group of UC Engineering students in the creation of a multiplayer videogame designed to teach programming to high school students while playing. Over two semesters, a group of IPre students collected information, prototyped, devised and programmed this game. Thus, they participated in bringing young Chileans closer to programming through the creation of an appealing tool for them.

By Natalia Chubretovic

Undergraduate Research / 05

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¿Qué te motiva a enseñar programación a jóvenes de Educación Media?

What is your driver for teaching programming to high school students?

Pablo: “Creo que la herramienta de la programación es, y va a ser cada vez más, necesaria en la sociedad. Como casi todos los puestos de trabajo van a tener que renovarse en el futuro próximo, creo que una de las competencias que puede ayudar mucho a los jóvenes es la programación.”

Pablo: ‘I believe that programming will be everyday more necessary for society. As most job positions will need to be reinvented in the near future, I think that programming could be a helpful skill for young people.’

l profesor, y líder de este proyecto, dicta el curso de Introducción a la Programación en nuestra Escuela y tiene un gran interés por aplicar nuevas metodologías y hacer llegar estos conocimientos a un público más amplio y general.

“Además, con esta experiencia, los jugadores aprenden habilidades más allá de la escritura de código. Es una buena oportunidad para entregarles las herramientas para abordar y resolver problemas. Así, les toca conocer y poner en práctica el pensamiento computacional, lo cual te permite dividir problemas en una secuencia lógica de pasos.”

he professor and project leader teaches Introduction to Programming at UC Engineering and has great interest of applying new methods to bring programming closer to a broader and general public.

‘Furthermore, through this experience, players can learn skills beyond code writing. It is a good chance to give them the basic tools for problem solving. Thus, they will have to learn and apply computational thinking, which allows you to divide problems into a logic sequence of steps.’

Tu grupo es bastante grande, ¿cómo ves el aporte de cada integrante al proyecto?

You have a big group, how do you see everyone’s contribution to the project?

Pablo: “Nos tocó la suerte de tener un grupo bastante heterogéneo, pero que se armó muy bien. De esta manera, unos son más dados a aportar en la creación de la historia y el contenido, mientras que otros están dedicados a hacer realidad el juego. Así el trabajo complementario enriquece al proyecto.”

Pablo: ‘We were lucky on having a pretty heterogeneous group that fit together nicely. Some are prone to contribute on storyline creation, while others are dedicated to make the game. In this way, the complementary labor enriches the project.’

¿Qué te motivó a trabajar con alumnos de pregrado?

What motivated you undergraduate students?

Pablo: “Como el objetivo de esta IPre es generar una herramienta para enseñar programación, se hacían muy necesarios los estudiantes, pues están más cercanos a la perspectiva de alguien que está aprendiendo. Es invaluable su experiencia y retroalimentación, porque tienen mucho más fresco el proceso. En cambio, cuando llevas más años en esto, te cuesta percibir cómo se enfrenta al problema alguien que está comenzando en la materia.”

Pablo: ‘Since the goal of this IPre is to create a tool to teach programming, students were very necessary since they are closer to the perspective of someone that is learning programming. Their experience and feedback are invaluable, because this process is more recent in them. Instead, when you have been doing this for years, is harder to perceive how people approach this subject when it is new to them.’

¿Cómo has visto el desarrollo y aprendizaje de tus alumnos?

How do you see your student’s learning and developing curve?

Pablo: “Han podido aplicar sus conocimientos y aprender trabajando en algo que les gusta

Pablo: ‘They have been able to apply their knowledge and learn by doing something

to

work

with

06 / Investigación en Pregrado

Pablo Schwarzenberg, profesor asistente adjunto del Departamento de Ciencia de la Computación.

Pablo Schwarzenberg, assistantassociate professor at the Computer Science Department

mucho. Incluso hemos aprovechado nuestra experiencia como jugadores para ponernos en la perspectiva del usuario. En el proceso, los alumnos han descubierto cosas nuevas: cómo se construye un juego, qué herramientas se usan, cómo se validan las ideas y las problemáticas que se presentan. Han podido darse cuenta lo distinto que es jugar de construir.”

“También he visto un gran crecimiento en los procesos de diseño y trabajo colectivo. El diseño ha sido muy iterativo, con etapas de divergencia para buscar y generar muchas ideas, que luego se conversan con el grupo para enriquecerlas y convergerlas. Así, también han aprendido a trabajar en equipo, donde no predominan las ideas individuales, sino una que es co-construida en un camino de exploración de posibilidades.”

they truly like. We had even taken advantage of our gamer experience to stand from the user’s perspective. Throughout the process the students have discovered new things such as the constituents of a game, the tools they used, how to validate ideas, and all the problems that arise when creating something like this. They have realized how different is building games from playing games.’

‘I have also seen great development in the design processes and collective work. We have done an iterative design with divergence stages, in order to look for and generate many ideas, which are later discussed with the team for enrichment and convergence. Thus, they have learnt about teamwork, where individual ideas are not predominant, but a co-construction that rose from the exploration of many possibilities.

¿Qué aporte profesional le ves al programa IPre?

What professional value do you see in the IPre program?

Pablo: “Creo que es muy importante que los ingenieros aprendan a trabajar en equipo y a presentar y defender sus ideas de manera argumentada. Además, es necesario comunicar de manera efectiva y retroalimentar a los otros para generar diálogo y discusión; en eso radica la riqueza del trabajo en equipo. Creo que participar en el IPre les permite aprender y desarrollar estas habilidades.”

Pablo: ‘I think it is very important for engineers to learn teamwork and how to present and defend ideas with arguments. Moreover, it is necessary to communicate effectively and give feedback to others in order to create dialogue and discussion; here is where the richness of teamwork resides. I believe that participation in IPre gives them opportunities to develop those skills.’

“También me gusta motivar a los alumnos a generar ideas, “pensar fuera de la caja” y darse la posibilidad de explorar y divergir para buscar otros puntos de vista a los problemas. Esta manera de pensar te ayuda a resolver cualquier

‘I also like to encourage my students to generate ideas, think outside the box, and give themselves the chance to explore and diverge, in order to explore other points of view for problems. This way of thinking helps you solve any complex

Undergraduate Research / 07

desafío complejo.”

challenge.’

¿Cómo ha sido asumir el liderazgo de un grupo de alumnos de pregrado en investigación?

How is the challenge of leading a group of undergraduates in research?

Pablo: “Es como cualquier experiencia de liderazgo, pero que además exige cierta flexibilidad. A veces los estudiantes tienen otras demandas y mi objetivo es que puedan compatibilizar el IPre con su carga académica.

Ha sido un desafío estar abierto a negociar para que se logre el resultado esperado y que los alumnos den lo mejor dentro de los tiempos.

Aparte, como es un trabajo de largo plazo, la idea es que el equipo se mantenga estable y una buena experiencia contribuye a eso. En esto el líder juega un papel clave, por lo que he sentido gran responsabilidad.”

“Para mí han sido fundamentales la buena dinámica del grupo, la motivación de los estudiantes y la claridad en el objetivo. Así, puedes medir los avances, organizar el trabajo y mantener al equipo alineado con el objetivo.

He tenido una buena experiencia trabajando con metas y con estudiantes motivados, quienes han aportado más de lo que se esperaba de ellos”

Pablo: ‘It’s like any other leadership experience, but it requires some degree of flexibility.

Sometimes students have other demands and my goal is for them to make the IPre compatible with their classes. It has been challenging to be open to negotiate in order to achieve the expected results and for the students to give their best within schedule. Furthermore, since this is a long-term process, the idea is to maintain a stable team and having nice experiences helps with that. In this, the team leader plays a key role, thus I have felt a great responsibility.’

‘For me, keeping a good team dynamic, student’s motivation and clarity in the objectives have been fundamental. Thereby, you can measure advances, organize the work and keep the team aligned to the objective. I have had a great experience working with goals and motivated students, who had given more than what was expected of them.’

¿Invitarías a otros profesores al IPre?

Would you invite other professors to IPre?

Pablo: “Claro que sí. Los estudiantes aportan una perspectiva nueva que a veces uno carece.

También ayudan a evitar los sesgos y enriquecen las ideas porque hacen más diverso al grupo.

Un equipo así hace que el resultado final no sea una idea preconcebida mía, sino que una construcción grupal con el aporte de muchas visiones.”

Pablo: ‘Absolutely. The students bring a fresh perspective that sometimes one lacks. They also help reduce bias and enrich the ideas because they make the group more diverse. Such a team transforms a preconceived idea into a final result raised from a group construction with many inputs.’

En esta IPre han participado entre 5 y 8 alumnos por semestre, todos estudiantes de ingeniería. Entre ellos se encuentran Matías Gabler y César Meneses, del major de Ciencia de la Computación y Alonso Canales, del major de Diseño e Innovación. Matías postuló porque Pablo le habló previamente del proyecto, mientras que Alonso y César llegaron al grupo a través de la plataforma Gestión IPre (www.ing.uc.cl/gestionipre) y se animaron a postular a su Oportunidad de Investigación.

This IPre has involved between five and eight students per semester from UC Engineering.

Among them are Matías Gabler and César Meses, from Computer Science Major, and Alonso Canales from Design and Innovation Major. Matías applied to this IPre because Pablo had previously told him about the project, while Alonso and César got to the team trough the IPre website (www.ing.uc.cl/ gestionipre) and applied to Pablo’s Research Opportunity.

Durante el 2017-2 se dedicaron a buscar referentes y caracterizar a su público para luego prototipar el videojuego. Después, en 2018-1, desarrollaron el juego definitivo en mayor profundidad y proyectan testearlo en

During 2017-2, the team was devoted to find referents and characterize their target audience, before prototyping the videogame.

Later, in 2018-1, they developed the definitive game in more detail and aim to test it on a high school soon.

08 / Investigación en Pregrado

un colegio próximamente.

Su primer encargo fue el levantamiento de información sobre alumnos de enseñanza media ¿Cómo planificaron esta etapa y de quién surgió la iniciativa?

Your first assignment was to collect information about high school students.

How did you plan for this and whose idea was it?

Matías: “En un inicio estábamos buscando juegos de referencia porque queríamos hacer algo que se diferenciara y fuera atractivo para los jóvenes chilenos. Como dos de nosotros teníamos una visión desde el Diseño, decidimos, junto al profesor, ir a los colegios donde está nuestro público, para entrevistarlos.”

Matías: ‘Initially we were looking for referent videogame because we wanted to do something different and attractive for young Chileans. Since two of us had a vision coming from Design, we decided, together with our Professor, to go to our target audience and interview them at schools.’

Alonso: “Estábamos aplicando un curso que teníamos ese semestre, Antrodiseño. Aprendimos habilidades para adaptar proyectos a su público objetivo, especialmente mediante procesos de búsqueda de información.”

Matías: “Nos dimos cuenta de que existían dos tipos de juegos que atraían a los jóvenes: los de puzzle para teléfonos y los de acción. Luego pasamos a una etapa en que cada uno tenía que proponer un juego de cada tipo y exponerlo a los demás. Estuvimos un mes recolectando, analizando y proponiendo ideas a partir de la información levantada en los colegios.

Finalmente, diseñamos un juego de acción que era lo que más les gustaba a los encuestados.”

Alonso: ‘We were applying the tools from a class we had that semester, Anthrodesign. We learned the skills to adapt projects to their audience, particularly through information search processes.’

Matías: ‘We realized that two types of games were appealing to young people: puzzle style for smartphones and action games. Then, we went into a phase where each of us had to propose a game of each type and present them to the rest.

We were collecting ideas for a month, analyzing and proposing ideas from the information we acquired in high schools. Finally, we designed an action game since it was the top preference in our surveys.’

¿Qué aprendieron en este proyecto?

What did you learn in this process?

César: “Con lo que más me quedo es lo sorprendente de los resultados de las salidas a terreno. Porque, aunque nosotros no lo esperáramos, la relación entre el gusto por las matemáticas y el interés por aprender programación no era tan directa.”

César: ‘What I found most surprising was the information collected in our fieldwork. Even when we didn’t expect it, the relation between preference for mathematics and interest in programming was not direct.’

Matías: “Me pude dar cuenta de que uno tiene muchos sesgos, llega con una idea y sale con otra nada que ver. Nos pasó con la creación del juego de acción, que finalmente no está solamente dirigido a público con interés lógicomatemático.”

Matías: ‘I could realize that one has many biases, and comes with one idea and leaves with another totally unrelated. This happened to us with the creation of an action game that wasn’t exclusively designed for an audience with logical and mathematical preferences.’

¿Cómo se han organizado para trabajar todos en un mismo proyecto?

How have you organized to work in the same project?

Matías: “Cuando uno postulaba se podía elegir entre dos siglas distintas, una era la de programación y otra la de diseño. Por lo tanto, desde el principio el profesor había separado las tareas en áreas y cada uno tenía claro cuáles prefería para trabajar. El primer semestre estuvieron esas dos clasificaciones, mientras

Matías: ‘When applying to the IPre you could choose between to different opportunities, one was about programming and the other about design. Therefore, since the beginning, the Professor had arranged tasks into areas of your own preference. The first semester we had this division, but now we have three teams in charge

Undergraduate Research / 09

Visualización del entorno del video juego.

Render of the video game environment.

que ahora tenemos tres equipos encargados de distintas partes del juego, donde cada uno ha podido elegir cuál le gusta más.”

César: “Aunque es el profesor quien reparte las tareas, nosotros podemos optar a las que nos gustan o en las que somos mejores.”

of different parts of the game, where each can choose what they like best.’

César: ‘Although the Professor is the one assigning the tasks, we can opt to the ones we like or the ones we are better at.’

¿Cuál creen que es el rol que ha tenido Pablo en la investigación?

What do you think is Pablo’s role in this research?

Matías: “El trabaja harto en el proyecto, se nota que no estamos solos. Además, el profesor asigna las tareas y también nos apoya en realizarlas.

Siento que en este proyecto los alumnos tenemos mucho espacio para proponer, es tan nuestro como del profesor.”

Matías: ‘He works a lot in this project; we can tell we are not alone. Moreover, the Professor assigns tasks and also helps us accomplish them.

I feel that there is a lot of room for us students to propose ideas. It is as much our project as it is his.’

César: “Su labor ha sido muy importante, porque nos ha guiado hacia lo que tenemos ahora, ayudándonos a soltarnos y dejándonos proponer harto.”

César: ‘His role has been really important because he has guided us towards what we have now, by helping us set our creativity free and propose ideas.’

Alonso: "Casi todas las ideas generales han salido de nosotros. Sin embargo, el profesor nos ha ayudado a concretarlas, matizarlas y dirigirlas hacia el objetivo.”

Alonso: ‘Almost all the general ideas had come from the students. However, the Professor has helped us make these ideas come true by nuancing and directing them towards the objective.’

¿Qué aporte consideran que tiene para su carrera haber participado en el IPre?

What professional value do you see in IPre project participation?

Alonso: “Yo tenía experiencia programando,

Alonso:

‘I

had

previous

experience

10 / Investigación en Pregrado

pero siempre solo. El IPre fue interesante porque me obligó a dialogar, discutir y defender mis ideas para poder trabajar bien en grupo. Fue una experiencia enriquecedora”

programming, but always alone. This IPre was interesting because it forced me to dialogue, discuss and defend my ideas in order to properly work in the team. It was an enriching experience.’

Matías: “En esa misma línea, cuando uno trabaja con un equipo chico las cosas se resuelven mucho más fácil. En cambio, en este grupo grande con tareas repartidas, lo interesante es lograr un buen desempeño entre todos, asumiendo la responsabilidad hacia el otro.”

Matías: ‘Along this line, when you work in a small team, issues are quickly solved. However, in this big group with divided tasks, the challenge was to have good performance among all of us, assuming the responsibilities towards each other.’

César: “Para mí fue un desafío, principalmente, porque nunca había participado en el proceso de diseño y creación de un juego, a pesar de ser un jugador bastante recurrente. Fue súper interesante meterme en algo nuevo. Además, el trabajo en grupo ha sido muy amigable porque todos construimos en conjunto, en un equipo en el que todos están motivados.”

César. ‘To me it was a challenge, mostly because I had never participated before in th design and the creation of a videogame, despite being a frequent gamer. It was really interesting to participate in something new. Besides, the teamwork was pretty good because we all built together in a motivated team.’

¿Recomendarían a otros alumnos participar en el IPre?

Would you recommend IPre to other students?

Matías: “Sí, lo encuentro muy entretenido. En general, uno nunca tiene un ramo que realmente se trate de lo que quieres hacer. Cuando tomas un IPre tienes ese tiempo para hacer algo productivo en la Escuela aparte de tus ramos. Es una instancia extra para trabajar en algo que te gusta y que, además, es reconocida con créditos.”

Matías: ‘Yes, I find it entertaining. In general, you never have a course that is really about what you want to do. When you take an IPre, you have the time to do something productive within the School beside your classes. Is an extra space to work on something that you like, that also happens to give you credits.’

César: “Yo lo recomendaría esencialmente por lo mismo. Uno se mete a una IPre porque tiene interés en el tema y es muy satisfactorio llegar al resultado a final de semestre. El aplicar lo que uno va aprendiendo hasta llegar a tener algo tangible como un prototipo es muy satisfactorio.”

César: ‘I would recommend it essentially by the same reasons. You get into IPre because you have an interest for a particular subject and it is very satisfying to see the results at the end of the semester. Its about applying your knowledge until you get something tangible like a prototype.’

El Programa IPre está abierto para todos los alumnos de la Escuela de Ingeniería e, incluso, para otras Facultades. Si te interesa vivir una experiencia similar a la de Matías, César o Alonso, te invitamos a participar del Programa de IPre. Ingresa a www.ing.uc.cl/gestionipre, revisa las Oportunidades de Investigación disponibles y ¡postula!

The IPre program is open to all UC students.

If you are interested in living an experience like Matías, César or Alonso, we invite you to participate in this program. Go to www.ing. uc.cl/gestionipre, check the available Research Opportunities and apply!

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Pasión por Investigación / 11

Entrevista con Leonardo Vanzi

“No sin esfuerzo, mi pasión se concretó en mi actividad profesional. Es como la realización de un sueño de niño.”

Interview with Leonardo Vanzi

“My passion materialized into my work. Like a childhood dream come true.”

El profesor Leonardo Vanzi con algunos de los integrantes de su equipo y personal del observatorio en su visita al observatorio La Silla para instalar FIDEOS. Professor Leonardo Vanzi with part of his team and observatory personnel during FIDEOS installation in La Silla.

Leonardo Vanzi es Profesor Asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Escuela de Ingeniería y miembro del Centro de Astroingeniería UC (AIUC). Con una carrera dedicada a la investigación astronómica, al desarrollo de nueva instrumentación para la observación astronómica y más de 10 años trabajando en la UC, el Profesor Vanzi nos cuenta acerca de su trabajo en equipo, logros y su pasión por el conocimiento de las ciencias e investigación.

Por Natalia Chubretovic

Leonardo Vanzi is an Associated Professor of the Department of Electrical Engineering at the School of Engineering and member of the UC Center of Astro-Engineering (AIUC). Professor Vanzi, with a career in astronomical research, instrument development for astronomical observation and more than 10 years at UC, he tells us about his teamwork, achievements and passion for science knowledge and research.

By Natalia Chubretovic

12 / Pasión por Investigación

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esde pequeño, Leonardo Vanzi se apasionaba tanto por las estrellas como por la construcción de aparatos tecnológicos y científicos. Persiguiendo esta pasión, el Profesor siguió una carrera en astronomía, que lo llevó a completar sus estudios de Doctorado y postdoctorado en Astrofísica en la Universidad de Florencia. Leonardo ha recorrido importantes instituciones astronómicas como el observatorio Europeo Austral (ESO), participado en numerosos artículos científicos y de difusión, incluyendo la publicación de un libro para niños sobre observatorios y astronomía. En esta entrevista, Leonardo nos cuenta sobre su pasión por la academia y el interés que ha visto despertar en los estudiantes de Ingeniería por la astronomía, astrofísica, instrumentación astronómica e investigación.

ince little, Leonardo Vanzi was passionate for both, the stars and building technological and scientific devices. Following this passion, the Professor pursued a career in astronomy, which lead him to his doctoral and post-doctoral studies in Astrophysics at the University of Florence.

Leonardo has been at important astronomical institutions such as the European Southern Observatory (ESO), published many scientific papers and outreach articles, including a children’s book about observatories and astronomy. In this interview, Leonardo shares his passion for academia and the interest for astronomy, astrophysics and astronomical instrumentation he has seen awoken among Engineering students.

¿Por qué elegiste la astronomía y, en específico, la instrumentación astronómica?

Why did you choose astronomy and, more specifically, astronomical instrumentation?

“Fácil. Yo soy de los que siempre le ha gustado un tema y la astronomía me ha apasionado casi desde que tengo memoria. Dedicarme a esto era mi sueño de niño. A pesar de que tenía varios intereses, todos en el ámbito de la ciencia, la astronomía fue siempre una constante. Como esto venía acompañado de habilidades en matemática y física, entonces lo pude concretar en mi trabajo.”

‘Easy. I’m the type of person with fixed interests and astronomy is something that has been my passion almost since I have memory. Dedicate myself to this was my childhood dream.

Although I had several interests, all of them related to science, astronomy was always there.

Since this passion was accompanied by abilities for math and physics, then I could made it my job.’

“Con la instrumentación fue bien parecido, ya siendo muy chico construía aparatos, una brújula, un barómetro, un termómetro, una radio, una cámara. De esa manera, finalmente mis gustos se concretaron en mi actividad profesional.”

‘Regarding instrumentation, it was very similar.

Even when I was little I built devices like a compass, a barometer, a thermometer, a radio, and a camera. Thus, these interests converged into my professional activity.’

¿Es la investigación una pasión? ¿Por qué elegiste la academia?

Is research a passion? Why did you choose academia?

“Creo que la academia es lo mejor del mundo.

Es un trabajo creativo, sigues aprendiendo y estudiando toda tu vida. Además, tienes la oportunidad de transmitir tu experiencia y conocimiento. De ese modo, contribuyes en el camino de la humanidad hacia el conocimiento y el desarrollo. Independiente del área, es la actividad más maravillosa. A mí me interesa aportar con mis capacidades al avance del conocimiento. Es lo que me mueve, y la academia permite hacer eso.”

‘I think academia is the best in the world. It's a creative work, and you keep learning and studying for all your life. Moreover, you have the opportunity of sharing your knowledge and experience. In that way, you contribute to humanity’s path to knowledge and development. Independent of the discipline is the most wonderful activity. I’m interested in contributing to the advancement of knowledge with my capabilities. This is what fulfills me and academia allows me to do it.’

Passion for Research / 13

¿Cuáles crees que han sido logros más importantes de tu carrera?

In your opinion, which are the most important achievements of your career?

“La parte más gratificante ha sido acá en la UC, aun cuando llevo un tiempo relativamente corto. Después de haber estado años en la institución astronómica más grande del mundo (el Observatorio Europeo) y, a pesar de que los fondos aquí son mucho más escasos, en la UC es donde han estado los resultados más entretenidos e importantes para mí.”

‘The most satisfying part of it has been here at UC, even though I’m relatively new here. After been years at the biggest astronomical institution in the world (ESO) and, even though funds are much more scarce here, at UC I have had the most important and amusing results for me.’

¿Podrías mencionar tres de ellos?

Could you mention three of them?

“En primer lugar, haber construido el primer instrumento astronómico chileno. Quizás exagero en esto porque fue un desarrollo con recursos económicos y humanos muy modestos, donde trabajamos solamente dos personas: un alumno y yo. Con todo, logramos construir e instalar, en un telescopio de la Universidad, un instrumento que aún sigue funcionando y generando resultados que se siguen publicando.

Por esto fue un gran hito.”

‘Firstly, building the first Chilean astronomical instrument. Maybe I exaggerate with this, because it was a project with very modest human and economic resources that involved only two people: a student and me. All in all, we manage to build and install an instrument, in a University’s telescope, which still works and generates publishable results. This is why it was a great milestone.’

“El segundo es un proyecto observacional en el telescopio de la UC. Me sumé a una colaboración internacional, mediante una red de observatorios, para el estudio de cuerpos menores del sistema solar [asteroides y cuerpos más pequeños que los planetas].

Aquí estudiamos el fenómeno de ocultaciones [cuando un cuerpo menor oculta una estrella en su camino] para poder medir tamaño, forma y otros parámetros y descubrimos que uno de estos astros tiene un anillo, como Saturno, lo que fue totalmente inesperado. Este hallazgo le permitió al alumno de Astronomía, Rodrigo Leiva, comenzar su proyecto de doctorado e ir de intercambio a París. Junto con él, publicamos estos datos en la revista Nature, una contribución muy importante e impresionante, ya que trabajamos con un equipamiento modesto y sólo dos personas.

“Por último, el instrumento que construimos más recientemente también es de mis mayores logros. Este proyecto es de otro nivel, más grande y con aporte de muchas personas, todos alumnos. Este proyecto tiene dos aspectos muy satisfactorios: Primero la felicidad de haber logrado un objetivo tecnológico y científico al construir un instrumento de nivel profesional e instalarlo en un observatorio internacional. [haciendo referencia a FIDEOS, el primer y único instrumento chileno instalado en un observatorio internacional]. Segundo, lo bonito de hacer esto con un grupo de alumnos que están

‘The second is an observational project at a UC telescope. I joined an international collaboration, through a grid of observatories, to study small celestial bodies in the Solar system [asteroids and bodies smaller than planets].

We studied occultation phenomena [when a small body blocks a star] in order to study their size, shape and other parameters. Here, we discovered that one of these bodies had a ring like Saturn, which was totally unexpected. This finding allowed Rodrigo Leiva, an astronomy student, to begin his doctoral studies and go to Paris as an exchange student. With him, we published this data in the journal Nature, a very big and impressive contribution, since we work with modest equipment.

‘Lastly, the recently built instrument is also among my greatest achievements. This project was of a different kind, it was larger and with many people contributing, all of them students.

This project has two very satisfying features: firstly, the joy of achieving the technological and scientific challenge of building an instrument of professional level and installing it in an international observatory [referring to FIDEOS, the first Chilean instrument installed in an international observatory]. Secondly, achieving this with a group of students who are also learning in the process. This makes the road towards the final goal much more enriching, because in parallel we are creating a very cohesive group.

14 / Pasión por Investigación

aprendiendo en el proceso. Esto hace el camino hasta el resultado mucho más interesante porque en paralelo estamos construyendo un grupo de personas que trabajan juntas y muy bien.”

Actualmente el equipo del Profesor Vanzi trabaja en el diseño y construcción de un espectrógrafo para el observatorio que pretende instalar en Chile la Universidad de Tokyo. Con este proyecto, se adjudicaron el Fondo Astronomía QUIMAL para el Desarrollo de Tecnologías de la Astronomía Nacional de CONICYT.

Currently, Professor Vanzi’s team is working in the design and construction of a spectrograph to be installed in the observatory that the University of Tokyo is planning to build in Chile. With this project, they were awarded with the Astronomy Fund QUIMAL for the development of technologies for national astronomy from CONICYT.

¿Qué ha significado para ustedes adjudicarse el proyecto QUIMAL?

What does the QUIMAL project means for you?

“En el sentido del financiamiento, ganamos un proyecto súper significativo y esencial para el desarrollo completo del instrumento; ya que el equipo venía en camino desde antes. Ahora, con QUIMAL, vamos a poder completar y concretar el dispositivo. De hecho, sin el financiamiento nunca se habría terminado ni habría salido del laboratorio, pues necesitábamos los recursos para comprar el detector, que es la pieza clave.”

‘It is a very significant fund and essential to complete the project. Thanks to QUIMAL we will be able to make it a reality. Basically we needed the resources to buy the detector, which is a key component for the device.’

“Dado lo importante del proyecto, tuvimos que poner grandes esfuerzos en conseguir el financiamiento, además de todo el trabajo que ya previo. Fue un proceso largo: nada de llegar, postular y ganar. Es el resultado de 10 años de trabajo.”

Además de este equipo, existe una activa colaboración con el futuro observatorio de la Universidad de Tokyo en Chile ¿Cómo ha sido la relación con instituciones internacionales?

“En esta actividad siempre trabajamos con otras universidades e institutos. Tenemos colaboraciones con muchas organizaciones en Chile y afuera. Una de ellas, por ejemplo, nos hace parte de un proyecto muy grande para instalar un instrumento en el VLT [el Very Large Telescope, por sus siglas en inglés, de la ESO en Paranal] donde trabajamos con 10 institutos, 9 de ellos en Europa. Aparte, ahora que contamos con el financiamiento de QUIMAL trabajamos con Japón, concretamente con la Universidad de Tokyo.”

‘Given the importance of this project, we had to make great efforts towards getting funded, plus all the previous work. It was a long process, not just applying out of the blue. This is the result of ten years of work.’

In addition to this team, you have an extensive collaboration with the future observatory of the University of Tokyo. How is your relation with international institutions?

‘In this field we always work with other universities and institutes. We have collaborations with many organizations in Chile and abroad. For example, one of them has involved us in a big project to install an instrument in the VLT [very large telescope at ESO in Paranal] where we work with 10 institutes, 9 of them in Europe. In addition to the University of Tokyo we have collaborators in Europe, Australia, the US.’

Cuéntanos de la historia y tu rol en el AIUC ¿Qué trabajo se realiza en tu área?

Tell us your story and the role you play in the AIUC Center. How is your field growing?

“El centro es una iniciativa que partió de

‘The center is an initiative that started from

Passion for Research / 15

Algunos de los integrantes del AIUC (Centro de Astro Ingeniéria UC) Some members of the AIUC Center (from the Spanish Centro de Astroingeniería UC)

un sueño. Fundamentalmente buscaba aprovechar las condiciones que Chile tiene para la astronomía. Algunos supieron ver cómo en las últimas décadas el crecimiento en lo observacional había sido muy grande, pero no así en el área tecnológica, y pensaron que esta era una buena oportunidad para hacer valer aún más las condiciones chilenas.”

“El centro hace varias cosas y yo me encargo de una de ellas. Está el área de computación, dedicada al procesamiento de datos y a las simulaciones, donde trabaja el prof. Nelson Padilla de Astronomía con un grupo de alumnos. Además, hay un laboratorio de ondas milimétricas (microondas) impulsado por Rolando Dünner, en el que también trabajan estudiantes. Por último, el centro tiene un área de instrumentación óptica infrarroja, donde yo trabajo.”

a dream. Basically, it sought to exploit the conditions Chile has for astronomy. Some were able to see that the growth in astronomical observations during the last decades was really big, unlike the area of technology. Thus, they thought it was a good chance to take further advantage of Chilean conditions.’

‘The center does many things and I am in charge of one of them. We have the computing area dedicated to data processing and simulations.

Here, the Astronomy Professor Nelson Padilla works with a group of students. We also have a milimetric waves (microwaves) laboratory driven by Rolando Dünner, which also has students working. Andres Guesalaga develops Adaptive Optics and, last but not least we have the area of optical and infrared instrumentation where I work.’

“En pocas palabras, el camino del centro, con tres áreas que van todas en la misma dirección de aprovechar las condiciones naturales de Chile para la astronomía, que tienen cooperaciones internacionales, buscan colaboraciones con la industria y forman personas.”

‘To put it in few words, the mission of the center, and its coordinated areas, is to exploit the natural conditions of Chile for astronomy, to establish international collaborations, relationships with the industry and to train people.’

¿Trabajas con estudiantes de pregrado en tus proyectos? ¿De qué carreras?

Do you work with undergraduate students?

What colleges are they from?

“Trabajo con estudiantes de pregrado de muchas partes, lo cual no ha sido fácil. Aun cuando partí solo, actualmente somos en promedio unas

‘I work with undergraduate students from many places, which hasn’t been easy. Although I started by myself, by now we have around

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Observatorio La Silla, donde el equipo de instrumentación del AIUC instaló FIDEOS, el primer espectrógrafo de desarrollo Chileno acoplado a un telescopio internacional.

La Silla observatory, where the AIUC team installed FIDEOS, the first spectrograph developed in Chile for an international telescope.

12 – 15 personas, considerando a los estudiantes en práctica. Ahora puedo decir que tengo un grupo estupendo, formado por alumnos de pregrado tanto de ingeniería como de astronomía, estudiantes de postgrado e investigadores de postdoctorado.”

12 – 15 people, considering students in practice.

Now I can say I have a wonderful group, formed by undergraduate students from Engineering and Astronomy, graduate students and also postdoctoral researchers.’

“La procedencia y la formación de estas personas es muy variada, con gente de la UC y otras universidades, tanto chilenos como extranjeros.

No obstante, comparten el interés por la ciencia y la instrumentación, todo motivado por el conocimiento.”

‘The origin and background of these people is varied, with people from UC and other universities, including Chileans and foreigners.

However, they all share the interest for science and instrumentation, all motivated by knowledge.’

Es un grupo muy diverso ¿Qué otros intereses existen más allá de la investigación y la creación de equipamiento?

It is a very diverse group. What other interests, beyond research and equipment development, exist in this group?

“Somos un grupo joven, o sea no hay mucho historial en ese sentido. Sin embargo, los caminos son varios. Por ejemplo, uno de los alumnos de magíster que trabajó con nosotros ahora está haciendo un doctorado en Alemania y un postdoc que estuvo aquí ahora trabaja en la ESO. Los que se han formado aquí tienden a seguir trabajando o estudiando en el área, ya sea con nosotros o fuera, porque son gente muy motivada.”

‘We are a young group, thus we don't have much experience in that sense. However, the paths are several. For example, one of the master students that worked with us is now doing a PhD in Germany, and one of our postdocs now works at ESO. The people we have trained tend to keep working or studying in this field, either here or abroad, because they are highly motivated people.’

¿Cómo ves el interés por la astronomía y el desarrollo de tecnologías en los alumnos de la UC?

How do you see the interest for astronomy and technology among UC students?

“Primero que nada, no quiero que mi opinión suene como crítica, porque yo estoy muy contento

‘First of all, I don’t want to be judgmental because I’m very happy to be in Chile and at UC. However, I thing that Chile doesn’t have

Passion for Research / 17

de estar en Chile y en la UC. Sin embargo, pienso que Chile no tiene una cultura científica, así como la tenemos en Europa... Es obvio ¿no? En Europa hay una tradición de cientos de años que se funda sobre personajes como Newton y Galileo que impulsaron el desarrollo científico y tecnológico, algo que evidentemente en Chile no existe. Yo veo que son relativamente pocos los estudiantes que consideran las ciencias en su horizonte de formación y menos aún en el laboral. Esto es un tema bastante común al país. Para la mayoría, el doctorado, la academia o la investigación no son opciones a considerar. En cambio, existen otras áreas laborales muy consolidadas y esas sí están dentro del panorama de los alumnos que, muchas veces, tienen conocidos o familia que trabajan en estos temas (minería, energía, construcción). Esto de la astronomía les parece algo muy exótico.”

a scientific culture as we do in Europe… its obvious, isn’t it? In Europe there is a culture of hundreds of years founded on people like Newton and Galileo, who pushed scientific and technologic progress. This, evidently, does not exist in Chile. Students that consider science within their options for studies to be relatively few, let along a career in this. Thus, for most, pursing a PhD or working in academy or research aren’t options to be considered. Instead, there are other occupations pretty consolidated and more familiar, like jobs in mining, energy or construction. These are actually within the student’s reach when considering career options.

Astronomy is something quite exotic for them.

¿Crees que investigar desde el pregrado pueda jugar un papel importante en cambiar esta percepción?

Do you thing that undergraduate research can help changing this perception?

“Si, de todas maneras. Se trata de meter la ciencia en su horizonte. Es interesante que los jóvenes participen en un grupo de investigación con trayectoria. Es una muy buena oportunidad para hacer cosas que, justamente, se alejen un poco de lo que los alumnos tenían pensado como actividad del ingeniero. También se ven expuestos a una dimensión distinta, internacional y de trabajo en equipo. Todo eso hace de la investigación en pregrado una experiencia muy positiva.”

“Y claro, la investigación en pregrado siempre es difícil. Principalmente porque el tiempo es poco y hay presión por los cursos. Esto se suma a que son personas que todavía no tienen mucha preparación en el trabajo científico. Sin embargo, he visto que se vinculan muy bien con nosotros y he tenido varios casos de alumnos que han comenzado muy jóvenes en el laboratorio y que finalmente terminan en magíster o doctorado.”

“Creo que la cultura científica es algo que se va construyendo en el tiempo. Cuando yo llegué y tenía mi primer alumno, le planteé la oportunidad de irse a Estados Unidos a trabajar con unos colaboradores, pero él se asustó. Con el tiempo, experiencias como pasantías se harán cada vez más comunes. Ahora la sociedad se mueve muy rápidamente hacia una mucho más abierta, donde recibimos influencia de todas partes en distinto idioma y cultura. Así, todo va creciendo de a poco, incluyendo los alumnos y los jóvenes chilenos, que van madurando nuevos intereses y perspectivas.”

‘Yes, definitely! It’s all about putting science among the students’ options. Having young people participating in a research group with trajectory is interesting. This is a good chance to do things that aren’t typically considered within the range of activities for an engineer. They also are exposed to a different environment, of teamwork with international teammates.

Together, this makes undergraduate research a very positive experience.’

‘Indeed undergraduate research is difficult.

Mainly because time is scarce and there is pressure from courses. Also, these students don’t have much preparation for scientific work yet.

However, I’ve seen that they fit very well with us, and I’ve had cases of students that start very young in the group that end up pursuing a master or doctorate degree.’

‘I believe scientific culture is something to be built with time. When I got here and had my first student, I offered him the opportunity to go to USA and work with some collaborators, but he got scared. With time, I think experiences like these internships abroad will be ever more common. Nowadays, society is quickly moving to a more open scenario and we are influenced from all around in different languages and cultures. This enriches our mindsets and includes young people and students, who will mature into new interests and perspectives.’

18 / Pasión por Investigación

Después de que instalen el instrumento en el que están trabajando ahora ¿Tienes más proyectos en mente?

Do you have other projects in mind after the installation of the equipment you are currently working on?

“Claro que sí. Tengo más proyectos que tiempo para realizarlos. Además, la mayoría de nuestros proyectos son de mediano o largo plazo. Los de instrumentación, por ejemplo, se desarrollan entre 5 y 10 años. Actualmente, además de estar trabajando en los instrumentos para el telescopio japonés, vamos a entrar en la etapa de producción científica del proyecto FIDEOS, que acabamos de instalar en el observatorio La Silla. Eso espero que tenga un período productivo de 10 años o más.

En esta etapa, el grupo trabaja en el observatorio adquiriendo y analizando datos. Es un proceso que no tiene fin.”

‘Yes, of course! I have more projects than time to work on them. Moreover, most of our projects are medium or long-term. For example, the instrumentation projects take between 5 to 10 years. Currently, besides working on the instrument for the Japanese telescope, we’re about to enter the scientific production stage of the project FIDEOS, that we just installed in La Silla observatory. I hope that this will have a productive period of about 10 years. In this stage, the group will work on the observatory acquiring and analyzing data. This is a neverending process.’

“Aparte tenemos el proyecto del VLT que debería instalarse el 2020 y ahí comenzar su etapa de observación. Otro proyecto pensado es para el telescopio gigante (de 39 metros) del Observatorio Europeo. Ese es un proyecto que tiene un plazo de aquí a 20 años.”

‘Aside, we have the VLT projects that should be installed on 2020, just to start its observational period. Another project I have thought is for the giant telescope [a 39 m wide telescope] from the European Observatory. That's a project to be done 20 years from now.’

“Como ven, hay mucha iniciativa y mucho trabajo por venir. Sin embargo, también depende de los recursos que recibamos porque sí hay muchas ideas, iniciativas, entusiasmo, pero solo podemos concretar lo que tenga financiamiento. Esto es parte de la realidad del investigador”.

‘As you see, there is a lot of initiatives and much work to come. However, this also depends on the funding we can get. We have several ideas, and great enthusiasm, but we can only achieve what we get funded. This is part of the reality of research.’

PhD en la empresa / 19

Entrevista a Juan Carlos Germain, Gerente de I+D de Chile Botanics

El nuevo foco de la Industria Alimenticia: I+D para un mejor futuro Interview with Juan Carlos Germain, R&D manager at Chile Botanics

The new focus in food industry: R&D for a better future

Laboratorio de desarrollo de nuevos ingredientes, en las dependencias de Chile Botanics, NATUREX en Chile.

Fuente: Editorial.

Laboratory for new ingredient development at Chile Botanics, NATUREX, Chile. Source: Editorial.

Juan Carlos Germain, Ingenierio Civil UC con mención en Bioprocesos, realizó su Magister y PhD en la Escuela de Ingeniería. Actualmente, como Gerente de Investigación y Desarrollo (I+D) de Chile Botanics, nos cuenta como profesionales con experiencia en la academia pueden aportar su potencial a la industria en Chile.

Por Felipe Castillo Placencia

Juan Carlos Germain, Civil Engineering on Bioprocesses, completed a Master and PhD at UC School of Engineering. Current manager of Research and Development (R&) in Chile Botanics, he shares with us how professionals with experience within academia can contribute to Chilean industry.

By Felipe Castillo Placencia

20 / PhD en la empresa

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¿Qué te llevó a elegir tu área de especialización (Bioprocesos), mientras estabas en la carrera? ¿Qué captó tu atención?

While an undergraduate, what made you choose your area of specialization (Bioprocesses)? What caught your attention?

“Generalmente lo que nos lleva es el tanteo, porque en primer año uno no parte sabiendo lo que quiere hacer. Entonces en tercer año, tomé el curso de procesos químicos, (…) y me motivé por el tema de seguir la especialidad.”

‘What generally drive us is trial and error, because during the first years you don’t typically know what do you want to do. Then, on my third year I took the chemical processes class, (…) and this was the motivation for specialization.’

Juan Carlos añade que el curso lo dictó el profesor José Manuel del Valle, quién luego sería su profesor de Magister y su mentor en investigación. “Para tratar de contestar mejor tu pregunta, se me dio bien ese tema. El curso era complicado, me hacía pensar harto, pero el tipo de razonamiento y contenido del curso me gustó. Al final, eran los principios básicos de cómo operan muchos procesos en ingeniería, en relación a la conservación de materia y energía”, agrega.

Juan Carlos adds that Professor José Manuel del Valle, who will later become his Master’s thesis advisor and research mentor, taught this course. ‘In order to try to better answer your question, this was an easy topic for me. The class was hard and made me think a lot, but I liked this course and type of reasoning. In the end, it was about the basic principles of how many engineering processes operate, related to mass and energy.’

¿Fue el doctorado una meta siempre presente?

Was the PhD an always-present goal for you?

aturex es una compañía botánica internacional y Chile Botanics es una de sus divisiones dedicadas a la industria alimenticia, con oficina en Santiago de Chile. Aquí, Juan Carlos Germain dedica sus horas de trabajo en impulsar la investigación para el desarrollo y crecimiento de la empresa, lo que significa un desafío constante y llamativo, pues corresponde a un punto de encuentro entre la industria y la academia, hacia un desarrollo tecnológico a beneficio de la sociedad.

“No, no siempre fue una meta, cuando entré a ingeniería no lo era. Aprendí en el camino. Fue una apuesta entre muchas apuestas.”

Al consultar sobre este desafío, Juan Carlos comenta que: “Para bien o para mal, hice todo en la UC (magister y doctorado). Fui relativamente buen alumno, con lo que rápidamente los profesores te motivan para entrar a un post-grado. Entonces trabajé harto con José Manuel, fui ayudante de varios cursos, me destaqué ante otros profesores de la carrera y fue dándose todo. Luego, surgió la idea de hacer el magister con el objetivo de diferenciarme profesionalmente. Al término, uno se cuestiona: ¿hago o no el doctorado?”

Juan Carlos relata su experiencia de tesis doctoral: “Al finalizar el doctorado, en una visita de ejecutivos de NESTLÉ en Chile, se

aturex is an international botanics company and Chile Botanics is one of its divisions dedicated to food industry, with an office in Santiago. Here, Juan Carlos devotes his time to promote and push research for the development and growth of the company. This is a constant challenge, because here is where industry and academia meet with aims towards a technological development to the benefit of society.

‘No, it wasn’t. It certainly wasn’t when I started engineering. It was something I learnt along the way, it was a bet among many bets.’

When asking about this challenge, Juan Carlos says that: ‘For better or worse, I did everything at UC Engineering (MSc and PhD). I was a relatively good student; thus, the professors tried to motivate me to go into graduate school.

Then, I worked a lot with José Manuel, I was teacher assistant on many classes, and I was noticed by other professors. Then, the idea of doing a Master’s degree appeared in order to professionally differentiate myself. By the end of it, you question yourself: should I do a PhD?’ Juan Carlos shares his experience on the doctoral thesis: ‘By the end of the PhD, during a visit of NESTLÉ executives in Chile, they got interested on my thesis subject. Thus, I moved to Switzerland to test this work, which lead me

PhD in the industry / 21

interesaron en la temática de mi tesis. Así, me trasladé a Suiza para evaluar el trabajo, con lo cual realicé investigaciones junto a otros profesionales de áreas muy diversas. Fue mi experiencia más enriquecedora. Entonces, volviendo a tu pregunta, creo que todo este camino se forjó por múltiples oportunidades a lo largo del tiempo.” ¿Tu trabajo hoy, está relacionado con la tesis que desarrollaste en el PhD? Juan Carlos comenta que al realizar un postgrado, se estudia una tesis que abarca una hipótesis específica y se aprende una forma de trabajar, lo que él destaca como “una columna vertebral”.

Respecto a su trabajo actual: “Hoy me relaciono con diferentes profesionales, desde un veterianario que trabaja en gestión animal hasta la parte nutracéutica, asuntos que no tienen nada que ver con mi tesis doctoral”. Agrega que la estructura del trabajo en investigación en academia e industria son similares, se basan sobre los mismos conceptos fundamentales.

Luego, al regresar a Chile, Juan Carlos consiguió ingresar en una empresa de nutrición animal que estaba buscando gestor de investigación.

“En ese minuto, para desempeñar mi labor, fue fundamental la existencia de varios fondos, que actualmente existen aún. Esto ha fomentado la inserción del capital humano avanzado en la industria. En ese entonces, creo que fui el segundo concurso CONICYT de inserción” recalca.

“Así, entré con el rol de armar el área de investigación para la empresa con proyectos que ya tenían más o menos armados. Entonces postulamos a CORFO y en octubre de ese año estaba insertado en la empresa. (…) Ahí aprendí mucho a trabajar con el tema de CORFO, los financiamientos a nivel nacional y sobre cómo aplicar I+D fuera de la academia.” ¿Orientaste siempre el PhD al trabajo en la Industria?

“Cuando hice mi doctorado no lo hice con el foco en la industria. Sin embargo, siento que toda persona que tenga la idea de profundizar a nivel de post-grado debe observar el lado de aplicabilidad. Esto te aterriza bastante, como también acota los proyectos que quieres hacer.

Te conduce a las preguntas ¿cómo lo llevo

to do research together with other professionals from many disciplines. It was a very enriching experience. But coming back to your question, I think all this path was forged by multiple opportunities throughout time.’

Is your job today related to your PhD thesis?

Juan Carlos says that when you go to graduate school you work on a thesis that encompasses a specific hypothesis, but what you learn is a way of working, one that he highlights as ‘a backbone.’

Regarding his current job: ‘Today I relate with different professionals, including a veterinary that works in animal management for nutraceutics, something that has nothing to do with my doctoral thesis’. He adds that the work structure in academia and industry are similar, they are base on the same fundamental concepts.

Then, after his return to Chile, Juan Carlos started at an animal nutrition company that was looking for a research broker. ‘At this point, in order to do my job properly, the existence of public funding was key, funds that are still available. This has promoted the insertion of advanced human resources into the industry. I think I applied to the second call of the insertion grant from CONICYT’, he adds.

‘Thus, I came with the role of putting together a research area for the company with projects that were more or less pieced together. Therefore, we applied to CORFO and in October of that year I was already inserted at the company (…) Here I learnt a lot about CORFO, national funds and how to apply R&D outside the academia.’

Did you always orient your PhD work towards the industry?

‘When I did my PhD thesis it wasn’t focused on the industry. However, I think that any one who wants to pursue graduate studies should bear in mind the applicability of what they are doing.

This helps you to ground your ideas, and also delimits the projects you want to undertake. It leads you to the questions like: How do I take this (your thesis) to something real? How does

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(el estudio o tesis) a algo realista? ¿cómo mi investigación puede beneficiar a la sociedad?

Y es algo que aprendí con el tiempo, no es algo que medité durante el desarrollo de mi tesis. De modo que estar cerca de lo teórico da beneficios y acercarse a lo práctico, también.”

my research benefits society? This is something I learnt through time, not something I reflected during my thesis work. In a way, being close to the theory brings you benefits, but so does being practical as well.’

¿Cómo es trabajar junto a un grupo multidisciplinario?

How is it working with a multidisciplinary team?

“En la industria, tengo dos experiencias. La primera, en NESTLÉ, éramos grupos grandes y yo pasaba a formar parte de los investigadores y no dejaba de ser complejo por el hecho de trabajar en un grupo humano grande. Por lejos lo más enriquecedor ha sido poder trabajar con gente de distintas disciplinas y aprender de ellos, desde fisicos-teóricos hasta gente super aplicada.

NESTLÉ era todo un mundo.”

‘In industry I have two experiences. The first one in NESTLÉ, we were working in large groups and I was part of the research team. It was a bit complex due to the big size of the human group.

By far, the most enriching was being able to work with people from different disciplines and learn from them, from theoretical physicists, to really applied people. NESTLÉ was a world on itself.’

Agrega, “La segunda experiencia, NATUFEED, trabajamos en un concepto –que no sé si está bien o mal acuñado– de ‘innovación abierta’ con postulaciones a fondos concursables y fuentes de financiamiento.”

Actualmente Juan Carlos trabaja en Chile Botanics, que pasó a formar parte de NATUREX desde el año 2013 iniciando una etapa de desarrollo de investigación aplicada.

“Naturex tiene 15 fábricas a nivel mundial, y al unirse se dieron cuenta (Chile Botanics) que no podían ir a la velocidad de una empresa tan grande, con lo que decidieron invertir recursos en I+D.” Juan Carlos comenta: “Lo entretenido es que mi rol es, por una parte, técnico, y, por otra parte, formar un equipo de trabajo. Al buscar gente con perfiles distintos se aprende mucho.”

Finaliza enfatizando que hoy se encuentra a la cabeza de la unidad de investigación de Chile Botanics con diferentes tareas desde la gestión hasta la investigación, con un equipo de trabajo multidisciplinario entre ellos: un ingeniero en

Then he adds, ‘The second experience was NATUFEED. Here we worked with the concept of “open innovation”, which I don’t know it its properly coined. Here, we applied to public funding and financing sources.’

Currently, Juan Carlos works in Chile Botanics, which is part of NATUREX since 2013, and he is starting a stage of applied research development. ‘NATUREX has 15 factories around the world, and upon merging they realized (Chile Botanics) that they weren’t going to be able to keep the pace of such a big company, so they decided to invest resources in R&D.’ Juan Carlos says: ‘The fun part is that my role is, on the one hand, technical, and on the other, is about team building. When you look for people with different profiles you learn a lot.’

He ends by emphasizing that he is a the top of the research unit of Chile Botanics with different roles, ranging from management to research in a multidisciplinary team that includes a food engineer, a pharmaceutical chemist, and a veterinarian, with whom he

Más información en www.naturex.com o el sitio www.chilebotanics.cl.

More information at www.naturex.com or the web www.chilebotanics.cl.

PhD in the industry / 23

alimentos, químico farmacéutico, veterinario, otros, con quienes comparte experiencias interesantes.

shares different experiences.

¿Cuáles son las líneas de desarrollo de investigación en su empresa?

What are the research lines at your company?

“Hoy en Chile Botanics, tenemos dos líneas principales: por un lado, aplicaciones de alimentos en un laboratorio específico; y desarrollo de ingredientes por otro. Cuando digo aplicaciones, un ejemplo básico de aplicación es una mayonesa vegana. En desarrollo de ingredientes, tomamos un compuesto natural, por ejemplo, y obtenemos un color o pigmento para aplicaciones en otros productos.”

‘Today at Chile Botanics we have two major lines.

On the one hand, food applications at a specific lab; and on the other, ingredient development.

When I say food application, an example would be the development of a vegan mayonnaise. As for ingredient development, we take natural compounds like color or pigments, for example, to use in other product applications.’

¿Cómo se conecta el método científico con la innovación en tecnologías para alimentos?

How does the scientific method connects with innovation in food technologies?

Juan Carlos comenta que hay diferentes tipos de trabajo en las tecnologías para alimentos.

“Por ejemplo, en el tema de ingredientes, partes con un diseño, planteas la hipótesis y funciona bastante parecido al método cientifico en el ámbito académico. La diferencia está en que la ejecución de ese plan de trabajo va directamente ligada con el interés comercial y la aplicación del producto. Vuelvo al ejemplo del pigmento, si desarrollo una formula de un color, defino una formulación y lo planteo como una investigación académica, pero debemos agregar el factor de costos y su comparación con posibles competidores de este mismo producto, entre otros aspectos.”

Juan Carlos says that there are different types of jobs in food technology. ‘For example, regarding ingredients, you start with a design, you raise a hypothesis and it works pretty similar to the scientific method within academia. The difference is at the execution of that work plan and its relation to the commercial interest and eventual product application. Going back to the pigment example, I can develop a color formula, define its formulation and state it as an academic research process. However, we need to add cost factors and its comparison with eventual competitors for this same product, among other things.’

Juan Carlos indica que “el driver” de la investigación es distinto, pues para ejecutar un plan de trabajo, éste es evaluado por una unidad de negocios que valida si ‘tiene o no sentido efectuarlo’.

Juan Carlos says that ‘the driver’ for research is different, because in order to execute the work plan, this has to be evaluated by the business unit that validates ‘if the execution of this plan makes sense.’

¿Qué es lo más estimulante de su empresa, que conjugue innovación e investigación?

What is the most exciting part that mixes innovation and research in your company?

“Puede ser cotidiana mi respuesta, pero es muy cierto. Lo más entretenido es ver que ‘algo’ se transforma en un producto, es decir, el desarrollo de un producto que a un cliente le gustó y lo quiere usar.”

‘Although my answer might seem mundane, it is very true. The most exciting is seeing how “something” transforms into a product; meaning, the development of a product that the client likes and wants to use.’

En Chile, hay personas que consideran que un PhD es algo distante, con poca aplicación en la industria y propio de académicos. ¿Qué comentarías basado en tu experiencia?

In Chile there are people that think the PhD is very distant, without much application and excusive of the Academia. What would you say about this based on your experience?

“Cómo te decía anteriormente, mi interés está en acercar académicos o investigadores a la

‘As I said early, my interest is in getting the academics or researchers closer to the industry

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Instrumental en el Laboratorio de Ingredientes de Chile Botanics. Fuente: Editorial Instrumentation at the Ingredients Laboratory in Chile Botanics. Source: Editorial.

Industria para abrir un nuevo campo para los profesionales con post-grado.” Argumenta que, en su caso particular, tuvo la oportunidad de trabajar en I+D fuera de Chile lo que ha dado un valor agregado a su trabajo actual.

in order to open a new field for graduated professionals.’ He argues that he had the chance to work on R&D outside Chile, which has added value to his current work.

Los primeros meses de este año, 2018, la Asociación Nacional de Investigadores en Posgrado ANIP realizó la segunda encuesta de “inserción de investigadores científicos 2018” los resultados señalan que el 79% se desempeñan mayoritariamente en universidades, y un 5,2% en menor cantidad, en empresas ¿Qué opina de estas cifras? ¿Considera que el Ministerio de Ciencias mejoraría esta situación?

At the beginning of 2018, the National Association of Graduate Researchers (ANIP) made a survey on “scientific research insertion 2018” and showed that 79% are working in universities, while 5,2% are working in companies. What is your opinion on these figures? Do you think a Ministry of Science could improve this?

“Es una realidad. A mucha honra me siento un ‘bicho raro’. Creo que, por nuestra madurez industrial, a nivel país, se observa el desconocimiento del empresariado sobre el aporte que otorgaría la investigación a diferenciar sus productos. Falta considerar la investigación más como una inversión a mediano y largo plazo, que un gasto o incentivo para el reconocimiento empresarial” En relación al Ministerio, Juan Carlos agrega: “Yo creo que sí. Debiese generar más consciencia, es todo un tema de visibilidad.

El dedicar gente en un 100% a fomentar la ciencia y tecnología dará más visibilidad a este tema a nivel nacional, sobre todo al ámbito

‘This is a reality. Very proudly, I consider an odd one myself. I think that, due to our industrial maturity, we can observe some ignorance from national companies about the value research can add to their product differentiation. Research needs to be considered more as a medium to long range investment, rather than and incentive for company recognition.’

In relation to the Ministry, Juan Carlos adds: ‘I think yes. This should create more consciousness; it is mostly a visibility issue.

Dedicating people 100% to promote science and technology should increase visibility at a national level, especially within businesses.

Then, the potential for growth in R&D should be tremendous (…) There are few business men that have recognized the amount of opportunities we

PhD in the industry / 25

empresarial. Luego, el potencial de crecimiento de I+D debiese ser tremendo (…) Son pocos los empresarios que han reconocido la cantidad de oportunidades que tenemos a nivel de país en temas de investigación, (…) que apuestan por la investigación no por un capricho sino por un deseo de crecimiento, y que ese deseo de crecimiento navegue a favor de la sociedad.”

have in research at the national level, (…) that vouch for research not because of a whim, but due to a wish for growth, growth in favor of society.’

¿Qué evaluación hace respecto a la industria de I+D en términos de estado, potencial y avances?

What do you think about the R&D industry, its current status, potential and advances?

“En Chile siempre nos hemos quejado que somos exportadores de materia prima, pero ese es el tema: no tenemos por qué seguir vendiendo materia prima si podemos vender productos diferenciados con valor agregado. Lo interesante es que lo hagamos nosotros, en Chile.”

‘In Chile we have always complained that we are exporters of raw materials, but we don’t have to be; that is the issue. We don’t have to keep selling raw materials if we can sell differentiated products with added value. The interesting part is to do it ourselves, in Chile.’

Juan Carlos destaca que, mediante CORFO, se gestionan proyectos colaborativos entre empresas y académicos. En esta línea indica: “el proyecto IFAN de Ingredientes Funcionales y Aditivos Naturales, en el cual somos una de las empresas beneficiaras. Por ejemplo, hace poco estuvimos con un equipo investigadores de Biología UC. Ellos han trabajado toda su vida en la academia y se desempeñan muy bien, pero no saben cómo llevar un producto a la venta.

Entonces, ¿cómo nos ayudamos mutuamente?, la respuesta está en que conexión enriquecedora es un gran avance. El tema de vincularnos nos va dando visibilidad de conectarnos en otros temas, lo que me permite afirmar que el tema de I+D avanza en Chile.”

Juan Carlos highlights that through CORFO it is possible to manage collaborative projects between companies and academics. In this line, he adds: ‘In the IFAN project for Functional Ingredients and Nutraceutics, we are one of the beneficiary companies. For example, not long ago, we had a meeting with researchers from UC Biology. They have worked their entire life in academia and are really good, but they don’t know how to sell a product. Then, how do we help each other? The answer is that this enriching connection is a great advance. Being able to interact with each other gives us visibility and the possibility to connect on other areas.

This is what makes me state that R&D is moving forward in Chile.’

08 Investigaciones de alumnos Students’ research

“La educación científica de los jóvenes es al menos tan importante, quizá incluso más, que la propia investigación.”

“The education of young people in science is at least as important, maybe more so, than the research itself.”

- Glenn Theodore Seaborg Premio Nobel Química, 1951

28 / Investigaciones de los alumnos

Purificación y mutagénesis del factor de transcripción de genes de virulencia bacteriana RfaH Purification and mutagenesis of the transcription factor of bacterial virulence genes RfaH Camila Pavesi Contreras1, alumna de 2° año.

César A. Ramírez-Sarmiento1, profesor asistente.

José Alejandro Molina Ramírez1, asistente técnico.

Camila Pavesi Contreras1, 2nd year student.

César A. Ramírez-Sarmiento1, assistant profesor.

José Alejandro Molina Ramírez1, technical assistant.

1 Instituto de Ingeniería Biológica y Médica, Escuela de Ingeniería, Escuela de Medicina y Facultad de Ciencias Biológicas, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: cesar.ramirez@uc.cl

1 Institute for Biological and Medical Engineering, School of Engineering, School of Medicine and College of Biological Sciences, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author: cesar.ramirez@uc.cl

Students’ research / 29

RESUMEN

ABSTRACT

RfaH es un factor de transcripción involucrado en la virulencia de Escherichia coli. Esta proteína es metamórfica, de donde nace la relevancia de su estudio.

El objetivo de este trabajo es purificar el dominio metamórfico, que corresponde a la región carboxiloterminal o CTD, para estudiarlo de forma aislada. Para ello, se realizó mutagénesis de la secuencia de ADN codificante para RfaH, se transformó el material genético en Escherichia coli, se expresó la proteína y finalmente se purificó mediante cromatografía de afinidad a níquel. El producto obtenido puede utilizarse para construir curvas de estabilidad de la proteína y avanzar la comprensión de su transformación estructural.

RfaH is a transcription factor involved in Escherichia coli virulence. This is a metamorphic protein, thus the relevance of its study. The aim of this research is to purify the metamorphic domain, corresponding to the carboxy-terminal domain (CTD), for isolated study. To perform this, DNA mutagenesis of the coding sequence for RfaH was performed, then the genetic material of Escherichia coli was transformed, the protein was expressed and ultimately purified by nickel-affinity chromatography. The purified product can then be used to construct protein stability curves and advance in the comprehension of its structural transformation.

Palabras clave: RfaH, factores de transcripción, proteína metamórfica, cromatografía de afinidad a iones metálicos.

Key words: RfaH, transcription factors, metamorphic protein, metallic ion affinity chromatography.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

RfaH es un factor de transcripción de Escherichia coli, el cual está involucrado en regulación de fenotipos asociados a virulencia bacteriana (Gao et al., 2013). Esta proteína es de tipo metamórfica, es decir, tiene la capacidad de modificar su estructura tridimensional y con ello realizar distintas actividades (Knauer, Rösch , & Artsimovitch, 2013), lo cual junto a su función en la virulencia bacteriana determina la importancia de su estudio. Cuando está inactiva, su región carboxilo-terminal se encuentra en estructura horquilla HÉLICE ALFA. Sin embargo se puede producir un cambio conformacional en el cual la región carboxilo-terminal pasa a ser BARRIL BETA. Esta transformación le permite actuar efectivamente como factor de transcripción, además de coordinar físicamente la transcripción con la maquinaria celular responsable de la traducción del ARN en proteínas. RfaH tiene una masa molecular de 20.5 kDa, de los cuales su región metamórfica CTD abarca 6.5 kDa. La proteína transcribe genes que provocan que E. coli sea virulenta, tales como rfbB (expresión del antígeno O que se ubica en la membrana externa bacteriana) y rfaS (biosíntesis de lipopolisacáridos centrales) (Artsimovitch & Landick, 2002). El objetivo de esta Investigación en Pregrado fue el aprendizaje de las distintas etapas y técnicas requeridas para la purificación de una proteína recombinante, tomando como modelo de estudio a RfaH. El proceso puede dividirse en dos categorías principales, en primer lugar trabajo y preparación de ADN recombinante y en segundo lugar expresión y purificación de proteína.

RfaH is an Escherichia coli transcription factor that is involved in the regulation of bacterial phenotypes associated to virulence (Gao et al., 2013). This is a metamorphic protein, which means that it has the capacity of modifying its tridimensional structure and, thus, to perform different activities (Knauer, Rösch , & Artsimovitch, 2013). This, along with its role in bacterial virulence, highlights the relevance of understanding its function. When inactive, the CTD region is folded in an ALPHA HELIX structure.

However, a conformational change can be induced which transforms the CTD to a BETA BARREL fold. This transformation allows its activity as a transcription factor and also as a physical coordinator of the DNA transcription with the cellular machinery responsible of ARN translation into proteins. RfaH has a molecular weight of 20.5 kDa, of which the CTD encompasses 6.5 kDa. This protein transcribes genes responsible for E. coli virulence, such as rfbB (O-antigen export system ATP-binding protein RfbB, located in the external bacterial membrane) and rfaS (Lipopolysaccharide core biosynthesis protein RfaS) (Artsimovitch & Landick, 2002). The aim of this study was to learn about the different technical steps required for the purification of a recombinant protein, using the RfaH factor as study model. The process can be divided in two categories: first, the manipulation and preparation of the recombinant DNA; and, second, protein expression and purification.

30 / Investigaciones de los alumnos

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2. MATERIALS AND METHODS

2.1. Trabajo y preparación de ADN

2.1. DNA manipulation and preparation

Mutagénesis del carboxilo terminal de RfaH. Según el dogma de la biología molecular, a partir del ADN se transcribe a ARN, el cual se traduce a proteínas. Por tanto, se hace necesario extraer el material genético codificante para una proteína, para expresarla y estudiarla en condiciones aisladas y controladas. El primer paso a seguir para ello es la adquisición de la secuencia del gen codificante para RfaH en un vector para la portabilidad y expresión controlada del material genético, correspondiente a un plasmidio.

En nuestro caso se trabajó exclusivamente con la región carboxilo-terminal del factor de transcripción RfaH, o RfaH-CTD, el cual se encuentra en un vector plasmidial pET28a-His-GB1.

RfaH CTD mutagenesis. According to the molecular biology dogma, from DNA, RNA is transcribed, leading to protein translation. Thus, in order to express a protein for isolated and controlled study, the extraction of its coding genetic material is needed. The first step to do this is the acquisition of the coding sequence for RfaH into a plasmidial vector for transport and controlled expression of the genetic material. Herein, the CTD domain of RfaH, termed RfaH-CTD, was exclusively used and imported into the plasmidial vector pET28a-His-GB1.

Para explorar el rol de distintos residuos de una proteína en su función biológica, o para poder utilizar ciertos aminoácidos como puntos de referencias para estudiar una propiedad de una proteína, se hace necesaria la introducción de mutaciones en la secuencia del gen de RfaH a través de PCR. En este caso, se reemplazaron una serie de aminoácidos por residuos de triptófano (W) a fin de usarlo como una sonda fluorescente capaz de monitorear el desplegamiento de la proteína. En el caso del CTD, se utilizó el sistema de MUTAGÉNESIS sitio dirigida GeneTailorTM (Invitrogen) para diseñar partidores (PRIMERS) de ADN. Se realizaron las mutaciones F123W, F126W, F130W, F156W y F159W y sus Tm fueron 59.9ºC, 61.7ºC, 66.9ºC, 53.0ºC y 58.1ºC respectivamente. Para realizar las mutaciones se utilizaron las condiciones de reacción de acuerdo a las instrucciones de Pfu Ultra II Fusion HS DNA Polymerase, resultando en la modificación de un solo aminoácido en la proteína final. De esta manera no solo se amplificó la cantidad de ADN disponible para trabajar, sino que a la vez fue posible elaborar varias muestras donde cada una de ellas poseía una mutación distinta. Posteriormente se corrieron las muestras en un gel de Agarosa al 1% en buffer TAE con el fin de verificar la amplificación del material genético.

Transformación de bacterias. El segundo paso a seguir consistió en TRANSFORMAR células de Escherichia coli DH5α con las muestras que se generaron. En busca de ello fue fundamental preparar bacterias quimio-competentes, las cuales se caracterizan por facilitar la permeabilidad del material genético plasmidial a través de la membrana celular al ser suspendidas en cloruro de calcio, y seguidamente insertar el ADN a través de un shock térmico (35 segundos a 42ºC) (Asif, Mohsin, Tanvir, & Rehman, 2017). La bacteria recircularizó el ADN lineal del PCR y se obtuvo un plasmidio que presentó un gen de resistencia a Kanamicina, antibiótico que permite su selección por sobre otras bacterias que no hayan conseguido incorporar el material genético exógeno. Por ello, después de que las células pasaron por un tiempo de recuperación en medio

In order to explore the role of different amino acid residues of a protein in its biological function, or to use certain amino acids as references in the structure of a protein, the introduction of mutations in the gene sequence of RfaH, through PCR, becomes necessary. In this case, a series of amino acids were replaced by tryptophan (W) residues, in order to use this as a fluorescent probe to observe protein folding. In the case of the CTD, the GeneTailorTM (Invitrogen) site directed MUTAGENESIS system was used to design specific DNA PRIMERS. The F123W, F126W, F130W, F156W and F159W mutations were performed and their Tm were 59.9ºC, 61.7ºC, 66.9ºC, 53.0ºC y 58.1ºC, respectively. To perform the mutations, the reaction conditions were as specified in the instructions of Pfu Ultra II Fusion HS DNA Polymerase, resulting in a single amino acid modification on the final protein. This way, not only an appropriate amount of DNA was amplified, but also it was possible to create multiple samples where each one of them had a different mutation. Afterwards, samples were separated using a 1% Agarose gel in TAE buffer in order to verify the amplification of the genetic material.

Bacterial transformation. The second step to follow was to TRANSFORM cells of Escherichia coli DH5α with the generated samples. In order to accomplish, it was fundamental to prepare chemically competent bacteria, which are characterized by facilitating plasmidial genetic material permeability trough the cellular membrane when suspended in calcium chloride. DNA was inserted by thermal shock (35 seconds at 42ºC) (Asif, Mohsin, Tanvir, & Rehman, 2017). The bacteria recircularized the lineal DNA from PCR, obtaining a plasmid with Kanamycin resistance, an antibiotic that allows selection over the bacteria that did not incorporate the exogenous genetic material. After the cells were allowed to recover in culture media, they were seeded in agar/LB dishes with this antibiotic. Positive results for this experiment were the formation of bacterial colonies, indicating that the transformation was successful.

DNA multiplication and amplification. The third step was to select three colonies transformed with RfaH-CTD F130W and inoculate them into LB media, with the aim

Students’ research / 31

de cultivo, se sembraron en placas de agar/LB con este antibiótico. Los resultados positivos de este experimento fueron la formación de colonias bacterianas en las placas, indicando que la transformación fue realizada con éxito.

Multiplicación y purificación del ADN. El tercer paso fue seleccionar tres colonias transformadas con RfaH-CTD F130W e inocularlas en medio LB con el objetivo de que las bacterias pudieran multiplicarse en dicho medio de cultivo, y con ellas, el plasmidio de interés. Acto seguido se purificó el ADN utilizando el kit de extracción EZNA Plasmid DNA mini kit II, OMEGA Bio-tek (MINIPREPS) y se guardó un stock de lo obtenido, tanto ADN como bacteria, ésta última en Glicerol al 50% para su criopreservación.

Secuenciación del ADN. El cuarto y último paso del trabajo con material genético fue SECUENCIAR el ADN recuperado. La empresa Macrogen Corporation USA realizó este procedimiento por pirosecuenciación (Tost & Gut, 2007). La determinación de la secuencia de ADN es vital en todo experimento de biología molecular pues permite tanto corroborar que la mutación deseada se logró como asegurar que no hubo daño al ADN (como una mutación involuntaria o adicional a la de interés).

of allowing the bacteria to multiply in said culture media, and with them the plasmid of interest. Subsequently, DNA was purified using the EZNA Plasmid DNA mini kit II, OMEGA Bio-tek (MINIPREPS). A stock of the resulting material was preserved, both from bacteria and DNA, the latter cryopreserved in 50% glycerol.

DNA sequencing. The fourth and last step with the genetic material was to SEQUENCE the collected DNA. The company Macrogen Corporation USA realized this procedure by pyrosequencing method (Tost & Gut, 2007).

Determination of the DNA sequence is vital to any molecular biology experiment because it validates the obtention of the desired mutation, and also allows checking for DNA damage (such as involuntary or additional mutations).

2.2. Expresión y purificación de RfaH-CTD.

2.2. Expression and purification of RfaH-CTD.

Transformación de bacterias y expresión de CTD. La segunda categoría de este proceso trata sobre los experimentos con la proteína en sí. Se transformaron las muestras de ADN (solo RfaH-CTD F130W), esta vez a una cepa de E. coli apropiada para la sobre-expresión de proteínas, como lo es BL21. El protocolo se llevó a cabo como fue descrito en la sección 2.1. A continuación se sembró en una placa de agar/LB con Kanamicina para comprobar la transformación. Al crecimiento de colonias, se seleccionó una para elaborar un pre-inóculo. Este consistió en 200ml de medio LB cultivado con agitación a 37ºC toda la noche. Se obtuvo un cultivo saturado, desde el que se extrajo una alícuota y se preparó un inóculo al 5% de 1 litro de medio LB con Kanamicina. Este fue cultivado hasta que las bacterias se encontraron en el estado de transición entre fase exponencial y fase estacionaria de crecimiento, es decir, en el caso de E. coli a OD600 = 0,8.

Finalmente, se indujo la expresión de la proteína agregando IPTG a 0.3mM y dejando el cultivo a 25ºC toda la noche.

Purificación de CTD. La construcción genética realizada resulta en una proteína recombinante RfaH-CTD en la cual el extremo N-terminal se encuentra fusionado a un “Tag” de 6 residuos de histidina, junto con una proteína de incremento de solubilidad denominada GB1. La proteína de fusión con la cual se trabajó se muestra en la Figura 1.

Para continuar, se realizó la purificación de RfaH-CTD mediante cromatografía de afinidad a metales.

Se centrifugó el cultivo con la proteína expresada a 4.000 x g por 10 minutos para obtener un sedimento bacteriano (PELLET) y se descartó el SOBRENADANTE.

Bacterial transformation and CTD expression. The second part of this research is related to the experiments on the protein itself. For that, the DNA samples (only RfaH-CTD F130W) were used to transform strains of E. coli suitable for protein over expression, such as BL21. The protocol was performed as described in section 2.1. Next, cells were seeded on agar/LB dishes with Kanamycin to check for transformation. After colony establishment, one was selected to establish a pre inoculum. This consisted of 200 ml of LB media and was kept at 37 ºC overnight with shaking. A saturated culture was obtained, from which an aliquot was extracted in order to prepare 1 L of inoculum at 5% in LB media with Kanamycin. The latter was grown until the bacteria were in transition from the exponential to stationary growing phase, namely, OD600 = 0,8 for E. coli. Finally, the expression of the protein was induced by incorporating 0.3 mM of IPTG at 25 ºC overnight.

CTD purification. The genetic construct performed results in a recombinant RfaH-CTD protein in which the N-terminal is fused to a histidine tag of 6 residues, together with a solubility-increasing protein termed GB1. The fusion protein is shown in Figure 1. In order to continue, purification of the RfaH-CTD was performed by metal affinity chromatography. The culture with the over expressed protein was centrifuged at 4.000 × g for 10 minutes to obtain a bacterial sediment (PELLET) and the SUPERNATANT was discarded. Bacteria were resuspended in a buffer with 25 mM Tris, 500 mM NaCl, 40 mM Imidazole, 8% glycerol and pH 8.0 (solution A). This

32 / Investigaciones de los alumnos

Figura 1. Complejo proteico conformado por tag de Histidina, proteína de fusión GB1, sitio de corte reconocido por TEV, y CTD F130W. Figure 1. Protein complex formed by the histidine tag, the fusion protein GB1, the TEV cleavage site, and the CTD F130W.

Se resuspendieron las bacterias en un buffer a pH 8 compuesto de Tris a 25 mM, NaCl a 500 mM, Imidazol a 40 mM y Glicerol al 8% (solución A). A lo anterior se agregó 0.1 mM de PMSF (inactivador de proteasas), DNAsa 2 U/ml (degradador de material genético que evita una alta viscosidad de la solución) y 2 mM de β-mercaptoetanol (agente reductor). Se LISARON las bacterias con sonicador QSonica modelo Q125 frecuencia 20 kHz por 5 minutos alternando ciclos de 30 segundos entre pulso y descanso, a 50% de potencia máxima. Luego las bacterias lisadas se centrifugaron por 15 minutos a 15.000 x g, para separar la fracción correspondiente a la membrana de la citosólica.

Dado que la proteína buscada es soluble, posteriormente se extrajo el sobrenadante. Se pasó este último por columnas de níquel previamente equilibradas con la solución A. Para el lavado de las columnas, se utilizó la misma solución A. Para la elución, se realizó una gradiente lineal de imidazol usando 20 ml de solución A y 20 ml de solución B (Tris a 25 mM, NaCl a 500 mM, Imidazol a 200 mM y Glicerol al 8%, a pH 8). De esta manera se recuperó la proteína de fusión de RfaH-CTD de forma paulatina. Se juntó toda la proteína recolectada y se midió la concentración para posteriormente agregar la proteasa TEV en proporción 1/20, con lo cual se removió la cola de Histidina y la proteína de fusión GB1. El corte se efectuó a 4ºC toda la noche en un buffer a pH 8 compuesto de Tris a 25mM, NaCl a 500 mM, DTT (agente reductor) a 2 mM, EDTA a 1 mM y Glicerol al 8% (solución C). Teniendo en cuenta que TEV también posee un tag de Histidina, se equilibraron las columnas de níquel en la solución C y se pasó la muestra nuevamente por ellas, obteniéndose de forma aislada en el frente de la cromatografía el carboxilo-terminal CTD F130W de RfaH.

was supplemented with 0.1 mM PMSF (protease inhibitor), 2 U/ml DNAsa (to hydrolyze the genetic material, avoiding high viscosity in the solution) and 2 mM β-mercaptoethanol (reducing agent). The bacteria were LYSED with a QSonica Q125 sonicator at 20 kHz for 5 min at 50% max power with alternating cycles of 30 seconds between pulse and rest. Later, the lysed bacteria were centrifuged at 15.000 × g for 15 minutes to separate the cell membrane fraction.

Since the target protein is soluble, after centrifugation the supernatant was collected and ran through nickel columns previously equilibrated with solution A. For column wash the same solution A was used. For substrate elution, a lineal imidazole gradient was performed with 20 ml of solution A and 20 ml of solution B (25 mM Tris, 500 mM NaCl, 200 mM imidazole and 8% glycerol, pH 8.0). Thus, the fusion RfaH-CTD protein was gradually recovered. All the collected protein was pooled and protein concentration was measured in order to incorporate the protease TEV in a 1/20 ratio, which removes the histidine tag and the fusion protein GB1. The protease hydrolysis was performed at 4 ºC overnight in a buffer composed of 25 mM Tris, 500 mM NaCl, 2 mM DTT (reducing agent), 1 mM EDTA and 8% glycerol, pH 8.0 (solution C). Since the TEV protein also has a histidine tag, the nickel columns were equilibrated with solution C and the samples were eluted again, thus obtaining the isolated CTD F130W of RfaH in the chromatographic front.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Se realizaron distintos procedimientos en esta investigación y se observaron varios resultados. Se logró mutar la secuencia codificante para RfaH obteniéndose cinco cepas distintas a estudiar. A la vez, se transformó exitosamente E. coli DH5α con las mutaciones, hecho evidenciado por el crecimiento bacteriano en placas con antibiótico, y

Herein, several procedures were performed with various results. It was possible to mutate the coding sequence for RfaH, thus obtaining five different strains for study.

Furthermore, E. coli DH5α were successfully transformed with the mutated sequences, which was evidenced by the bacterial growth observed in antibiotic-supplemented

Students’ research / 33

posteriormente se creció la cepa con la modificación F130W. Se utilizó Minipreps para aislar el ADN multiplicado por las bacterias y se verificó la correcta obtención de éste con la electroforesis de los plasmidos en un gel de Agarosa al 1% en buffer TAE. Los resultados del gel se ilustran en la Figura 2. El ver una aparición de bandas concentradas indica una gran cantidad de ADN del mismo tamaño, es decir, un solo tipo de ADN en este caso.

Para corroborar la efectividad en la mutación las muestras fueron secuenciadas por la empresa Macrogen Corporation USA, por pirosecuenciación. Los resultados fueron acordes a lo esperado, lo que indica que el procedimiento fue realizado adecuadamente, respetando las normas e indicaciones, y que además no se cometieron errores significativos de manipulación.

Luego se transformó E. coli BL21 con el plasmidio codificante para RfaH-CTD F130W, confirmado nuevamente el éxito de este procedimiento por el crecimiento de colonias en placas con Kanamicina, se elaboró un inóculo y se indujo la expresión del CTD. Para lograr lo anterior, fue necesario asegurar varios puntos, tales como utilizar bacterias en estado óptimo y proveerlas con todo lo requerido para su desarrollo. A continuación se purificó la proteína sintetizada mediante cromatografía por columnas de níquel. Finalmente, se realizó una electroforesis en geles de Poliacrilamida al 15% en Tris-Glicina para verificar los resultados, los cuales se muestran en la Figura 3. Al observarse en el pozo 7 una única banda marcada, se pudo asegurar que la proteína estaba efectivamente aislada y pura.

dishes. Afterwards, the F130W-modified strain was grown. Minipreps were used to isolate the DNA multiplied in bacteria and its correct extraction was verified by electrophoresis in 1 % Agarose gels in TAE buffer. The results from the gel are shown in Figure 2. The appearance of concentrated bands indicates a large amount of DNA of the same size, thus one type of DNA in this case.

To check the effectiveness in the mutations, the samples were pyro-sequenced by the company Macrogen Corporation USA. The results were according to expectation, suggesting that the procedure was performed adequately, following the norms and indications, dismissing significant manipulation errors.

Afterwards, BL21 E. coli were successfully transformed with the coding plasmid for Rfag-CTD F130W, as suggested by the observed colony growth in Kanamycin dishes, an inoculum was prepared and the CTD expression was induced. Then, the synthetized protein was purified by nickel-affinity chromatography. Finally, to verify the results, an electrophoresis in 15% polyacrylamide gels in Tris-Glycine was performed; results are shown in Figure 3.

The observation of a unique band in lane 7 indicates that the protein was successfully isolated and purified.

Figura 2. Gel de Agarosa al 1% en buffer TAE del resultado de las Minipreps que contiene: 1) Estándar de ADN, 2) RfaH-F130W colonia 1, 3) RfaH-F130W colonia 2, 4) RfaH-F130W colonia 3.

Figure 2. 1% Agarose gel in TAE buffer from the Minipreps containing: 1) DNA standard, 2) RfaH-F130W colony 1, 3) RfaH-F130W colony 2, 4) RfaH-F130W colony 3.

34 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3. Gel de Poliacrilamida al 15% en TrisGlicina que contiene: 1) Estándar de proteína, 2) Sobrenadante de la centrifugación, 3) Carga, 4) Lavado, 5) Fracciones eluidas de la columna de níquel, 6) CTD130 y proteasa TEV, 7) CTD130.

Figure 3. 15% Polyacrylamide gel in TrisGlycine containing: 1) Protein standard, 2) centrifugation supernatant, 3) load, 4) wash, 5) eluted fraction from nickel column, 6) CTD130 and TEV protease, 7) CTD130.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

A lo largo de la investigación, se buscó purificar la región CTD de la proteína RfaH con el objetivo de estudiarla de forma aislada. Para ello, se realizó exitosamente mutación de ADN, transformación de bacterias, expresión de la proteína recombinante y cromatografía de afinidad a metales. Con esta técnica es posible controlar con seguridad el momento en que se expresa la proteína en la bacteria.

Además, se utilizó este método debido a la factibilidad de mutar una proteína con técnicas recombinantes. El tag de Histidina insertado en la secuencia permitió la purificación por cromatografía de afinidad a níquel. Debido a que este método da como producto final un compuesto aislado, éste puede ocuparse para construir una curva de estabilidad de la proteína, la cual nos brindará información valiosa para trabajar con ella en el futuro.

Throughout this research, the goal was to purify the CTD region of the RfaH protein in order to study it in isolation. To do this, successful DNA mutation, bacterial transformation, recombinant protein expression and metallic affinity chromatography were performed. With these techniques, it is possible to control the precise moment in which the bacteria express the protein. Furthermore, this method was chosen due to the ease of mutation with recombinant techniques. The histidine tag inserted in the sequence allowed the purification by nickel-affinity chromatography.

Since this method results in a final isolated compound, it can be used to construct protein stability curves, which can provide valuable information in the future.

Una gran aplicación de los métodos recombinantes actualmente es la producción industrial de insulina. Esta hormona se sintetiza en Escherichia coli como factoría celular, posterior a lo cual se purifica y se vende como fármaco en el tratamiento de la diabetes (Velasco, 1992).

Otro ejemplo de aplicación es la obtención de eritropoyetina mediante células eucariontes Chinese Hamster Ovary (CHO), muy utilizada para el tratamiento de anemia (Lin et al., 1985).

En suma, el procedimiento descrito en este trabajo contribuyó al avance del estudio del factor de transcripción de genes de virulencia RfaH, permitiendo su purificación exitosa y facilitando procesos posteriores de análisis y profundización del conocimiento en la zona metamórfica de la proteína.

A great use of the recombinant methods is the current industrial production of insulin. This hormone is synthetized in Escherichia coli as cellular factories, and then the protein is purified and sold as a drug for the treatment of diabetes (Velasco, 1992). Another example is the obtention of erythropoietin using the eukaryotic cells Chinese Hamster Ovary (CHO), which is used in the treatment of anemia (Lin et al., 1985).

In summary, the procedure shown here contributed to advance the study of the transcription factor of virulence genes RfaH, allowing for its successful purification and facilitating future work of further analysis and deepening the knowledge of the metamorphic region of the protein.

Agradecimientos

Acknowledgments

Quisiera agradecer al profesor César Ramírez por darme la oportunidad de participar en su investigación. Además,

To professor César Ramírez, who gave me the chance of participating in his research. Furthermore, I thank Alejandro

Students’ research / 35

doy las gracias a Alejandro Molina por su desempeño excepcional como académico en cada sesión de laboratorio y por su contribución a la redacción de este informe.

Molina for his exceptional academic performance in each laboratory session and his contribution to the drafting of this manuscript.

GLOSARIO

GLOSSARY

ALFA HÉLICE: estructura secundaria helicoidal que forman las cadenas de aminoácidos de una proteína al plegarse e interactuar mediante puentes de hidrógeno.

BETA PLEGADA: estructura secundaria de lámina en zigzag que forman las cadenas de aminoácidos de una proteína al plegarse e interactuar mediando puentes de hidrógeno.

LISAR: romper la integridad de la célula destruyendo la membrana plasmática.

MINIPREPS: método que utiliza columnas y centrifugación para purificar ADN. MUTAGÉNESIS: producción de mutaciones en una secuencia de ADN. OD600: densidad óptica observada a 600 nanómetros.

PCR: abreviatura de Reacción en Cadena de la Polimerasa, es una técnica que utiliza ciclos de temperatura para amplificar una cantidad de ADN. PELLET: al realizar una centrifugación, se separará la solución en dos. La parte compacta que se concentra en el fondo del tubo se denomina pellet.

PRIMER: secuencia pequeña y específica de material genético (entre 20 y 40 pares de bases) necesaria para realizar PCR. SECUENCIAR: obtener la secuencia de nucleótidos de una hebra de materia genético.

SOBRENADANTE: al realizar una centrifugación, se separará la solución en dos. El líquido que se obtiene en la parte superior del tubo de denomina sobrenadante.

Tm: temperatura específica en que cada primer se une al 50% a la hebra de ADN, se debe tener en cuenta al realizar PCR. TRANSFORMAR: insertar en una célula material genético externo.

ALPHA HELIX: helicoidal secondary structure that chains of amino acids form while folding and interacting through hydrogen bonds in a protein backbone.

BETA BARREL: zigzag-sheet secondary structure that chains of amino acids form while folding and interacting through hydrogen bonds in a protein backbone.

LYSE: to break the cellular integrity by destroying the plasmatic membrane.

MINIPREPS: DNA purification method that relies on purification columns and centrifugation.

MUTAGENESIS: the process of mutations on a DNA strand.

OD600: optical density observed at 600 nm wavelength.

PCR: acronym for Polymerase Chain Reaction, a technique that relies on temperature cycles to amplify a segment of a DNA strand.

PELLET: upon centrifugation, solutions can be separated in two portions. The compact remnant that is concentrated in the bottom of the tube is termed pellet.

PRIMER: small and specific sequence of genetic material (approximately 20-40 base pairs) necessary for PCR specificity.

SEQUENCE: obtain the nucleotide sequence of a strand of genetic material.

SUPERNATANT: upon centrifugation, solutions can be separated in two portions. The liquid on top of the pellet is termed supernatant.

Tm: specific temperature for every primer at which 50% of the DNA molecules have their strands separated, it needs to be considered for PCR conditions.

TRANSFORMATION: the act of inserting foreign genetic material into a cell.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La purificación de proteínas por cromatografía de afinidad se basa en la atracción de la proteína de interés por un compuesto particular de la columna cromatográfica. Esta afinidad no la poseen los otros elementos de la solución, por lo que al pasar esta por la columna únicamente la proteína que se busca purificar quedará atrapada dentro, mientras que los demás componentes caerán. Posteriormente se introduce un competidor a la columna, que posee

Protein purification by affinity chromatography is based on the attraction of the protein of interest for a specific compound present in the chromatographic column.

This affinity is not present in other elements within the solution; thus, by eluting the sample through the column, only the protein of interest will remained attached to it, while the rest of the components will flow out. Later, a competitor is introduced to the column; typically, these

36 / Investigaciones de los alumnos

la característica de ser más afín a ella que la proteína de interés. Por lo tanto el competidor desplazará a la proteína causando que esta eluya por la columna. De esta forma es posible obtener la proteína pura para su futuro uso. La Figura 4 ilustra las etapas de obtención de una proteína recombinante pura a través de cromatografía de afinidad.

molecules have greater affinity for the column than the protein of interest. Therefore, the competitor will displace the protein of interest causing its elution out of the column.

In this way, it is possible to isolate the protein for its future use. Figure 4 illustrate the steps involved in the purification of a recombinant protein through affinity chromatography.

Figura 4. Expresión y purificación de una proteína recombinante a través de cromatografía de afinidad (Lehninger, 2009).

Figure 4. Expression and purification of a recombinant protein through affinity chromatography (Lehninger, 2009).

Students’ research / 37

REFERENCES Artsimovitch, I., Landick, R. (2002). The Transcriptional Regulator RfaH Stimulates RNA Chain Synthesis after Recruitment to Elongation Complexes by the Exposed Nontemplate DNA Strand. Cell, 109, 193-203.

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Gao, Q., Xu, H., Wang, X., Zhang, D., Ye, Z., Gao, S. & Liu, X. (2013). RfaH Promotes the Ability of the Avian Pathogenic Escherichia coli O2 Strain E058 To Cause Avian Colibacillosis. Journal of bacteriology, 195(11), 2474-2480.

Lehninger, A. (2009). Principios de Bioquímica. (5ta ed.). Barcelona: D. L. Nelson & M. M. Cox. Knauer, S., Rösch, P. & Artsimovitch, I. (2012). Transformation. RNA Biology, 9(12), 1418-1423.

Lin, F. K., Suggs, S., Lin, C. H., Browne, J. K., Smalling, R., Egrie, J. C., Chen, K. K., Fox, G. M., Martin, F., Stabinsky, Z., Badrawi, S. M., Lai, P., H. & Goldwasser, E. (1985). Cloning and expression of the human erythropoietin gene.

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Camila Pavesi

César RamírezSarmiento

José Alejandro Molina

60 / Investigaciones de los alumnos

Imagen: ESO. Disponible en https://www.eso.org/public/images/arsenault_fig5b/

Algoritmo rápido para modelar la interacción entre un espejo deformable y un sensor de frente de onda Fast algorithm to model the interaction of a large deformable mirror with a wavefront sensor Felipe Riquelme Espinoza1, alumno de 6° año.

Clémentine Béchet2, profesora asistente adjunta.

Felipe Riquelme Espinoza1, 6th year student.

Clémentine Béchet2, assistant associate professor.

1 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Instituto de Ingeniería Matemática y Computacional, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: cbechetp@ing.puc.cl

Departament of Electrical Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Institute for Mathematical and Computational Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Corresponding autor: cbechetp@ing.puc.cl 1

Students’ research / 39

RESUMEN

ABSTRACT

La distribución circular de los actuadores en espejos deformables (ED) grandes, utilizada en la mayoría de los sistemas de óptica adaptativa de los grandes telescopios astronómicos, conlleva una serie de dificultades computacionales, junto con nuevos problemas de modelamiento. Aquí, nosotros estudiamos cómo obtener algoritmos rápidos para modelar y simular eficientemente las distorsiones en los espejos y su interacción con los sensores de frentes de onda. Esta propuesta se basa en el modelamiento matemático de las distorsiones del espejo a través de sus funciones de influencia y el modelamiento de un sensor, del tipo Shack-Hartmann, mediante gradientes promedio. En este trabajo preliminar, logramos establecer el formalismo para describir las distorsiones de ED como una función de las posiciones y funciones de influencia de los actuadores. Estudiamos diversos modelos de funciones de influencia sopesando entre la carga computacional y la exactitud asociada. Esto fue realizado para ambas distribuciones de actuadores, cuadradas (clásica) y circulares (más recientes). Adicionalmente, implementamos un modelo para el sensor de frente de ondas, ya que los estudios futuros se enfocarán en el establecimiento de un formalismo matemático y una implementación rápida de la interacción global del sensor y el espejo. Estos modelos fueron implementados en Matlab.

The circular distribution of actuators in the large deformable mirrors (DMs) used for most of the new adaptive optics systems on the large telescopes for astronomy lead to computational difficulties as well as new modeling issues. We study how to obtain fast algorithms to efficiently model and simulate the mirror distortions and its interaction with a wavefront sensor.

The work relies on the mathematical modeling of the mirror distortions through their influence functions, and modeling of a Shack-Hartmann sensor via averaged gradients. In this preliminary work, we establish the formalism to describe the DM distortions as a function of the actuators positions and of their influence function.

We study various models of influence functions as a result of a trade-off between computational load and model accuracy. This is done for both square (classical) and circular (more recent) arrays of actuators. We also have implemented a model of wavefront sensor, because further study will focus on establishing a formalism and a fast implementation of the global interaction of the mirror with the sensor. The models are tested implementing a code in matlab.

Palabras clave: óptica adaptativa, espejos deformables, sensores de frente de onda, modelamiento, implementación, algoritmo.

Key words: daptive optics, deformable mirror, wavefront sensor, modeling, implementation, algorithm.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Chile ofrece observatorios de clase mundial para los astrofísicos. Para permitir observaciones de gran RESOLUCIÓN ANGULAR, los espejos deformables son equipados con sistemas de óptica adaptativa (OA) (Roddier, 1999). La investigación y el desarrollo para estos sistemas de OA es crucial para la mejora continua de las observaciones astronómicas y para permitir nuevos descubrimientos. La OA debe lidiar con mediciones de fase óptica en tiempo real para reducir la distorsión de los frentes de onda, provenientes de las estrellas, al manipular los actuadores en un ESPEJO DEFORMABLE (ED) grande.

Chile offers world-class optical observatories for astrophysicists. In order to allow high ANGULAR RESOLUTION observations, deformable mirrors are equipped with adaptive optics (AO) systems (Roddier, 1999). Research and development for these AO facilities is crucial to continuously improve the astronomical observations and to allow new discoveries. AO have to deal with real-time measurements of optical phase, to reduce the distortion of the wavefront coming from stars manipulating the actuators of a large DEFORMABLE MIRROR (DM).

La distribución circular de los actuadores en un ED grande, usado en la mayoría de los nuevos sistemas de OA de los grandes telescopios, conlleva dificultades computacionales y nuevos desafíos de modelamiento (Madec, 2012). Nuevos algoritmos rápidos y eficientes para simular las distorsiones en los espejos y su interacción con el frente de onda son necesarios. La idea de esta investigación proviene del uso

The circular distribution of actuators in the large DMs used for most of the new AO systems on the large telescopes lead to computational difficulties as well as new modeling issues (Madec, 2012). We need fast algorithms to efficiently model and simulate the mirror distortions and its interaction with a wavefront sensor. The idea of this research work comes from the use of a fast AO simulator, able to simulate squarely-distributed actuators, but not the new circularly-

40 / Investigaciones de los alumnos

de un simulador rápido de OA capaz de emular actuadores distribuidos de manera cuadrada, pero incompatible con arreglos circulares. El trabajo presentado descansa sobre el modelamiento matemático de distorsión de los espejos a través de sus FUNCIONES DE INFLUENCIA (FI). Este trabajo busca la implementación numérica más eficiente, en relación al tiempo y/o consumo de memoria, para computar las interacciones de un espejo con un SENSOR DE FRENTE DE ONDA TIPO SHACK-HARTMANN (WFS, del inglés Shack-Hartmann Wavefront Sensor) .

distributed ones. The presented work relies on the mathematical modeling of the mirror distortions through their INFLUENCE FUNCTIONS. This work is intended to further study the most efficient numerical implementation with respect to time and/or memory consumption when computing the interaction of the mirror with a SHACKHARTMANN WAVEFRONT SENSOR (WFS).

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

El ED es simulado como una superficie distorsionada por las funciones de influencia de sus actuadores. Inicialmente describimos la geometría de distribución de los actuadores sobre el espejo deformable o área de superficie. Esto puede ser a través de una grilla cuadrada o una distribución circular. Luego, describimos la representación 3D de la superficie del espejo discretizada sobre una matriz cuadrada. La distorsión producida por un actuador sobre la superficie del espejo es modelada por la denominada función de influencia (Menikoff, 1991; Arnold, 1997).

Usamos dos aproximaciones para las funciones de influencia, la línea polinómica suave básica (del inglés, B-spline) (Rigaut, Ellerbroek & Northcott, 1997) y la FI polinómica (Oberti et al, 2016). Establecimos el formalismo asociado para cada modelo de IF, luego los implementamos en código de Matlab para testearlos. Luego, el sensor de frente de onda fue modelado e implementado en Matlab para análisis preliminar.

The DM is simulated as a surface distorted by the influence functions of its actuators. We first describe the geometry of distribution of the actuators over the deformable mirror or facesheet area. It can be either a square grid or a circular distribution. We next describe the 3D representation of the mirror surface, discretized over a square grid. The distortion produced by an actuator on the mirror surface is modeled by a so-called influence function (Menikoff, 1991, Arnold, 1997) . We use two approximations of influence functions (IFs), the B-spline IF (Rigaut, Ellerbroek & Northcott, 1997) and the polynomial IF (Oberti et al, 2016).

We establish the formalism associated to each model of IF, and then we implement them in a Matlab code in order to test them. Next, the wavefront sensor is modeled and also implemented in Matlab for preliminary test.

2.1. Geometría de actuadores

2.1. Actuators geometry

La mayoría de los ED usados actualmente en astronomía tienen sus actuadores distribuidos en una matriz cuadrada regular de tamaño p×p . En este caso, denominamos Δ a la distancia de espaciado entre los actuadores, en donde existen nc = p2 actuadores en total. Por lo tanto, las coordenadas para el actuador i- ésimo pueden ser descritas como

Most of the deformable mirrors used in astronomy today have their actuators distributed over a regular square grid of size p×p . In such case, we note Δ the actuator spacing step size and there are nc = p2 actuators in total. The coordinates of the i-th actuator can thus be described as

La nueva generación de ED con diámetros mayores a 1 metro usualmente tienen una distribución circular de actuadores a lo largo de su superficie. Por ejemplo, el nuevo espejo adaptativo secundario del VLT (del inglés, Very Large Telescope) de la ESO (European Southern Observatory) en Chile, tiene una distribución circular de actuadores (Oberti et al, 2016) representadas en la Figura 1.

The new generation of large deformable mirrors with a diameter greater than 1 meter usually have a circular distribution of actuators over the mirror surface. For instance, the new adaptive secondary mirror of the Very Large Telescope (VLT) of the European Southern Observatory (ESO) in Chile has a circular distribution of actuators (Oberti et al, 2016) as represented in Figure 1.

En este caso, no hay una forma general de describir la geometría de los actuadores con una distancia de espaciado Δ uniforme. Las coordenadas cartesianas para cada

In such case, there is no general way to describe the actuators geometry with a regular step size Δ . The cartesian coordinates of each actuator must be recorded and stored

Students’ research / 41

Figura 1. Posiciones de los 1.170 actuadores del gran espejo deformable secundario del VLT. Figure 1. Positions of the 1,170 actuators of the large secondary deformable mirror of the VLT.

actuador deben ser registradas y guardadas en una lista {(xi, yi)}1≤i≤nc para cada i desde 1 hasta nc .

in a list {(xi, yi)}1≤i≤nc for all i from 1 to nc .

2.2. Función de superficie del espejo

2.2. Mirror surface function

La función de superficie del espejo es representada en 3D como una función f (x, y) donde x e y son coordenadas cartesianas discretizadas sobre una matriz cuadrada de (2n + 1) × (2n + 1) muestras. Cuando ningún actuador se encuentra activo, la función tiene valor 0 a lo largo de la matriz, lo que produce una superficie de espejo plana. Las distorsiones producidas por los actuadores controlados introducirá distorsiones en la superficie del espejo, en el orden de micrómetros, descritas por los valores de f .

The mirror surface is represented in 3D as a function f (x, y) where x and y are cartesian coordinates discretized over a regular square grid of (2n + 1) × (2n + 1) samples.

When no actuator is activated, the function has zero value everywhere, leading to a plane mirror surface. The distortions produced by the controlled actuators will introduce the mirror surface distortions, of the order of a micrometer, characterized by the values of f .

En el caso de la mayoría de los espejos con tecnología deformable actualmente en uso, es razonable considerar que la distorsión del espejo f resulta de la suma de las distorsiones introducidas por cada actuador. A su vez, la distorsión introducida por cada actuador es proporcional al voltaje a aplicado a éste, y la deformación 3D producida por unidad de voltaje en el actuador i- ésimo es descrita como hi (x, y) . Por lo tanto, la deformación total corresponde a:

In most of the deformable mirrors technology used so far, it is reasonable to consider that the mirror distortion f is obtained as a sum of the distortions introduced by each actuator. The distortion introduced by one actuator is proportional to the voltage a applied to the actuator, and the 3D deformation produced by a unit voltage on the i-th actuator is noted hi (x, y) . So the total deformation is (1)

2.3. Funciones de influencia de actuadores

2.3. Actuators influence functions

Cada actuador introduce el mismo tipo de deformación, caracterizado por la IF unidimensional normalizada de los actuadores, . Se asume que la distorsión inducida por los actuadores es separable en x e y, y centrada en la posición del actuador (xi, yi) , de manera que:

Each actuator introduces the same kind of deformation, characterized by the normalized one-dimensional influence function (IF) of the actuators, . The actuatorinduced distortion is assumed to be separable in x and y, and centered on the actuator position (xi, yi) , such that (2)

42 / Investigaciones de los alumnos

En esta investigación se usaron dos modelos de h : un modelo bilineal (B-spline) y otro polinómico. El modelo bilineal B-spline es definido en Rigaut, Ellerbroek & Northcott (1997) como:

We have used two models of IF h : a bilinear spline model and a polynomial model. The bilinear spline model is defined (Rigaut, Ellerbroek & Northcott, 1997) as

(3) 0 en cualquier otro caso

0 otherwise

El modelo polinómico se define como:

The polynomial model is defined as

(4)

0 en cualquier otro caso

0 otherwise

Donde c es el factor de acoplamiento que varía entre 0 y 1 y |u| es la distancia hasta la posición del actuador proyectada en el eje en consideración. Valores comunes para este coeficiente oscilan entre 0,1 y 0,4.

Where c is the coupling factor that varies between 0 and 1 and |u| is the distance to the actuator position projected on the considered axis. Common values of this coefficient are between 0.1 and 0.4.

2.4. Modelo del sensor de frente de ondas

2.4. Wavefront sensor model

El objetivo final de este trabajo es obtener una implementación rápida de la interacción entre los voltajes aplicados al ED y los datos provenientes del sensor de frente de ondas del sistema de OA. Para esto, es necesario introducir el modelo del proceso de detección del frente de ondas. Para esto, el sistema Shack-Hartmann es comúnmente utilizado, el cual produce gradientes locales que pueden ser descritos mediante las siguientes ecuaciones:

The final aim is to obtain a fast implementation of the interaction between voltages applied to the DM and the data coming from the wavefront sensor of an AO system.

For this, we need to introduce a model of the wavefront sensing process. The commonly used Shack-Hartmann device produces local gradients that can be described by the following equations

(4)

Donde sjx y sjy son componentes del gradiente en las direcciones x e y , respectivamente, para los datos en la jésima subapertura, l es el tamaño lineal de la subapertura y f es la función de superficie del espejo. Las coordenadas del centro de la j-ésima subapertura están definidas como (xj, yj). Dado que utilizamos una representación discretizada de f , usaremos una aproximación de las integrales basada en el método de los trapezoides.

Where sjx and sjy are the gradient components in x and y directions respectively for the data in the j-th subaperture, l is the linear size of the subaperture and f is the mirror surface function. The coordinates of the center of the j-th subaperture are (xj,yj). Since we have a discretized representation of f , we will use an approximation of the integrals based on the method of the trapezoids.

Students’ research / 43

Figura 2. Ejemplo de la distorsión inducida por un actuador modelado por una función de influencia polinómica con factor de acoplamiento nulo (c=0).

Figure 2. Example of distortion induced by an actuator modeled with a polynomial influence function with null coupling (c=0).

3. RESULTADOS

3. RESULTS

El modelo presentado anteriormente fue implementado en código de Matlab para poder testearlo. Las simulaciones fueron realizadas en una matriz de 12 × 12 actuadores y en una geometría circular con 1.170 actuadores, correspondiendo al caso del ED secundario del VLT representado en la Figura 1. En la Figura 2 se ilustra un modelo polinómico de la función de influencia con un factor de acoplamiento c = 0 .

The models presented above have been implemented in a Matlab code for testing purposes. Simulations have been tested on a square grid of 12 × 12 actuators as well as for a circular geometry with 1.170 actuators corresponding to the case of the secondary deformable mirror used by the VLT and shown in Figure 1. We show in Figure 2 an illustration of a polynomial model of influence function with a coupling factor c = 0 .

La forma obtenida con c = 0 es consistente con la distorsión reportada por ESO para su gran espejo secundario (Roddier, 1999), confirmando el interés en el estudio de modelos polinomicos de FIs (Oberti et al, 2016).

The obtained shape with c = 0 is consistent with the distortion reported by ESO for its large secondary mirror (Roddier, 1999), thus confirming the interest of studying a polynomial model of IF (Oberti et al, 2016).

A continuación, la Figura 3 muestra los resultados para la simulación de una compensación por inclinación (forma de un espejo plano inclinado) por el ED con geometría circular de ESO.

Next, Figure 3 shows the results of simulation of a tilt (tilted flat mirror shape) compensation by the deformable mirror with the circular geometry of ESO DM.

Finalmente, también testeamos satisfactoriamente la implementación de un modelo de sensor de frente de ondas usando la función “trapz” incluida en Matlab, con el fin de

Finally, we have also successfully tested the implementation of the wavefront sensor model using the “trapz” function included in Matlab in order to apply the integrals over trapezoids in each direction, x and y .

Figura 3. Inclinación simulada, mediante una FI polinómica, en la geometría circular del gran ED de ESO. Figure 3. Tilt simulated on the circular geometry of the ESO large deformable mirror with polynomial influence functions.

44 / Investigaciones de los alumnos

aplicar las integrales sobre trapezoides en cada dirección, xey.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Los resultados obtenidos hasta ahora permiten iniciar el estudio de la interacción combinada entre ED y sensores de frente de onda. Distorsiones de tipo pistón e inclinadas fueron reproducidas tanto para arreglos de actuadores con geometría cuadrada como circular. Correspondiendo éste último a la configuración del gran ED secundario en el VLT de ESO. El código para cada FI fue correctamente implementado. Adicionalmente, los datos del sensor de frente de onda también fueron correctamente simulados en Matlab para esta geometría circular.

The results we have obtained so far allow one to initialize the study of the combined interaction between deformable mirror and wavefront sensor. Piston and tilted distortions have been reproduced both for a square geometry of actuators as well as for a circular one. The circular one corresponds to the configuration of the ESO secondary deformable mirror on the VLT. A code for each influence function model has been successfully implemented.

Wavefront sensor data has also been successfully simulated in Matlab for this circular geometry.

De acuerdo a lo esperado, el caso de los EDs con geometrías circulares aumenta el tiempo de cómputo. Futuros estudios deberán determinar como mitigar estos requerimientos computacionales, al considerar la implementación combinada en el ED y el sensor. Esto debería ser posible utilizando operadores dispersos definidos desde el formalismo presentado en este trabajo.

As expected, the case of deformable mirrors with circular geometry increases computation time. Further study will determine how to mitigate the computational requirements when considering the combined implementation of the deformable mirror and the sensor. This should be possible using sparse operators to be defined from the formalism introduced here above.

Agradecimientos

Acknowledgements

Me gustaría agradecerle a mis hermanos Paula y Braulio, a mi abuelita Teresa y a mi tía Ada. De forma especial quiero dedicar mi primera publicación a mi mamá, por todo su apoyo, por educarme y por formarme como el hombre que soy. Aunque hoy no estás para ver esta publicación sé que me estás mirando del cielo. Gracias por tanto, te amo mamá. Felipe Riquelme.

I would like to thank my brothers Paula and Braulio, my grandmother Teresa y my aunt Ada. I would like to specially dedicate my first publication to my mother, for all her support and education into the man I am. Although you are not here to see this paper, I am sure you are watching over me from heaven. Thank you for everything, I love you mom. Felipe Riquelme.

GLOSARIO

GLOSSARY

RESOLUCIÓN ANGULAR: describe la capacidad de distinguir detalles de un objeto en cualquier dispositivo de generación de imágenes, como un telescopio, una cámara, o un ojo, correspondiendo a uno de los mayores determinantes de la resolución de la imagen.

ESPEJO DEFORMABLE: espejos cuyas superficies pueden ser alteradas o deformadas.

FUNCIONES DE INFLUENCIA: funciones matemáticas que describen la deformación en un espejo.

SENSOR DE FRENTE DE ONDA TIPO SHACKHARTMANN: instrumento óptico usado para caracterizar un sistema de adquisición de imágenes que incorpora cámaras CCD.

ANGULAR RESOLUTION: Describes the ability to distinguish small details of an object in any imageforming device such as an optical telescope, a camera, or an eye, thereby making it a major determinant of image resolution.

DEFORMABLE MIRROR: Mirrors whose surface can be altered or deformed.

INFLUENCE FUNCTIONS: Mathematical function that describes the deformation of a mirror.

SHACK-HARTMANN WAVEFRONT SENSOR: Optical instrument used for characterizing an imaging system, that incorporates CCD cameras.

Students’ research / 45

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La tecnología de óptica adaptativa es utilizada para mejorar el desempeño de sistemas ópticos, mediante la deformación de espejos, con el objetivo de compensar la distorsión del frente de onda entrante causada por la turbulencia de la atmósfera terrestre. El componente clave de esta tecnología es el uso de un elemento óptico, como un espejo, que puede cambiar y desviar los rayos de luz para enfocarlos a voluntad.

Adaptive Optics is a technology used to improve the performance of Optical Systems through deformable mirrors in order of compensate the distortion of the incoming wavefront caused by the turbulence in the earth’s atmosphere. The key to this technology is to use an optical element as a mirror that can change so as to deviate the light rays to focus light as needed.

Figure 4 shows how the reflected light is split between a wavefront sensor, which measures the monochromatic aberrations, and the imaging device as a camera1. The control system sends a signal to the DM, whose surface changes shape minimizing the monochromatic aberrations as seen by the wavefront sensor. Finally a beam of light is directed into the eye, and a small amount is reflected back out of the eye and into the optical system. This system is used for ophthalmic correction, but the same principle applies to astronomical observations.

En la Figura 4 se puede observar como la luz es separada entre el sensor de frente de onda, que mide aberraciones monocromáticas, y el dispositivo de adquisición de imágenes, como una cámara. El sistema de control envía una señal al ED, cuya superficie cambia de forma para minimizar las aberraciones monocromáticas detectadas por el sensor. Finalmente, un rayo de luz es dirigido hacia el ojo, y una pequeña cantidad es reflejada desde el ojo hacia el sistema óptico.

Figura 4. Esquema del principio técnico detrás de un sistema de OA1.

Figure 4. Schematic of the principle behind an AO system.

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Madec, P.-Y. (2012). Overview of deformable mirror technologies for adaptive optics and astronomy. In Adaptive optics systems III (Vol. 8447, p. 8447 - 8447 - 18).

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Oberti, S., Kolb, J., Louarn, M. L., Penna, P. L., Madec, P.-Y., Neichel, B., Sauvage, J.-F, Fusco, T., Donaldson, R. , Soenke, C., Suárez, M.,& Arsenault, R. (2016). AOF LTAO mode: reconstruction strategy and first test results. In E. Marchetti, L. M. Close, & J.-P. Véran (Eds.), Adaptive optics systems v.SPIE. Rigaut, F., Ellerbroek, B. L., & Northcott, M. J. (1997). Comparison of curvature-based and shack-hartmann-based adaptive optics for the gemini telescope. Applied Optics, 36(13), 2856–2868.

Roddier, F. (1999). Adaptive optics in astronomy. Cambridge University Press.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Felipe Riquelme

Clémentine Béchet

Ophthalmic Adaptive Optics (AO). (n.d.). Disponible en http://www.mcw.edu/AOIP/About-Us/Imaging-Tools/Ophthalmic-Adaptive-Optics.htm

1

Aumentando los cambios en intensidad para el reconocimiento facial en imágenes irreconocibles Augmenting intensity change to recognize faces in unrecognizable images Antonio Fontaine1, alumno de 6° año.

Domingo Mery1, profesor titular.

Antonio Fontaine1, 6th year student.

Domingo Mery1, full professor.

Department of Computer Science, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Corresponding author: dmery@ing.puc.cl

Department of Computer Science, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Corresponding author: dmery@ing.puc.cl

1

1

Students’ research / 47

RESUMEN

ABSTRACT

La eficiencia de los algoritmos de reconocimiento facial está altamente relacionada a la calidad de las imágenes de entrada. Consecuentemente, el desafío surge al trabajar con fotografías de baja calidad, lo que, además, suele ser el caso en muchas aplicaciones desde criminología hasta redes sociales. Este artículo aborda este problema proponiendo dos algoritmos, “Tony” y “Quilladin”, para restaurar imágenes de baja calidad. Para medir el rendimiento, ambos métodos fueron comparados contra el conocido algoritmo “Blind” sobre 5 imágenes de tamaños diferentes y baja resolución. Tony tubo los mejores resultados en los tres tamaños menores, con una mejora del 4,8% comparado con el 3,75% de Blind.

Adicionalmente, estas aproximaciones fueron evaluadas en un espacio de inter-resolución, donde las imágenes de baja calidad no fueron solamente restauradas, sino que las imágenes reclutadas fueron degradadas. En estos experimentos, nuestra aproximación alcanzó más de un 300% de aumento en la eficacia en imágenes de baja resolución (8x11 pixels), al comparar sin restauración, y resultados similares a Blind en el espacio de inter-resolución, con menos de 1% de diferencia.

Considerando esto, Tony indica ser un algoritmo eficiente para la restauración de imágenes de muy baja calidad.

The efficiency of face recognition algorithms is closely linked to the quality of the input images. Consequently, the challenge arises when working with low-quality photographs, moreover this is usually the case in many applications, from criminology to social networks. This article tackles this dilemma by proposing two algorithms, namely, ‘Tony’ and ‘Quilladin’, to restore the low-quality images. To assess performance, both methods were compared with the well-known ‘Blind’ algorithm over 5 different low-resolution image sizes. Tony had the best results on the three smaller sizes, with a 4.8% improvement compared to 3.75% improvement with Blind. In addition, these approaches were tested in an inter-resolution space, where not only low-quality images were restored but also the enrolled images were degraded. In these experiments, our approach achieved over 300% accuracy improvement in very low-resolution images (8x11 pixels) when comparing with no restoration approaches and had similar results to Blind in inter-resolution space, with less than 1% difference. With this, Tony proves to be an efficient image restoration algorithm for very low-quality images.

Palabras clave: procesamiento de imágenes, reconocimiento facial, Quilladin, Tony, transformada de Fourier.

Keywords: image processing, face recognition, Quilladin, Tony, Fourier Transformation

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

El procesamiento de imágenes tiene múltiples áreas de aplicación, desde el mejoramiento de información pictórica para la interpretación humana, hasta el apoyo en la percepción por máquinas y software. Por ejemplo, cuando un usuario sube fotos a Facebook, el software sugiere amigos para ser etiquetados en la imagen de manera automática.

Facebook es capaz de procesas estas imágenes y determinar quien está presente. Esto puede ser realizado por varios algoritmos y todos ellos tienen un alto rendimiento en imágenes nítidas, enfocadas y libres de RUIDO (Dutta, Veldhuis & Spreeuwers, 2012). Sin embargo, el desafío surge cuando las imágenes son borrosas o de baja calidad. En estos casos existen dos aproximaciones diferentes; la primera, consiste en mejorar el algoritmo de reconocimiento facial a tal punto que es capaz de reconocer caras incluso en condiciones severas. La segunda opción es la de restaurar la calidad de la imagen con algún método de procesamiento antes de aplicar el algoritmo de reconocimiento facial. En este trabajo, el objetivo es restaurar las imágenes de baja

Image processing has a vast application area, from enhancement of pictorial information for human interpretation to assist machine and software perception.

For instance, whenever users post pictures on Facebook, the software automatically suggests friends to be tagged in the image. Somehow, Facebook is capable of processing these images and determine who is present. This can be achieved with several algorithms and all of them have higher performance in sharp, focused, NOISE-free pictures (Dutta, Veldhuis & Spreeuwers, 2012). However, the challenge arises when the images are blurry or low quality. In these cases, there are two different approaches; the first one is to improve the face recognition algorithm to such point that is capable to recognize faces even in harsh conditions. The second option is to restore quality with some image processing method before applying the face recognition algorithm. Herein, the objective is to restore the low-quality image to a sharper and better quality file.

48 / Investigaciones de los alumnos

calidad en archivos más nítidos y de mejor calidad. g = h* f

g = h* f

Ecuación 1. f representa la imagen original, h una matriz de degradación y g la imagen borrosa. Considerar que * corresponde a una convolución. Revisar el Principio Científico para mayor explicación.

Equation 1. f Is the original image, h a matrix representing the degradation, and g is the blurred image. Note that * is for convolution. See the Scientific Principle for further explanation.

La forma intuitiva de restauración sería encontrar el inverso de h de la Ecuación 1. Esto se conoce como el Filtro Inverso (Gonzalez & Woods, 2017). Sin embargo, esto tiene dos fallas principales: primero, h podría contener valores 0, lo que indefiniría h-1 . Segundo, no considera el ruido, lo que las imágenes suelen tener. Múltiples algoritmos, a través de diferentes aproximaciones, buscan reparar estos defectos, como el Filtro Wiener, Lucy- Richardson, Filtro Limitado de Mínimos Cuadrados (del inglés, Constrained Least Squares Filtering) y Blind (Gonzalez & Woods, 2017). Este último es particularmente interesante porque asume que la degradación (matriz h) es desconocida, lo que es habitualmente cierto, e intenta buscar una solución iterativa óptima para h.

The most intuitive restoration would be to find the inverse of h of Equation 1; this is called the Inverse Filter (Gonzalez & Woods, 2017). However, it has two main flaws; firstly, h might contain zero values that would undefine h-1; secondly, it does not consider noise, which images usually have.

Several algorithms look for different approaches to fix these flaws, such as Wiener Filter, Lucy-Richardson, Constrained Least Squares Filtering and Blind (Gonzalez & Woods, 2017). The latter is particularly interesting as it assumes the degradation (matrix h) is unknown, which normally is the case, and iterates to find the optimal solution for h.

Este artículo propone dos algoritmos de restauración, llamados “Tony” y “Quilladin”. A diferencia de los algoritmos previos, éstos no intentan encontrar h-1, sino que ambos apuntan a exaltar los bordes. La ventaja de esta aproximación reside en el hecho de que no es necesario conocer de antemano o predecirla (como lo hace Blind). El objetivo de esta investigación fue de evaluar la efectividad de estos algoritmos en imágenes de baja resolución.

This article proposes two restoration algorithms, called ‘Tony’ and ‘Quilladin’. Unlike the previous algorithms, these do not try to find h-1, instead both of them try to enhance borders. The advantage of this approach resides on not needing to know h, beforehand or guess it (as ‘Blind’ does).

The objective of this investigation was to evaluate how effective were this algorithms in low-resolution images.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

2.1. Algoritmos propuestos

2.1. Proposed Algorithms

2.1.1. Tony

2.1.1. Tony

Tony es un algoritmo sencillo inspirado en la MÁSCARA de nitidez (Gonzalez & Woods, 2017). Tony se concentra en el hecho de que las imágenes borrosas suelen estarlo, mayoritariamente, en los bordes. Si los pixels borrosos son un valor promedio y todos los valores de una máscara son el mismo, i.e. negro, entonces la imagen de salida será negra. En el caso del ícono negro del ejemplo mencionado en el Principio Científico, los pixels grises solo aparecerán donde hay áreas blancas y negras dentro de la máscara o, en otras palabras, en los bordes. Tony busca los bordes de las imágenes borrosas y luego trata de aumentar la tasa con la cual cambia la intensidad. Para detectar los bordes, Tony realiza una CONVOLUCIÓN de la imagen original (f) con un FILTRO GAUSS para obtener una imagen aún más borrosa (f '). Luego, el algoritmo sustrae ambas imágenes, lo que resulta en cero cada vez que ambas imágenes tienen el mismo valor, por tanto, no en un borde. Esta diferencia entrega una matriz con valores distintos de 0 en cada lugar

Tony is a simple algorithm inspired in the sharpen MASK (Gonzalez & Woods, 2017). Tony focuses on the fact that blurred images are mainly blurred on edges. If the blurriness is a weight average and all the values in the mask are the same, i.e. black, the output will be black. In the case of a black icon example mentioned in the Scientific Principle, gray pixels only appear when there are white and black areas within the mask, in other words on a border.

Tony finds the edges on the blurred image and then tries to increase the rate at which the intensity changes. To detect the borders, Tony performs a CONVOLUTION on the original image (f) with a GAUSS FILTER to get an even more blurred image (f '). Then, the algorithm subtracts both blurred images, resulting in zero wherever they have the same value, hence not a border. This difference gives a matrix with non-zero values in every place there is an edge; this last image is then amplified by a scalar (y) to increment the edges and added to the initial blurred image (Figure

Students’ research / 49

donde hay un borde. Esta última imagen es amplificada por un escalar (y), para aumentar los ejes, y sumada a la imagen borrosa original (Figura 1A). Tony no intenta llegar a la imagen original, por lo que opera más como un filtro de nitidez que como algoritmo de restauración, similar a los filtros presentes en Instagram o cualquier otra herramienta de procesamiento de imágenes.

1A). Tony does not try to get to the original image, more than a restoration algorithm it works as a sharpening filter, similar to the one present in Instagram or any other imageprocessing tool.

2.1.2. Quilladin

2.1.2. Quilladin

Los cambios radicales de color pueden ser visto como frecuencias altas en el dominio de frecuencia y dado que las imágenes borrosas pierden estos cambios radicales, pierden las frecuencias altas. Quilladin fue desarrollado para poder restaurarlos. Para lograr esto, una TRANSFORMADA DE FOURIER es aplicada a la imagen para transformarla al dominio de frecuencia (F). Luego, define una máscara Gaussiana invertida (MGI) desde 1 en el centro hasta n+1 en los bordes, siendo n un escalar dado. Luego, F es multiplicado por elementos con la MGI, dejando el centro casi intacto (bajas frecuencias), mientras que las altas frecuencias aumentan n+1 veces. Finalmente, transforma la imagen de vuelta al dominio espacial (x). Ver Figura 1B.

Radical color changes are viewed as high frequencies in the frequency domain, and blurry images lose radical changes.

Given this loss in the high frequency domain, Quilladin was developed in order to restore them. In order to do so, first a FOURIER TRANSFORMATION is applied to the image to transform it to the frequency domain (F). Then, it defines an inverted Gaussian mask (IGM) that goes from 1 in the center to n+1 in the edges, being n a given scalar.

Afterwards, F is multiplied (element-wise) with the IGM, leaving the center almost intact (low frequencies), whereas the high frequencies are incremented n+1 times. Finally, it transforms the image back to the space domain (x). See Figure 1B.

Figura 1A. Diagrama de Tony. f' corresponde a la imagen borrosa y y a un escalar. El ajuste de histograma asegura que cada pixel tenga un valor dentro de un rango válido.

Figure 1A. Tony Diagram. f' is the blurred image, and y a given scalar. Histogram Adjust makes sure every pixel value is within a valid range.

Figura 1B. Diagrama de Quilladin, f' es la imagen borrosa, FFT2 es una transformada de Fourier rápida e iFFT2 es su inverso. Adicionalmente .* Representa MULTIPLICACIÓN DE ELEMENTOS. Máscara Gaussiana es una máscara de Gauss invertida. El ajuste de histograma asegura que cada pixel tenga un valor dentro de un rango válido.

Figure 1B. Quilladin Diagram, f' is the blurred image, FFT2 is the fast Fourier transform and iFFT2 its inverse. Moreover .* denotes ELEMENT-WISE MULTIPLICATION. Gaussian Mask is an inverted gauss mask. Histogram Adjust makes sure every pixel value is within a valid range.

50 / Investigaciones de los alumnos

2.2. Reconocimiento facial

2.2. Face Recognition

El primer paso en la metodología de reconocimiento facial es el reclutamiento, donde imágenes bien definidas de personas conocidas fueron manualmente anotadas con sus identificaciones de sujetos. Luego, se le calcula un descriptor a cada imagen. Este descriptor es un vector donde cada elemento corresponde a una característica.

Por tanto, imágenes de la misma persona deberían tener descriptores similares. Por tanto, un sujeto en una imagen puede ser reconocido encontrando el descriptor que más se asemeje dentro de las personas reclutadas.

The first step in a Face Recognition methodology is the enrolment, where well-defined images with known people are manually annotated to their subject ID. Afterwards, a descriptor is calculated per image. This descriptor is a vector where each element corresponds to a characteristic; therefore, pictures of the same person should have similar descriptors. Thus, a subject in a face image can be recognized by finding the most similar descriptor within the enrolled people.

Para determinar el descriptor más similar, todos los descriptores fueron normalizados. Luego, se realizó un producto por puntos entre el descriptor de la imagen desconocida y cada descriptor. Vectores similares entregarán valores similares a 1 (referido como puntuación); por lo tanto, los descriptores con la mayor puntuación fueron seleccionados. Es necesario considerar que, para poder realizar un producto puntos, ambos descriptores deben tener el mismo tamaño. Por lo tanto, todas las imágenes deben ser del mismo tamaño. Para poder cumplir con este requisito, las imágenes de consulta fueron redimensionadas para calzar con el tamaño de las imágenes reclutadas.

To determine the most similar descriptor, all of the descriptors were normalized. Then, a dot product between the descriptor of the unknown face and every descriptor was done. Similar vectors give values (referenced as score) close to 1; therefore, the descriptor with the highest score is selected. Note that in order to be able to do a dot product, both descriptors must have the same size; hence, the images must be the same size. In order to fulfill this requirement, query images were resized to match the enrolled image size.

2.3. Comparación de imágenes

2.3. Image comparison

El trabajo hasta aquí presentado ocurrió previo a la comparación de caras. Los distintos procesos de restauración y degradación fueron hecho en las imágenes reclutadas o las de consulta. La Figura 1C ilustra el proceso completo.

The work done in this research was prior to the comparison of faces. Different restoration and degradation processes were done either to enrolled or query images. Figure 1C illustrates the whole process.

Para poder comparar la eficiencia de los distintos procesos, se usó un sistema de clasificación (Poh, Chan, Kittler, Fierrez & Galbally, 2012). Este sistema organiza los descriptores en orden descendiente de acuerdo a su puntuación. El rango corresponde a la posición en la cual el descriptor de la persona reclutada queda ubicado en esta lista ordenada.

Por ejemplo, en el caso de tres individuos reclutados A, B y C, junto a una IMAGEN DE CONSULTA de B. Al correr el sistema, éste entrega una lista de descriptores ordenada como: A, B, C; entonces, el rango 2 es B por estar en la

In order to compare the efficiency of the different processes the rank system (Poh, Chan, Kittler, Fierrez & Galbally, 2012) was used. This system arranges the descriptors in descending order by their score. The rank corresponds to the position where the person’s enrolled descriptor gets placed on this ordered list. For example if we have three enrolled individuals, A, B and C, and a QUERY IMAGE of B, and we run the system giving an ordered list of descriptors as follows: A, B, C, then the rank is 2 as B is in

Figura 1C. Metodología de reconocimiento facial.

Figure 1C. Face recognition methodology.

Students’ research / 51

segunda posición.

the second position.

El sistema de clasificación es usado cuando se testea una imagen desconocida. Como en nuestro método, se analiza más de una imagen desconocida, el sistema de clasificación por si solo no es suficiente. Por lo tanto, se graficó una curva de característica de coincidencia acumulativa (del inglés, Cumulative Match Characteristic) (Bolle et al., 2005), donde el enésimo valor corresponde a la cantidad de imágenes con rango n o menos. Luego, se calculó el área bajo la curva, donde mayores áreas implica que más imágenes tienen rangos menores (mejores), mientras que menores áreas significa que más imágenes tienen mayores rangos. Esta área fue la métrica utilizada para comparar los distintos procedimientos (referido como puntuación).

The rank system is used for when there is one unknown image tested, as in our method more than one unknown image was tested the rank by itself it is not enough.

Therefore, the Cumulative Match Characteristic (Bolle et al., 2005) curve was plotted, where the nth-point corresponds to the amount of images with rank n or lower. Afterwards, the area under this curve was calculated, where higher area means most images have low ranks (better) whereas lower area means more images have high ranks. This area was the metric used to compare the different procedures (referenced as score).

2.4. Caso de estudio

2.4. Study case

En este caso, 5 fotografías de 9 individuos fueron reclutadas y ordenadas desde las menos borrosa a la más borrosa, por persona. El algoritmo de Diagonal Laplaciana propuesto por Pertuz, Puig y Garcia (2013) fue usado para determinar cuan borrosa era la imagen. Los descriptores fueron calculados con el descriptor de aprendizaje profundo (del inglés, deep learning) del grupo Visual Geometry Group (VGG). Un total de 72 imágenes de consulta de este grupo de 9 personas fueron usados en el experimento. Todas las entradas fueron recolectadas de imágenes de la vida real y ninguno de los sujetos posó específicamente para esta investigación.

In this case, 5 pictures of 9 people were enrolled and ordered from less blurry to the blurriest, per person. The Diagonal Laplacian algorithm proposed by Pertuz (2013) was used to determine the blurriness level. The descriptors were calculated with the deep learning descriptor of the Visual Geometry Group (VGG). A total of 72 query images of this 9-people group, were used in the experiment. All inputs were collected from real life images, none where specifically posed for this investigation.

Al comparar contra las imágenes reclutadas, no siempre las 5 imágenes fueron utilizadas, la variable N fue usada para indicar cuantas imágenes fueron incluidas. Por ejemplo, si N=4, esto indica que fue testeado contra las primeras cuatro imágenes reclutados. El objetivo de esto fue testear si es que es mejor contar con una mayor cantidad de imágenes reclutadas, incluso si éstas eran borrosas.

Todas las imágenes reclutadas fueron forzadas a un tamaño de 120x165 pixels. Cada imagen de consulta fue redimensionada a cinco diferentes tamaños: 48x66, 24x33, 15x22, 8x11 and 5x7 pixels, denominadas L1, L2, L3, L4 y L5, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, ninguna imagen fue agrandada. Por lo tanto, si el tamaño de una imagen era de 6x8, entonces solo fue incluida en el grupo 5x7. Esto dio un total de 215 imágenes de consulta.

Las 215 imágenes de consulta fueron agrandadas, ya sea por interpolación bicúbica (Gonzalez & Woods, 2017) o mediante el algoritmo SCSR (Yang, 2010), para coincidir con el tamaño de las imágenes reclutadas. Consiguientemente, no recibieron más procesamiento (NFP, del inglés, no further process) o fueron procesadas con Blind, Tony o Quilladin.

When compared to the enrolled images, not always the 5 enrolled images per person were used, a variable N is used to indicate how many were used. For instance, if N=4, then it was tested against the first four enrolled images. The objective of this is to test if it is better to have more enrolled images, even if they are blurrier.

All enrolled images were forced to be sized 120x165 pixels.

Each query image was resized to five different sizes: 48x66, 24x33, 15x22, 8x11 and 5x7 pixels, named L1, L2, L3, L4 and L5, as shown in Figure 2. However, no image was enlarged; therefore, if an image was size 6x8 it would only appear in the 5x7 bucket. This gives a total of 215 query images.

This 215 query images were then enlarged, either by bicubic interpolation (Gonzalez & Woods, 2017) or by ScSR algorithm (Yang, 2010), to match the enrolled size.

Subsequently, they had no further process (NFP) or processed with Blind, Tony or Quilladin.

52 / Investigaciones de los alumnos

Figura 2. Imagen real desde donde las imágenes de consulta fueron extraídas. En la derecha se muestran las 5 imágenes de consulta con sus respectivos tamaños (en pixels).

Figure 2. Real image from where query images where extracted. On the right show 5 different query images with their size (pixels).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

El reclutamiento de más imágenes por sujeto, aumentando el N, tuvo un efecto positivo en la puntuación, especialmente en las imágenes más pequeñas. Esto dio un mejor entendimiento de la cara de la persona, por tanto, mejores puntajes. Adicionalmente, al aumentar el N, se reclutaron imágenes borrosas de las personas, lo que dio una mejor comparación para las imágenes de baja calidad.

Por tanto, N=5 obtuvo las mejores puntuaciones con un aumento promedio de 62,64%, con máximos de +120% en L4 y L5. Posteriormente, se testeó el algoritmo de redimensionamiento; SCSR mostró una mejora del 0,46% comparado con la interpolación bicúbica. Sin embargo, esta diferencia es mínima y podría deberse a la base de datos utilizada.

Enrolling more images per subject, increasing N, had a positive impact on the scores, especially on smaller images.

This gave a better understanding of the person’s face; hence better scores. Moreover, as N increases, blurrier images of the person are enrolled giving a better comparison for lowquality images. Therefore, N=5 had the best scores with an average score increment of 62.64%, peaking at L4 and L5 with a +120%. Afterwards, the resizing algorithm was tested; SCSR had an improvement of 0.46% over bicubic interpolation. However, the improvement is minimal, therefore it could just be due to the database.

El mejor algoritmo de procesamiento depende del tamaño de imagen. NFP tuvo resultados sorprendentemente altos en imágenes grandes, entregando el mejor resultado en L1 y la segunda mejor puntuación en L2, como se ilustra en la Tabla 1. Estas imágenes estaban tan bien definidas, que el procesamiento solo agregó ruido y las tornó menos reconocibles. Por otro lado, las imágenes L3, L4 y L5 obtuvieron las peores puntuaciones con NFP y los mejores resultados con Tony, correspondiendo a un aumento del 4.8% sobre NFP (ver Tabla 1).

The best processing algorithm depends of the image size.

NFP had astonishing high results in larger images, giving the best score on L1 and the second best score on L2, as Table 1 illustrates. These images are so well defined that processing them only adds noise to the image, hence less recognizable. On the other hand, L3, L4 and L5 images had the worst results with NFP and the best results with Tony, with a 4.8% improvement over NFP. See Table 1.

3.1. Espacio de inter-resolución

3.1. Inter-resolution space

Hasta este punto, las imágenes de baja resolución fueron procesadas para que se parezcan a las imágenes reclutadas. Sin embargo, existe una opción de un espacio inter-resolución (IR), donde no solo las imágenes de baja resolución son reconstruidas, sino que las imágenes reclutadas son degradadas. Dos algoritmos de degradación

Until this point, low-resolution images have been processed to look like the enrolled images. However, there is an inter-resolution space (IR) option, where not only the low-resolution image is reconstructed but also the enrolled

Students’ research / 53

fueron testeados para esto: los filtros Gaussianos y de mediana. Este último toma los valores de las medianas de las máscaras y es usado en la reducción de ruido, pues elimina los valores extremos.

image is degraded. Two degradation methods were tested: Gaussian and median filter. The last one takes the median value of the mask; it is used in noise reduction as outliers are eliminated.

El mejor tamaño de máscara aumentó en imágenes pequeñas. Éstas son de menor calidad, por lo que asemejar la IMAGEN RECLUTADA a la imagen de consulta requiere degradación adicional; i.e. una máscara más grande. L1 funciona mejor con máscaras de tamaño 21 para filtro gaussiano y 3 para FILTRO DE MEDIANAS; mientras que para L5, los mejores tamaños de máscara fueron 91 y 66 para filtro gaussiano y de medianas, respectivamente.

The best mask size used increased in smaller images. These are of lower quality; thus, to make the ENROLLED IMAGE similar to the query image it requires further degradation, hence a larger mask. L1 work best with masks sized 21 for Gaussian and 3 for MEDIAN FILTERS, whereas L5 best mask sizes where 91 for Gaussian and 66 for median.

Antes de usar IR, las imágenes de consulta fueron altamente procesadas para parecerse a las imágenes reclutadas, resultando en imágenes de consulta ruidosas. Mediante el uso de IR, existe menos procesamiento y, por lo tanto, menos ruido incorporado, resultando en un 6,27% de mejor. Este efecto aumenta en imágenes pequeñas, dado que son las que requieren mayor procesamiento, con una mejora del +10% para L4 y L5 (ver Tabla 1). Entre ambas degradaciones, el filtro Gaussiano entregó mejores resultados que el filtro de medianas en todos los tamaños de imagen excepto L5. Un N mayor, similar al caso sin IR, tuvo mejore resultados. Sin embargo, su efecto disminuyó hasta un 6,27% de mejora, dado que la necesidad de más imágenes borrosas es suplido por la degradación en IR.

Before IR, the query images where heavily processed to look like the enrolled images, giving noise query images.

With the use of IR, there is less processing, and, therefore, less noise added giving a 6.27% average improvement.

This effect is augmented in smaller images; as they require heavier processing, with L4 and L5 having +10% improvement, see Table 1 for more details. Between the two degradations, Gaussian gave better results than median in all images sizes except L5. A higher N, such as without IR, gave better results. However, its effect decreased to a 6.27% improvement, as the need of blurrier images is fulfill with the IR degradation.

In the restoration, NFP had better results, being the best algorithm for L2, L3 and L4. The degradation of the enrolled image makes them so similar to the query images, that only in L1 and L5 the need of a restoration algorithm

Tabla 1. Mejor puntuación para cada tamaño de imagen para los algoritmos de degradación y restauración. (M) indica que el mejor resultado se obtuvo con el filtro de medianas, mientras que (G) corresponde al filtro Gaussiano. El color de relleno indica el algoritmo de redimensionamiento. Azul indica SCSR y blanco interpolación bicúbica. Arriba, imágenes representativas de cada algoritmo de procesamiento. En cada caso, 5 imágenes fueron reclutadas por individuo (N=5).

Table 1. Best score for every image size by Degradation and Restoration algorithm. (M) Indicates that the best result was using a Median Filter whereas (G) stands for Gaussian Filter. The fill color indicates the resizing algorithm. Blue stands for SCSR resize where white is bicubic. Over the top, sample images illustrate each processing algorithm. In every case 5 images were enrolled per subject (N=5).

54 / Investigaciones de los alumnos

En la restauración, NFP tuvo los mejores resultados, correspondiendo al mejor algoritmo para L2, L3 y L4.

La degradación de las imágenes reclutadas las tornó tan similares a las imágenes de consulta, que solamente en L1 y L5 los algoritmos de restauración fueron necesarios.

was needed.

En IR, el redimensionamiento bicúbico tuvo los mejores resultados, con un aumento del 0,44% sobre SCSR. Sin embargo, L2 y L5 fue mejor con SCRS. Por tanto, los resultados son poco conclusivos.

Overall, enrolling more images, inter-resolution space and further processing improves the face recognition in lowquality images. This increases as the image size decreases.

Giving +300% in L4 and L5 over the N=1 with NFP, as Figure 3 shows.

En general, reclutar más imágenes, IR y el procesamiento adicional mejoraron el reconocimiento facial en imágenes de baja calidad. Esto aumentó a menores tamaños de imagen, con más de 300% en L4 y L5 sobre N=1 con NFP (ver Figura 3).

Tony y Quilladin aumentaron el rendimiento del algoritmo de reconocimiento facial ya que intensificaron los bordes al mejorar el contraste de las imágenes. Lo cual lograron de manera más drástica que Blind (ver figuras en la Tabla 1), por lo que Tony tuvo mejores resultados que Blind en L3, L4 y L5. Sin embargo, en L1 y L2, las imágenes de consulta no estaban borrosas, por lo que procesarlas con Tony o Quilladin las volvió sobre contrastadas, obteniendo peores resultados que Blind.

Al incorporar IR, Tony y Quilladin se tornaron menos efectivos que Blind. El problema de usar Tony o Quilladin e IR es que los primeros generan imágenes de alto contraste, mientras que el último produce imágenes de bajo contraste.

Así, operan en direcciones opuestas. Por lo tanto, una posible mejora sería probar algoritmos que aumenten el contraste en IR. Esto permitiría un uso más intenso de Tony y Quilladin en las imágenes de consulta que serían comparadas con imágenes reclutadas de alto contraste.

In IR, Bicubic resizing had better results, with an improvement of 0.44% over SCSR. However, L2 and L5 went better with SCSR. Therefore there is an unclear result.

Tony and Quilladin enhance the performance of the Face Recognition algorithm as they intensify the edges by increasing the contrast of the images. They do so in a more drastic way that Blind, see figures in Table 1 as reference, therefore Tony have better results in L3, L4 and L5 than Blind. However in L1 and L2 the query images are not blurred out, therefore processing then with Tony or Quilladin make an over-contrasted image, giving worst results than Blind.

When IR comes to play, Tony and Quilladin become less effective than Blind. The issue of using Tony or Quilladin and IR is that the first generate highly contrasted images as the latter generate low contrast images. Thus, they move in opposite directions. Therefore, one possible improvement would be to test in IR not only with algorithms that lower the contrast but also with algorithms that actually heightens them. This would allow a heavier use Quilladin and Tony in the query images to be matched with a contrasted enrolled image.

CONCLUSIONES

CONCLUSIONS

Para el reconocimiento facial en imágenes de baja calidad, el reclutamiento de imágenes borrosas tuvo un efecto

For the recognition of faces in low-quality images, the enrollment of blurry images had a positive effect. The

Figura 3. Mejora general de los mejores casos contra el caso inicial, N=1 y NFP, para cada tamaño de imagen L1, L2, L3, L4 y L5.

Figure 3. Overall improvement of the best case against the initial case, N=1 and NFP, for every image sizes L1, L2, L3, L4 and L5.

Students’ research / 55

positivo. El aumento de N, al añadir imágenes borrosas, y el uso de IR, demuestran que es más fácil comparar contra una imagen mal definida que contra una imagen altamente reconstruida, especialmente para Blind y NFP, donde IR mostró un aumento de 6,25% y 8,55%.

increase of N, adding blurrier images, and the use of IR demonstrate how is easier to compare to a non-well-defined image rather to have heavily reconstructed image, especially for Blind and NFP where IR gave an improvement of 6.25% and 8.55%.

Aunque Tony y Quilladin aumentaron su efectividad con IR, es discutible que esto represente la mejor aproximación.

Tanto Tony como Quilladin generaron imágenes de alto contraste. Por lo tanto, compararlas contra imágenes reclutadas borrosas no es tan efectivo como el uso de un algoritmo que no genere imágenes de consulta con alto contraste, como Blind. Sin embargo, una posible aproximación para aumentar el desempeño sería mediante el uso de un algoritmo de IR que aumente el contraste en las imágenes reclutadas, en comparación con la generación de imágenes más borrosas.

Even though Tony and Quilladin did increased with IR, it is arguable if this represents the best approach. Both Tony and Quilladin generated contrasted query images; therefore, comparing them to blurred-out enrolled images it is not as effective as using an algorithm which does not generate contrasted query images, such as Blind. However, a secondary approach for enhancing performance could be an IR algorithm that boosts the enrolled image contrast rather than blurring it out.

Agradecimientos

Acknowledgements

Agradecimientos especiales para Iván Sepúlveda, cocreador del algoritmo Quilladin. También a los 9 participantes que permitieron el uso de sus imágenes como parte de esta investigación.

Special acknowledgement to Iván Sepúlveda, co-creator of the Quilladin algorithm. Also, to the 9 participants that allowed the use of their images as part of this research.

GLOSARIO

GLOSSARY

IMAGEN DE CONSULTA: imagen de un sujeto desconocido que se busca reconocer.

IMAGEN RECLUTADA: imágenes que son manualmente mapeadas (o reclutadas) a sus respectivos sujetos. Son utilizadas para determinar a que sujeto corresponde la imagen de consulta.

MÁSCARA: matriz usada en el procesamiento de imágenes para modificar nitidez, hacer una imagen borrosa, detectar bordes y más. Estas máscaras usualmente son aplicadas a lo largo de la imagen.

También se llaman matrices de núcleo o convolución.

CONVOLUCIÓN: proceso de mover una máscara a lo largo de una imagen y ejecutar una función dentro de la máscara y a un área específica de la imagen.

MULTIPLICACIÓN POR ELEMENTOS: es una matriz de operación entre dos matrices A y B, donde cada valor en la matriz resultantes es producto de la multiplicación entre los valores de las mismas posiciones en A y B. Por tanto, si C es la matriz resultante, C(i, j) = A(i, j) * B(i, j).

Se indica usualmente por *.

FILTRO GAUSSIANO: convolución de una imagen mediante una máscara Gaussiana, donde los valores de la máscara corresponden a los valores de una distribución Gaussiana. Se utiliza para difuminar imágenes.

FILTRO DE MEDIANAS: convolución de una imagen mediante una función de medianas que entrega el valor de la mediana para cada área de la imagen. Es utilizada para la reducción de ruido, pues tiende a eliminar los valores extremos.

QUERY IMAGE: Image of an unknown subject we desire to recognize.

ENROLLED IMAGE: Images who are manually mapped (or enrolled) to subjects. They are used to determine to which subject a query image corresponds.

MASK: Matrix used in image processing for sharpening, blurring, edge detection and more. This mask is usually convoluted through the image. It is also named kernel and convolution matrix.

CONVOLUTION: Process of moving a mask through an image and executing a function within the mask and a certain area of the image.

ELEMENT-WISE MULTIPLICATION: It is a matrix operation between two matrix A and B, where every value in the result matrix is given by a multiplication between the values of than same position on A and B. Therefore, if C is the result matrix, C(i, j) = A(i, j) * B(i, j). Usually denoted by ‘.*’.

GAUSSIAN FILTER: Convolution of an image with a gauss mask. Where the values of this mask corresponds to values with a Gaussian distribution. It is used to blur out images.

MEDIAN FILTER: Convolution of an image with a median function, which returns the median value of every area of the image. It is used for noise-reduction, as outliers are eliminated.

56 / Investigaciones de los alumnos

RUIDO: en procesamiento de imagen corresponde a variaciones aleatorias del brillo o el color generando imágenes de aspecto granuloso. Usualmente se genera por errores en el sensor.

TRANSFORMADA DE FOURIER: transformación matemática utilizada para descomponer señales en las frecuencias que las componen. El resultado es usualmente llamado como representación del dominio de frecuencia de la imagen original.

NOISE: Noise in image processing is random variations of brightness or color generating grainy-looking images.

Usually generated by errors in the sensor.

FOURIER TRANSFORMATION: Mathematical transformation used to decompose signals into the frequencies that make it up. The result is usually named the frequency domain representation of the original image.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRICIPLE

Para poder restaurar una imagen borrosa, primero es necesario entender como ésta se genera. Asumiendo la imagen de un ícono negro sobre un fondo blanco (una silueta), esta imagen solamente debería tener dos intensidades de gris: blanco y negro. Sin embargo, si se obtiene una imagen fuera de foco del mismo objeto, la nueva imagen contendrá algunos pixels grises cerca de los bordes de los objetos. Esto ocurre porque el sensor de la cámara recibirá luz de ambas áreas del objeto, blanca y negra, y promediará los valores en una intensidad de gris.

In order to restore a blurred image the first step is to understand how blurriness is generated. Assuming an image of a black icon over a white background (a silhouette), this image should only have two gray intensities: black and white. However, if an out-of-focus image was shot of that same icon; the new image should have some gray pixels near the borders of the object. This occurs because the camera sensor receives light from both the white and black areas of the object and averages this input to a gray intensity.

Este modelo explica como el sensor de una cámara realmente promedia la luz. Define un área finita de interés, también conocida como máscara. Por tanto, otras áreas fuera de esta máscara no afectarán el color de los pixels ya que pixels gris aparecerán cerca de áreas blancas y negras, mientras los pixels blancos aparecerán en áreas puramente blancas (ver Figura 4). Al interior de la máscara ocurre un promedio de valores, existen diferentes formas de realizar esto; por ejemplo, un filtro de promedios tiene un factor de ponderación constante, mientras que un filtro Gaussiano pondera preferentemente los ítems del medio, donde los valores corresponden a una distribución Gaussiana.

Al usar una matriz de representación de imágenes, la degradación puede ser expresada mediante la fórmula representada en la Ecuación 1.

The blurriness model explains how the sensor actually averages the light. It defines a finite area of interest, also known as a mask. Thus, other areas outside this mask do not affect pixel color: gray pixels appear near white and black areas, whereas white pixels appear in white-only areas, see Figure 4 as reference. Within the mask a weight average occurs, there are different ways of executing the weight average, for instance the average filter has constant weight whereas the Gaussian filter gives more importance to the items in the middle, where the values of the weight correspond to a Gaussian distribution.

By using the matrix representation for images, degradation can thus be expressed with the formula exposed in Equation 1.

Students’ research / 57

Figura 4. Dos imágenes de íconos negros.

Abajo, la versión borrosa de la imagen superior. A la derecha, aumento de las zonas demarcadas por los recuadros rojos. Arriba, solamente dos colores son apreciables, blanco y negro. Mientras que abajo aparecen una serie de tonos de gris.

Figure 4. Two black icon images, the one on the bottom is a blurred version of the one in the top. To the right two close-ups of the red bounding-box, on the top only two colors is present, black and white. Whereas on the bottom different gray colors appear.

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Antonio Fontaine

Domingo Mery

28 / Investigaciones de los alumnos

Modelación de la satisfacción en transporte público utilizando datos reportados y datos medidos Public transportation satisfaction modeling using reported and measured data Javier Orellana Troncoso1, alumno de 4° año.

Sebastián Raveau Feliú1, profesor asistente.

Javier Orellana Troncoso1, alumno de 4° año.

Sebastián Raveau Feliú1, profesor asistente.

Departamento de Ingeniería de Transporte y Logística, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: sraveau@ing.puc.cl

Department of Transportation and Logistics Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Corresponding author: sraveau@ing.puc.cl

1

1

Students’ research / 59

RESUMEN

ABSTRACT

La PERCEPCIÓN de los usuarios respecto a atributos de nivel de servicio no es usualmente contemplada en la MODELACIÓN de transporte, por lo que se podría no captar todos los impactos del fenómeno en estudio.

El objetivo de esta investigación es determinar si la percepción del hacinamiento o los DATOS MEDIDOS sobre densidad de pasajeros en vagones de Metro explican mejor la satisfacción experimentada en un viaje, representada por una nota que los usuarios otorgan al servicio. Para lograr esto se comparan dos modelos de tipo LOGIT ORDINAL, uno utilizando los datos reportados por el usuario y el otro los datos medidos por Metro. Se obtiene como principal resultado que las diferencias en términos de ajuste entre ambos modelos no son significativas. Por lo tanto, utilizar solo datos medidos, que no consideran la percepción, no constituye una medida que genere sesgo significativo en la evaluación de la satisfacción que experimentan los usuarios en un viaje en Metro.

User PERCEPTION regarding attribute levels of a service is not often considered in transportation systems MODELLING, because omission of key aspects of the phenomenon under study is likely. The aim of this research is to determine whether subway car crowding perception or MEASURED DATA by Metro are better descriptors of experienced journey satisfaction, represented by user score given to the service. To achieve this, two ORDINAL LOGIT models were compared, one is based on user reported data and the other on data measured by Metro. The main result was that there are no significant differences on goodness of fit between both models. Therefore, using only measure data, which do not incorporate perception, does not significantly bias the measurement of user-experienced satisfaction on Metro journeys.

Palabras clave: percepción, hacinamiento, satisfacción, logit ordinal, transporte público.

Key words: perception, crowding, satisfaction, ordinal logit, public transportation.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La evaluación de la calidad de los sistemas de transporte está directamente relacionada con la operación y percepción de los usuarios respecto al funcionamiento del servicio. Por esta razón, entender el impacto de variables subjetivas en la satisfacción asociada al uso del servicio es relevante para mejorar la planificación, gestión y calidad del sistema.

Quality evaluation of transportation systems is directly related to the operation and user perception on service performance. Thus, the understanding of subjective variables in the satisfaction associated to service usage is relevant to improve planning, management and overall system quality.

En el caso de Chile, existen mediciones de percepción de niveles de servicios o experiencias de viaje a través de encuestas presenciales o en línea (Directorio de Transporte Público Metropolitano, 2014). Estas cuentan con una escala de evaluación de 1 a 7 para distintos ítems (por ejemplo: ¿con qué nota evalúa al servicio entregado por este recorrido?), además de recopilar información socio-económica del encuestado. No obstante, en la modelación tradicional de sistemas de transporte la información relacionada con la percepción de los usuarios no es utilizada con frecuencia (principalmente porque, en general, no se cuenta con dicha información). En cambio, se utilizan variables medibles u observables, como tiempo de viaje, de espera y costo entre otras (Ortúzar y Willumsen, 2011). Esto podría causar que los modelos utilizados no cuenten con todas las variables relevantes e información disponible, generando sesgos en la estimación que pueden impactar directamente en la toma de decisiones respecto a la intervención del sistema.

In Chile, there are measurements of service level perception or travel experience through in-person or on-line surveys (Metropolitan Public Transportation Directory, 2014). These are based on a 1 to 7 score scale for different items (for example, with what score do you grade the overall service by this route?), and collect socio-economic information of the respondent. However, traditional modelling of transportation systems satisfaction perception data reported by the users is not frequently used (mainly because, generally, such information is not available). Instead, measurable and observable variables are used, such as travel time, waiting time, and cost, among others (Ortúzar y Willumsen, 2011). This could imply that the used models do not include all the relevant variables and available information, introducing biases that could directly affect decision-making policies regarding system interventions.

60 / Investigaciones de los alumnos

No obstante, si bien no es la norma en la planificación de transporte en Chile, existen diversos estudios que han buscado modelar variables subjetivas (Ortúzar y Hutt, 1984; Yáñez et al., 2010) y, particularmente en el área de satisfacción con el transporte público, considerar percepciones resulta fundamental (Tyrinopoulos y Antoniou, 2008; Mouwen, 2015).

Although not the norm in Chilean transportation planning, several studies have sought to model subjective variables (Ortúzar y Hutt, 1984; Yáñez et al., 2010); and, in the assessment of public transportation satisfaction, considering user perception is essential (Tyrinopoulos y Antoniou, 2008; Mouwen, 2015).

En esta investigación se busca determinar si existen diferencias significativas entre dos modelos Logit Ordinal que intentan cuantificar la satisfacción experimentada en el último viaje en la Línea 1 de Metro. El primero utiliza datos sobre la percepción de hacinamiento de los usuarios y el segundo sigue un enfoque tradicional, utilizando datos de operación del sistema; en este caso, la densidad medida en pasajeros por metro cuadrado.

This research seeks to determine if there are significant differences between two Ordinal Logic models that attempt to quantify the experienced satisfaction of the latest journey on the Line 1 of Metro. The first model uses crowding user perception data, while the second follows a traditional approach by using operational data of the system, which, in this case, corresponds to density measured in passengers by square meter.

2. METODOLOGÍA Y EXPERIMENTACIÓN

2. METHODOLOGY AND EXPERIMENTATION

2.1 Metodología

2.1 Methodology

La metodología utilizada para modelar el fenómeno estudiado es el modelo Logit Ordinal (McKelvey y Zavoina, 1975) que es idóneo para analizar encuestas donde se utiliza una ESCALA SEMÁNTICA para evaluar algún ítem (Williams, 2006). Este modelo busca predecir la respuesta de los usuarios respecto a su grado de satisfacción según la escala semántica (variable endógena) a partir de la respuesta a otras preguntas y su información socio-económica (variables exógenas). El modelo estima coeficientes para cada variable exógena, que representan el impacto de esa variable en el resultado de la variable endógena.

The used methodology to model the phenomenon under study was the Ordinal Logit model (McKelvey y Zavoina, 1975), which is optimal to analyze surveys that rely on a SEMANTIC SCALE to evaluate variables (Williams, 2006).

This model seeks to predict user response about their degree of satisfaction according to a semantic scale (endogenous variable) from their answers to other questions and their socio-economic information (exogenous variables). The model estimates coefficients for each exogenous variable that represent the impact of said variables on the result of the endogenous variable. In this case, the endogenous variable to be explained is the score (from 1.0 to 7.0, being 7.0 the highest positive score) that the users assign to the Metro service in the surveyed area. Some exogenous variables that seek to explain said score to the service are, user-experienced train occupation (reported by users and assessed by Metro), trains left go by, and socio-economical information such as age, sex and commune of residence of the individuals.

En este caso, la variable endógena que se intenta explicar es la nota (de 1,0 a 7,0) que los usuarios del Metro asignan al servicio en la encuesta realizada. Algunas variables exógenas que buscan explicar la nota otorgada al servicio son: la ocupación experimentada por los usuarios (reportada y medida por Metro), los trenes dejados pasar e información socio-económica como edad, sexo y comuna de residencia del individuo.

2.2 Fuentes de información

2.2 Information sources

Las fuentes de información utilizadas en el estudio son dos.

La primera es una encuesta realizada por Jaime Soza-Parra (estudiante de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile) entre el lunes 17 y el jueves 20 de Julio de 2017 en la Línea 1 del Metro de Santiago, en las salidas de cuatro estaciones de esta línea (República, Universidad de Chile, Pedro de Valdivia y Manquehue), entre las 7:00 y 12:00 horas del día. En esta se solicitó a los encuestados que evaluarán con una nota (de 1,0 a 7,0) el viaje experimentado en la Línea 1. También se preguntó por el nivel de OCUPACIÓN máximo experimentado en el viaje (i.e. señalando que ilustración de la Figura 1A representaba mejor la situación), el lugar dentro del vagón en que se encontraba cuándo el vagón

The information sources used in this study were two.

Firstly, a survey performed by Jaime Soza-Parra (graduate student from the Doctorate in Engineering Sciences from Pontificia Universidad Católica de Chile) between Monday, July 17, and Thursday, July 20, 2017, at the exits of four stations of Line 1 of Metro de Santiago (República, Universidad de Chile, Pedro de Valdivia and Manquehue), between 7:00 am and 12:00 pm. In this survey, participants were asked to grade (with a score from 1.0 to 7.0) the experienced journey on Line 1. They were also asked for the highest OCCUPATION level experienced in this journey (i.e. by pointing which illustration on Figure 1A better represented the situation), their position in the train car at its fullest (by using Figure 1B), the number of trains

Students’ research / 61 A

B

Figura 1. Encuesta de ocupación experimentada (A) y ubicación (B) dentro del vagón de Metro. Los pasajeros debían indicar que número de la figura superior representaba mejor el estado del vagón y el lugar donde se encontraban indicando las coordenadas en la figura inferior.

Figure 1. Experienced occupation (A) and location (B) inside the Metro train car. Passengers were asked to point which number in A better represented the state of the car and the coordinates in B that described their position.

estaba más lleno (también a través de la Figura 1B), la cantidad de trenes dejados pasar, e información socioeconómica como sexo, edad y comuna de residencia.

La segunda fuente corresponde a datos proporcionados directamente por Metro para efectos de esta investigación, respecto a la operación de la Línea 1 en los días en que se realizó la encuesta. Entre estos datos se encuentra la carga, frecuencia y densidad de pasajeros dentro de los trenes (también llamada ocupación), en intervalos de 15 min para las distintas estaciones.

Para realizar una comparación equivalente entre la ocupación reportada por el usuario a través de la imagen mostrada en la Figura 1 y los datos de Metro, se realizó una transformación de la imagen escogida por el usuario a nivel de ocupación de manera uniforme entre 0 y 6 pasajeros/m2.

let pass by, and socio-economical information such as age, sex and commune of residence of the individuals.

The second source of data, regarding the operation of Line 1 during the surveyed days, was directly provided by Metro.

Among the data was the load, frequency and passenger density (also termed occupation) of the trains at 15-minute intervals for the different stations.

In order to perform an equivalent comparison between user-reported occupation, by means of Figure 1, and the data provided by Metro, the images of occupation level chosen by the users were transformed in a uniform fashion to a scale from 0-6 passengers/m2.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Análisis previo

3.1 Previous analysis

En primer lugar, se realizó un análisis de CORRELACIÓN entre la ocupación reportada por el usuario y la entregada por Metro. El valor obtenido fue 0,33, lo que es bastante bajo y constituye un indicio que la ocupación percibida difiere significativamente de la ocupación real experimentada. En la Figura 2 se presenta un diagrama de dispersión entre la ocupación dada por Metro y la reportada por el usuario.

Es posible apreciar que los datos de densidad no presentan una tendencia clara. Existen personas que reportaron un nivel de ocupación bajo, aunque Metro reportaba una alta ocupación para ese mismo día y hora, y viceversa. Esto corrobora la baja correlación obtenida.

Firstly, a CORRELATION analysis between occupation reported by users and delivered by Metro was performed.

The result obtained was 0.33, which is rather low and indicates that perceived occupation significantly differs from actual experienced occupation. Figure 2 shows a dispersion diagram between occupation reported by Metro and the users. It is possible to appreciate that the density data do not show any clear tendency. There were users that reported low occupation while Metro reported high occupation for the same date and time, and vice versa.

Thus, confirming the low correlation obtained.

62 / Investigaciones de los alumnos

Figura 1. Relación entre la densidad medida por metro y la densidad reportada por el usuario.

Figure 1. Relation between densities measured by Metro and reported by the users.

Se estimó un primer modelo Logit Ordinal que incorporaba tanto la densidad reportada por el usuario como la dada por Metro, en conjunto con VARIABLES DICOTÓMICAS para el sexo y la cantidad de trenes dejados pasar. Este simple modelo entregó como resultado que la densidad medida por Metro no resultaba significativa, mientras que la densidad reportada sí lo era al 95% de confianza. Este primer modelo sugiere que los datos reportados por el usuario respecto a la satisfacción experimentada en el viaje son más relevantes que los datos medidos, y por lo tanto no deben ser considerados simultáneamente en un mismo modelo.

Se decidió seguir modelando la situación de manera separada, para así obtener una especificación utilizando la ocupación medida por Metro y otra utilizando la ocupación reportada, para después comparar resultados.

Dicha comparación permite ilustrar la potencial ventaja de usar un tipo de dato u otro en el análisis de sistemas de transporte público.

An initial ordinal logit model was estimated, which incorporated densities reported by Metro and the users, along with a set of DICHOTOMIC VARIABLES for sex and the number of trains let pass by. This simple model indicates that the density measured by Metro was not significant, while the user reported density was with 95% confidence. This first model suggests that user reported data are more relevant for experienced journey satisfaction than measured data; therefore, they should not be simultaneously considered within the same model.

It was decided to continue modeling the situation in separate way, in order to obtain one analysis for the occupation measured by Metro and a different one for the user reported occupation, and then compare these results. Such comparison allows illustrating the potential advantage of using these types of data in the analysis of public transportation.

3.2 Análisis de modelos finales

3.2 Analysis of final models

3.2.1 Modelo para ocupación reportada por el usuario

3.2.1 User reported occupation model

Utilizando la variable densidad reportada por el usuario, la mejor especificación encontrada para explicar la calificación con respecto al viaje en Metro contiene las siguientes variables:

Using the user reported density variable, the better specification to explain the score for their journeys in Metro contains the following variables:

• Densidad Reportada (DENS_REP) como una variable lineal.

• Reported Density (DENS_REP) as a lineal variable.

• El sexo (SEXO) como una variable dicotómica que vale uno cuando la persona es mujer y cero cuando es hombre.

• La cantidad de trenes, modelada como dos variables dicotómicas. La primera (TREN_1) toma el valor uno

• Sex (SEXO) as a dichotomic variable with values of one for women and zero for men.

• The number of trains left pass by, modeled as two dichotomic variables. The first one (TREN_1), has a value of one when the person lets one train go by or zero for other

Students’ research / 63

cuando la persona deja pasar un tren y valor cero en otro caso; la segunda (TREN_2), toma el valor uno cuando la persona deja pasar dos o más trenes.

• El rango de edad entre 18 a 35 años (EDAD_12) también como variable dicotómica, que vale uno cuando la persona está en ese rango de edad y cero en otro caso.

• Una interacción (P_DENS) entre la variable DENS_REP y una variable dicotómica que vale uno cuando la persona reporta que iba en la zona cercana a la puerta del vagón durante el viaje.

La Tabla 1 muestra los valores de los coeficientes asociados a las variables anteriores.

Variables

cases; the second variable (TREN_2), has a value of one when the person lets two or more trains pass by.

• Age range between 18 and 35 years old (EDAD_12), also as a dichotomic variable with value one if the person is within the range and zero otherwise.

• An interaction (P_DENS) between the variable DENS_ REP and a dichotomic variable with value of one when the person reports being in the area next to the train car entrance during the trip.

Table 1 shows the values of the coefficients associated to the aforementioned variables.

Value

t Test

DENS_REP

-0.32

-7.51

EDAD_12

-0.56

-4.00

SEXO

0.28

2.06

Tren_1

-0.60

-3.25

Tren_2

-1.16

-5.73

P_DENS

-0.08

-230

Observations Log-likelihood Index ρ

2

699 -1,064.07 0.218

Tabla 1. Modelo con ocupación reportada por el usuario.

Valores de los coeficientes asociados a la especificación del modelo.

Table 1. User reported occupation model. Coefficient values associated to model specification.

El signo negativo de la ocupación reportada (DENS_ REP) implica que mientras mayor sea esta, menor será la nota otorgada al viaje efectuado, lo cual es un resultado esperado.

La variable EDAD_12 indica que las personas entre 18 y 35 años evalúan de forma más negativa el viaje que el resto de los rangos etarios. Este grupo lo conforman estudiantes y adultos jóvenes, quiénes podrían tener una opinión general más negativa del sistema.

The negative sign for reported density (DENS_REP) implies that the higher this value, the lower the score given to the accomplished journey, which is to be expected.

The variable EDAD_12 indicates that users between 18 and 35 years old evaluate the journeys more negatively than the rest of the age ranges. Students and young adults, who might have a more negative overall opinion on the system, comprise this group.

The variable SEXO indicate that women evaluate better

64 / Investigaciones de los alumnos

La variable SEXO indica que las mujeres evalúan de mejor forma el viaje en comparación con los hombres. Quizás, esto se debe a que ellas normalmente intentan subir a vagones más vacíos para evitar el hacinamiento.

Con relación a los trenes dejados pasar, estos se modelaron con dos variables dicotómicas para probar si el efecto de dejar pasar un tren era distinto al de dejar pasar dos o más trenes; esto se vio confirmado por las diferencias relativas de los parámetros obtenidos. Además, TREN_2 impacta más negativamente en la nota que TREN_1, lo cual es esperable.

Finalmente, la variable P_DENS implica que mientras mayor sea la densidad dentro del vagón la calificación dada al viaje es menor cuando el usuario se encuentra en el sector de la puerta, en comparación con cualquier otro lugar del vagón. Este resultado es coherente, ya que a mayor densidad en el vagón quiénes van en la puerta están sometidos a la fricción de la subida y bajada de pasajeros.

their trips in comparison to men. This might be due to the fact the female users tend to board more empty trains to avoid crowding.

In relation to the amount of trains let pass by, this was modeled with two dichotomic variables in order to test if the effect of letting one train pass by is different of letting two or more trains go by. This was confirmed by the relative differences between the obtained parameters. Furthermore, TREN_2 has a stronger negative impact on the score than TREN_1, which is to be expected.

Finally, the variable P_DENS implies that for higher densities inside the train car, the final score for the trip will be lower if the users were nearby the door as compared to any other place inside the wagon. This result is coherent, because at higher densities, the passengers that are located nearby the doors experience friction associated to the boarding of other users.

3.2.2 Modelo para ocupación entregada por Metro

3.2.2 Metro reported occupation model

Utilizando la densidad entregada por Metro, la mejor especificación encontrada para explicar la satisfacción del viaje contiene las siguientes variables:

Using density data delivered by Metro, the better specification found to explain journey satisfaction has the following variables:

• La densidad real medida (DENS_REAL) como variable lineal.

• Real density (DENS_REAL) measured as a lineal variable.

• EDAD_DENS_1 es uno si la persona tiene entre 35 a 60 años, y EDAD_DENS_2 que es igual a uno si la persona es mayor de 60. Ambas variables ingresan interactuando con la densidad.

• El sexo (SEXO) que nuevamente toma el valor uno cuando la persona es mujer.

• Ir sentado (SENTADO), que es una variable dicotómica que vale uno cuando la persona realizó su viaje sentada.

• La cantidad de trenes dejados pasar, que se ingresó nuevamente como dos variables dicotómicas.

• La interacción (P_DENS) entre la densidad (DENS_ REAL) y una variable dicotómica que vale uno si la persona iba en la zona de la puerta del vagón, igual que antes.

• Dos interacciones entre los trenes dejados pasar y el rango de edad. La primera, T_EDAD_1 vale uno si la persona deja pasar un tren y tiene entre 35 a 60 años, mientras que T_EDAD_2 vale uno si la persona deja pasar dos o más trenes y tiene entre 35 a 60 años.

Respecto a la interpretación para DENS_REAL, P_DENS, SEXO, TREN_1 y TREN_2, esta es igual a la realizada para el modelo con la ocupación reportada por el usuario.

El signo positivo de la variable SENTADO implica que ir

• EDAD_DENS_1 equal to one if the person is between 35 and 60 years old; and EDAD_DENS_2 equal to one if the person is older than 60. Both variable are included interacting with density.

• Sex (SEXO), also considered as one if the person is female.

• To be seated (SENTADO), which is a dichotomic variable with value one if the person experienced the journey sited.

• The amount of trains let pass by, which was again included as two dichotomic variables.

• The interaction (P_DENS) between density (DENS_ REAL) and a dichotomic variable with value one if the user was located near the door, as before.

• Two interactions between the trains let pass by and the age range. Firstly, T_EDAD_1 with value one if the person lets one train pass by and is between 35-60 years old; and, secondly, T_EDAD_2 with value one if the person letting one or more trains go by is 35-60 years old.

In relation to the interpretations for DENS_REAL, P_ DENS, SEXO, TREN_1 y TREN_2, these are comparable to the ones realized for the model of user reported occupation.

Students’ research / 65

Variables

Value

t Test

DENS_REAL

-0,13

-2,99

EDAD_DENS_1

0.15

3.06

EDAD_DENS_1

0.17

2.32

P_DENS

-0.13

-3.23

SENTADO

0.41

2.24

SEXO

0.23

1.65

TREN_1

-0.57

-2.40

TREN_2

-1.34

-5.05

T_EDAD_1

-0.55

-1.61

T_EDAD_2

-0.65

-1.77

Observations Log-likelihood Index ρ

2

699 -1,099.73 0.191

Tabla 2. Modelo con ocupación real de Metro.

Valores de los coeficientes asociados a la especificación del modelo.

Table 2. Model of real Metro occupation. Coefficient values associated to model specification.

sentado durante el viaje mejora la calificación dada al viaje, lo que es esperable.

Los valores de las interacciones T_EDAD_1 y T_EDAD_2 sugieren que a las personas entre 35 a 60 años les impacta más negativamente dejar pasar trenes, en comparación con los demás rangos etarios. Este resultado es esperable, ya que este grupo está conformado por personas adultas que deben llegar a su trabajo a tiempo.

The positive sign of the variable SENTADO implies that being sited during the trip improves the score given, which is to be expected.

The values of the interactions T_EDAD_1 and T_EDAD_2 suggest that for people between 35 and 60 years old, letting trains pass by has a greater negative impact than for the rest of the age groups. This result is expected, since this group is comprise of adults that need to get on time their work places.

Por último, las interacciones EDAD_DENS_1 y EDAD_ DENS_2 sugieren que las personas entre 35 a 60 y mayores de 60 años, califican de mejor forma el viaje en comparación a las personas menores de 35 años a medida que experimentan más ocupación. Este resultado no era esperable, pues a mayor ocupación se esperaba una peor evaluación del sistema. Sin embargo, analizando los datos, el rango etario de 35 a mayores a 60 conforma el 51% de las personas que van sentadas durante su viaje. Por lo tanto, este resultado puede estar explicado porque las personas en ese rango de edad no experimentan tanto los efectos de la ocupación dado que van en su mayoría sentados.

Lastly, the interactions EDAD_DENS_1 and EDAD_ DENS_2 suggest that, upon higher occupation, people between ages 35 and 60 and over 60 years old give a better score for their trips than users below age 35. This result is surprising, because at higher occupation a lower evaluation of the system was expected. However, after data analysis, the age range from 35 to 60 corresponds to the 51% of the passengers that are seated during their trips. Thus, this result might be explained because the people within this age range do not experience much of the effects of high occupation, since most of them are seated.

3.3 Comparación de modelos

3.3 Model comparison

Utilizando una base de validación de 200 datos no utilizados en la modelación, se calculó el índice FPR

Using a validation database of 200 data points not included in the modeling, a FPR (first preference recovery) index,

66 / Investigaciones de los alumnos

(first preference recovery) o porcentaje correctamente predicho, que corresponde a una medida agregada que entrega la proporción de individuos que efectivamente escoge la opción que recibía máxima utilidad de acuerdo al modelo (Ortúzar y Willumsen, 2011). Ese índice puede ser comparado con un modelo base que entrega a todas las alternativas la misma probabilidad de elección (esto es, una recuperación al azar de las notas entregadas por los encuestados), a fin de determinar si el modelo analizado es informativo.

El índice FPR para el modelo utilizando los datos reportados por los usuarios obtuvo un valor de 0,34, mientras que para el modelo con los datos de ocupación entregados por Metro el valor fue 0,32. Un modelo equiprobable posee una recuperación al azar de 0,14. Ambos modelos estimados son informativos.

Para evaluar la capacidad predictiva de los modelos con mayor profundidad, en las Tablas 3 y 4 se presentan las notas predichas por ambos modelos para la misma base de validación de 200 observaciones. Ambos modelos predicen totales similares a los observados. Al aplicar un test ChiCuadrado para comparar los totales observados y predichos, el modelo con ocupaciones medidas por metro obtiene un valor de 2,61 y el modelo con ocupaciones reportadas por los usuarios obtiene un valor de 2,48. Ambos valores son menores que el valor de tabla de 12,59 al 95% de confianza, por lo que se rechaza ampliamente la hipótesis que las notas predichas y modeladas son distintas.

Ambos análisis permiten concluir que el modelo con densidad reportada es similar al modelo con datos medidos.

Por lo tanto, las diferencias entre ambos modelos no representan una medida que genere un sesgo significativo en la evaluación que los usuarios tienen del sistema de Metro y, para este caso, utilizar datos que incorporen la subjetividad de los usuarios no genera un beneficio en la estimación.

or correctly predicted percentage, was calculated. This corresponds to an aggregated measurement that gives the proportion of individuals effectively choosing the option with highest utility according to the model (Ortúzar y Willumsen, 2011). In order to determine if the used model is informative, this index can be compared to a base model that gives all the alternatives the same choice probability (thus, a random score recovery from the surveyed users).

The FPR index for the model with user reported data was 0.32, while the model with Metro provided data had a score of 0.32. An equiprobable model has a random recopery of 0.14. Therefore, both estimated models are informative.

To further evaluate the predictive capacity of the models, Tables 3 and 4 present the scores projected by both models for the same validation database of 200 observations. Both models predicted similar total scores to the observed ones.

Total observed and calculated values were compared by means of a Chi-squared test; the model with occupation measured by Metro had a value of 2.61, while the model with user reported occupation had a value of 2.48. Both values were lower than the table value of 12.59 at 95% confidence, which strongly rejects the hypothesis that predicted and modeled scores were different.

Both analyses support the conclusion that the model with reported densities is similar to the model with measured data. Thus, differences between both models do not represent a significant bias in the user evaluation of the Metro system, and, for this case, using data that incorporates user subjectivity does not benefit the estimation.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

En esta investigación se estudió el impacto de la ocupación en la satisfacción reportada por usuarios de la Línea 1 de Metro. En particular, se analizó si existen diferencias significativas entre modelos que consideran la percepción de ocupación reportada por los usuarios y la densidad medida por Metro. Para esto se utilizaron datos provenientes de una encuesta de satisfacción (medida mediante una nota de 1,0 a 7,0) e información operacional proporcionada por Metro de Santiago.

In the research herein, the impact of occupation on the reported satisfaction by users of Line 1 of Metro was studied.

Particularly, the existence of significant differences between models that consider user perception of occupation and real density measured by Metro was analyzed. In order to do this, data from a satisfaction survey (measured by scores from 1.0 to 7.0) and Metro de Santiago operational information were used.

Los dos modelos reportados poseen un buen ajuste estadístico y se comportan similarmente al momento de predecir. A partir de los resultados presentados se concluye que no hay diferencias significativas en términos de ajuste entre los dos modelos presentados. Esto a pesar de que la ocupación reportada y medida por Metro tienen una

Both reported models showed good statistical fitness and show similar predictive capacity. From the results herein, it was concluded that there are no significant difference in terms of goodness of fit between models. Although reported occupation and measured occupation by Metro had a low correlation, the highest reported value is more significant when both variables are included in the same model.

Students’ research / 67

Observed score

Model predicted score 1

2

3

4

5

6

6

Total

1

0.50

0.33

0.30

1.70

1.48

1.37

1.31

7

2

0.18

0.13

0.12

0.74

0.70

0.63

0.50

3

3

0.46

0.28

0.24

1.27

1.19

1.27

1.30

6

4

1.85

1.36

1.31

9.09

9.63

9.59

9.17

42

5

1.29

0.98

0.98

7.58

9.50

10.70

10.98

42

6

1.29

0.99

0.99

7.99

10.62

12.54

13.57

48

7

1.27

0.96

0.96

7.78

10.91

13.89

16.23

52

Total

6.84

5.04

4.89

36.15

44.02

49.99

53.07

200

Tabla 3. Capacidad predictiva del modelo con ocupación real de Metro.

Table 3. Real Metro occupation model predictive capacity.

Observed score

Model predicted score 1

2

3

4

5

6

6

Total

1

0.50

0.33

0.30

1.70

1.48

1.37

1.31

7

2

0.18

0.13

0.12

0.74

0.70

0.63

0.50

3

3

0.46

0.28

0.24

1.27

1.19

1.27

1.30

6

4

1.85

1.36

1.31

9.09

9.63

9.59

9.17

42

5

1.29

0.98

0.98

7.58

9.50

10.70

10.98

42

6

1.29

0.99

0.99

7.99

10.62

12.54

13.57

48

7

1.27

0.96

0.96

7.78

10.91

13.89

16.23

52

Total

6.84

5.04

4.89

36.15

44.02

49.99

53.07

200

Tabla 4. Capacidad predictiva del modelo con ocupación reportada por el usuario.

Table 4. User reported occupation model predictive capacity.

correlación baja y que el valor reportado es más significativo cuando ambas variables se incluyen en un mismo modelo.

Por lo tanto, el modelo que no utiliza datos relacionados a la percepción estaría de igual forma captando los efectos más relevantes para explicar el fenómeno.

Actualmente, una limitación de la modelación en transporte es que se utilizan datos medidos que no consideran la percepción del usuario. Sin embargo, a través de esta investigación podemos afirmar que esto no es un enfoque del todo equivocado debido a que las diferencias entre ambas formas de modelar entregan resultados similares.

De todas formas, una limitación del estudio realizado es que no se consideró otras variables subjetivas para modelar

Therefore, the model that does not include perceptionrelated data would still capture the more relevant effects to explain the phenomenon.

Currently, a limitation of transportation modeling is that it typically uses measured data without considering user perception. However, through the research presented here, we can assert that this approach is appropriate, since both methodologies give similar results.

In spite of this, one limitation of this study is the lack of consideration of other subjective variables to model satisfaction, such as safety. Therefore, in a different context, such as the modeling of bus ride satisfaction, there could be other relevant variables related to perception. Thus,

68 / Investigaciones de los alumnos

la satisfacción, por ejemplo, la seguridad. Por lo que en un contexto distinto como modelar la satisfacción en buses podría haber más variables ligadas a la percepción que sean relevantes. Por lo tanto, la modelación en transporte debería comenzar a incorporar cada día más datos relacionados con la percepción de los usuarios. Este tipo de datos entregan información que no es posible captar con datos medidos y que, por lo tanto, podrían ayudar a entender mejor los fenómenos en estudio.

transportation modeling should start considering more data related to user perception. These type of data provide information that is not possible to capture with measured data; and, as such, they could help better understand the study phenomena.

Agradecimientos

Acknowledgments

Agradecimiento a Jaime Soza-Parra, Estudiante de Doctorado del Departamento de Ingeniería en Transporte y Logística, porque a través de su encuesta para su tesis de doctoral y los datos que él consiguió con Metro de Santiago se hizo posible esta investigación.

Thanks to Jaime Soza-Parra, PhD student from the Department of Transportation and Logistics Engineering, because through the survey for his doctoral thesis and the data he obtained from Metro de Santiago, this research was possible.

GLOSARIO

GLOSSARY

CORRELACIÓN: En matemáticas, el concepto hace referencia a la relación lineal y proporcional entre dos variables. Si el valor de estas cambia sistemáticamente al variar los valores de la otra, entonces se puede afirmar que existe un grado de correlación entre estas.

DATOS MEDIDOS: En este caso, nos referimos a datos que no incorporan la subjetividad de los usuarios. Por lo tanto, los datos medidos son, por ejemplo, datos de la operación de un sistema tales como: ocupación, velocidad, frecuencia, etc.

ESCALA SEMÁNTICA: Escala utilizada para valorar un ítem a través de niveles definidos con palabras, como, por ejemplo, una escala que va de “Muy en desacuerdo” a “Muy de acuerdo”.

INTERACCIÓN: Resultado de considerar el efecto conjunto de dos variables dentro de un modelo.

FPR: Proporción correctamente predicha que corresponde a una medida agregada que representa la proporción de individuos que efectivamente eligen la alternativa de máxima utilidad de acuerdo con el modelo. La ventaja que tiene es que es fácil de entender y calcular, permitiendo entender la capacidad de predicción del modelo.

LOGIT ORDINAL: Modelo que intenta predecir la respuesta de los individuos a través de la respuesta a otras preguntas apoyándose también en información socio-económica de los individuos (en caso de que esté disponible). Es especial para trabajar con encuestas en base a escalas semánticas.

MODELACIÓN: Construir una representación abstracta de la realidad que tome en cuenta las variables más relevantes del fenómeno que se desea representar con el objetivo de analizarlo, describirlo, predecirlo y simularlo de acuerdo con el tipo de modelo usado.

CORRELATION: in mathematics, this concept refers to the lineal and proportional relation between two variables. If the value of one changes systematically when varying the other, then it can be claimed that a degree of correlation exists between these variables.

MEASURED DATA: for the purpose of this study, referred to data that do not include user subjectivity.

Thus, examples of measured data are the operation information of a system such as, occupation, velocity, frequency, etc.

SEMANTIC SCALE: scale used to value an item through levels defined with words, such as a scale that goes from “Strongly disagree” to “Strongly agree”.

INTERACTION: the result of considering the combined effect of two variable within a model.

FPR: first preference recovery. Proportion correctly predicted that corresponds to an aggregated measurement of individuals that effectively choose the alternative of maximum utility according to a certain model. It has the benefit of being easy to interpret and to calculate, allowing the understanding of the predictive capacity of the model.

ORDINAL LOGIT: model that attempts to predict the response of individuals through their answer to other questions, relying also on socio-economical information of the individuals (if available). This is particularly useful to work with surveys based on semantic scales.

MODELING: to build an abstract representation of reality that takes into account the more relevant variables of the phenomenon under study with the aims of analysis, description, prediction and simulation according to the used model.

Students’ research / 69

OCUPACIÓN: Cantidad de pasajeros por metro cuadrado.

PERCEPCIÓN: Proceso mental que procesa los estímulos externos generando una reacción de rechazo u aceptación, según el esquema mental construido por la persona. Posee carácter subjetivo debido a que varía de una persona a otra y es influenciada por la experiencia del individuo.

VARIABLES DICOTÓMICAS: Variables que sólo pueden tomar dos valores posibles. Se utilizan para generar categorías dentro de los modelos. Por ejemplo, una variable dicotómica para el sexo que representa a una mujer cuando toma el valor uno y a un hombre cuando es cero.

OCUPATION: amount of passengers per square meter.

PERCEPTION: mental process that takes external stimuli and generates a reaction of acceptance or rejection, according to the person’s schema. It is of subjective nature because it varies from person to person and it is influenced by the individual’s experience.

DICHOTOMIC VARIABLES: variables that can only have to possible values. They are used to generate categories within models. For example, a dichotomic variable for sex represents a woman by 1 and a man by 0.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

El principio científico utilizado se basa en la teoría de utilidad aleatoria que postula que la utilidad se deriva de los atributos y/o características de las alternativas. Los supuestos de modelación de esta teoría indican que los individuos maximizan su nivel de utilidad, son racionales, poseen información perfecta de las alternativas, actúan de forma determinística y poseen un conjunto de alternativas.

The scientific principle behind this study is based on the random utility theory that postulates that the utility derives from the attributes and/or characteristics of the alternatives.

The model assumptions of this theory suggest that the individuals maximize their level of utility, they are rational, they possess perfect information of the alternatives, they act in a deterministic way and have a given set of alternatives.

Para cada alternativa existe una función de utilidad asociada al individuo (Uiq), la cual posee dos componentes.

La primera es una componente de utilidad representativa (Viq) que depende directamente de los atributos asociados a la alternativa, mientras que la segunda es una componente de error aleatorio (εiq) que representa los gustos particulares del individuo y todo lo que el modelador omite en la especificación (Ortuzar, 2000).

For each alternative there is a utility function associated to the individual (Uiq), which has two components. The first is a representative utility (Viq) that directly depends of the attributes associated to the alternative, while the second is a random error component (εiq) that represents individual particular preference and everything that the model omits in its specifications (Ortuzar, 2000).

(1) En el caso de que la componente de error aleatorio distribuya Gumbel independiente e idénticamente distribuida se obtiene la forma funcional que da origen a los modelos Logit utilizados como base del estudio realizado.

In the case that the random error component is a sequence of independent and identically distributed Gumbel distribution, the functional form that gives rise to the Logit models is:

(2)

Donde: Piq: Probabilidad de que el individuo q elija la alternativa i Viq: Utilidad reportada por la alternativa i al individuo q A(q): Conjunto de alternativas disponibles para el individuo q.

Where: Piq: Probability of individual q choosing alternative i.

Viq: Reported utility of choice i to the individual q.

A(q): Set of alternatives available to individual q.

70 / Investigaciones de los alumnos

REFERENCES Directorio de Transporte Público Metropolitano, Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones. (2014). Evaluación de los Usuarios al Sistema de Transporte Público Metropolitano. Recuperado de http://www.transantiago.cl/files/estaticas/ Evaluacion%20de%20Usuarios%20del%20Sistema%20de%20DTPM_DEF.pdf McFadden, D. (1974). Conditional logit analysis of qualitative choice behaviour. En Zarembka, P. (ed.), Frontiers of Econometrics. Academic Press, New York, 105-142.

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Javier Orellana

Sebastián Raveau

Métodos numéricos para la ecuación de Bloch Numerical methods for Bloch equation Martín Guerra1, alumno de 3er año.

Carlos Sing-Long1, profesor asistente.

Martín Guerra1, 3rd year student.

Carlos Sing-Long1, assistant professor.

1 Instituto de Ingeniería Matemática y Computacional, Escuela de Ingeniería y Facultad de Matemáticas, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: casinglo@uc.cl

1 Institute of Mathematical and Computational Engineering, School of Engineering and School of Mathematics, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Corresponding author: casinglo@uc.cl

72 / Investigaciones de los alumnos

RESUMEN

ABSTRACT

El siguiente artículo presentará una forma de abordar un problema aplicado al mundo real, planteándolo matemáticamente, usando como ejemplo la resolución de la ecuación de Bloch. Para ello se necesita modelar el problema matemáticamente en una ecuación general, mediante la cual se buscará encontrar el método numérico adecuado para poder resolverla. Para ello, usamos los métodos de Euler considerados: explícito, implícito, modificado, siendo el último el mejor. Luego, en una versión simple de la ecuación, se busca entender las variables de ésta y cómo explican el fenómeno que se busca representar, en este caso, como un campo magnético externo interactúa con uno interno mucho menor. Se resuelve usando el método escogido. Así se logra ver como las distintas constantes elegidas afectan los cambios descritos por los resultados para así resolver la ecuación de Bloch general.

Se concluye que la importancia de cómo se eligen los métodos y el entendimiento de la ecuación son importantes para simularla, ya que un error en éstos implica uno en la solución final.

This article presents an approach to a real world problem, by posing it from a mathematical perspective, using the Bloch equation as an example. In order to do this, the problem will be mathematically modeled as a general equation, through which the numerical method to solve it will be sought. For this, explicit, implicit, and modified Euler methods were used, the latter being the best. Then, the understanding of its variables, and how they explain the represented phenomenon, was sought through a simplified version of the equation.

In this case, this equation represented how an external magnetic field interacts with a smaller and internal one.

When solving the equation using the chosen method, it is possible to assess how the different choices for the constants affect the results. We then proceed to solve the general Bloch equation. In conclusion, the choice of method and the understanding of the equation are relevant to solving it, since any error in these implies errors in the final solution.

Palabras clave: Métodos numéricos, EDO, modelamiento matemático.

Key words: Numerical methods, ODE, mathematical modeling.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Las ecuaciones de Bloch son un modelo matemático fundamental para estudiar fenómenos de resonancia, como la resonancia magnética nuclear o la formación de imágenes por resonancia magnética. Dichas ecuaciones describen la interacción entre un campo magnético oscilante con un material en presencia de un campo magnético externo.

Pero, cuando se busca reconstruir imágenes por resonancia magnética, el método más utilizado es la transformada de Fourier. Por ello, el uso de éstas sigue siendo mínimo en esta aplicación. La ecuación principal, a continuación, modela la magnetización en el tiempo cuando ésta interactúa con un campo magnético externo,

Bloch equations are a fundamental mathematical model to study resonance, such as nuclear magnetic resonance or image formation by magnetic resonance. These equations describe the interaction between an oscillating magnetic field of a material in the presence of an external magnetic field. However, for magnetic resonance image reconstruction, the most common methods use Fourier transforms. Thus, the use of Bloch equations is still reduced for this application. The main equation models the magnetization over time when it interacts with an external magnetic field, described below,

(1)

donde M(t) es el vector magnetización del material, B(t) es el vector del campo magnético externo y γ es la constante giromagnética; en este caso es la de los protones ya que consideraremos átomos de hidrógeno. El problema de este modelo, es que no explica el decaimiento de la

Where M(t) is the material magnetization vector, B(t) is the external magnetic field vector, and γ is the gyromagnetic constant of protons, since hydrogen atoms are being considered for this case. The problem with this model is that it does not explain magnetization decay. If (1) were

Students’ research / 73

magnetización. Si (1) representara fielmente la realidad, M(t) precesaría a la frecuencia de Larmor ( ), siendo B0 la norma del campo magnético externo) infinitamente sin decaer, lo que no ocurre. Esto sí lo representa la ecuación de Bloch, la cual presentaremos más adelante.

to faithfully represent reality, M(t) should precess at the ), where B0 is the external Larmor frequency ( magnetic field norm) into infinity without decaying, which does not happen. However, the reality of decay is contained in the Bloch equation, which will be presented later on.

En esta investigación, resolveremos estas ecuaciones usando distintos MÉTODOS NUMÉRICOS y veremos cuál de estos métodos es el mejor para obtener los resultados esperados con el mínimo error posible. Los métodos numéricos que vamos a utilizar serán los métodos de Euler: EULER EXPLÍCITO, EULER IMPLÍCITO y EULER MODIFICADO. Se espera que los primeros dos métodos no produzcan resultados cualitativamente correctos, pero que sí lo haga el último método, siendo este una combinación de los dos primeros. Además, se modificará el vector B(t) con perturbaciones para ver cómo esto afecta nuestros resultados no sólo analíticamente sino que también numéricamente.

In this research, by using different NUMERICAL METHODS, we will solve these equations in order to evaluate the best way to obtain the expected results with the least possible error. The numerical methods to be used are the Euler methods, namely EXPLICIT EULER, IMPLICIT EULER and MODIFIED EULER. The first two methods are not expected to produce qualitatively correct data; however, the latter, which is a combination of the other two, is expected to work. Additionally, the B(t) vector will be perturbed in order to assess how it affects the data both analytically and numerically.

Después, se obtendrán los resultados con los distintos métodos y explicaremos la razón de estos matemáticamente.

Luego, descartaremos los dos peores métodos y se trabajaremos la ecuación de Bloch con el mejor. Esta ecuación nace de (1), pero agregando parámetros que ayudan a modelar el decaimiento de la magnetización.

Lo anterior modela casos en los que representamos la magnetización y el campo magnético con un solo vector cada uno, por lo que luego, trabajaremos en los casos en los que modelaremos dichas magnitudes con varios vectores, es decir, ya no sólo dependerán del tiempo, sino que también del espacio.

After obtaining the data with the different methods, they will be mathematically explained. Then, the worst two methods will be discarded and the work will continue with the best one. The Bloch equation comes from (1) by including the parameters that help modeling magnetization decay. We will start modeling cases in which the magnetization and magnetic fields are each represented by a single vector as opposed to a complete vector field. Afterwards we will work on cases in which said magnitudes are modelled with time and space variant vector fields.

2. METODOLOGÍA

2. METHODS

2.1. Planteamiento del problema inicial

2.1. Initial problem proposition

Antes de resolver (1) numéricamente, es necesario plantear dicha ecuación de forma distinta. Como se puede ver en (1), esta ecuación es lineal, es decir, se puede encontrar una matriz de transformación A(t) tal que al multiplicarla por M(t) se obtendrá lo mismo que al hacer el producto cruz de esta con B(t). Entonces podemos reescribir (1) como,

Prior to numerically solving (1) it is necessary to state the equation differently. As (1) shows, this is a linear equation; therefore, it is possible to find a transformation matrix A(t) such that its product with M(t) will be equivalent to its cross product with B(t). Thus, (1) can be rewritten as:

(2)

donde A(t) es la siguiente matriz,

Where A(t) is the following matrix,

74 / Investigaciones de los alumnos

Ahora bien, a (2) se le puede sumar un vector b(t) que dependerá del tiempo y su aparición en la ecuación dependerá de las condiciones del material en cuestión y condiciones exteriores no relacionadas con el campo magnético externo B(t). Por lo tanto, obtenemos,

After this, a time-dependent vector b(t) can be added to (2), and its occurrence in the equation will depend on the analyzed material and external conditions not related to the external magnetic field B(t) . Therefore, we get, Now, the equations to be solved and analyzed can be

(3)

Ahora, planteamos los problemas que vamos a resolver y analizar, lo que haremos con los métodos de Euler explícito, implícito y modificado. De momento el vector b(t) será nulo. Además, se tendrán dos vectores de campo magnético externo en distintos instantes de la simulación. Uno será el campo magnético principal y el otro será el campo magnético de excitación. Estos son, respectivamente,

stated through the explicit, implicit, and modified Euler methods. Initially, the vector b(t) will be considered null.

Furthermore, two distinct external magnetic fields will be considered at different times in the simulation. One will be the main magnetic field and the other will be the excitation magnetic field. These are, respectively,

donde, es la frecuencia de Larmor, B0 es el campo magnético externo inicial y ΔB(t) es la perturbación.

Where is the Larmor frequency, B0 is the initial external magnetic field, and ΔB(t) is the perturbation.

2.2. La ecuación de Bloch

2.2. Bloch equation

Después del análisis de resultados, podemos trabajar con la ecuación de Bloch, parecida a (3). Esta ecuación logra modelar el decaimiento del vector M(t) hasta su estado de equilibrio,

After analyzing the results, a Bloch equation similar to (3) can be used. This equation can model the decay of the vector M(t) until its equilibrium state,

(4)

donde Meq es el vector magnetización en el equilibrio (este es paralelo al vector del campo magnético externo B(t)) y T una matriz con los valores de T1 y T2 que representan los tiempors de relajación, generalmente del orden de [ms],

Where Meq is the magnetization vector at equilibrium (this is parallel to the external magnetic field B(t) and T a matrix with values T1 and T2 that represent relaxation times, typically in the order of [ms],

Students’ research / 75

Ahora, reordenando términos en (4), obtenemos la siguiente ecuación,

By rearranging the terms in (4), the following results,

(5) donde,

(t)=γA(t)-T y b(t)=TMeq, con,

Where

(t)=γA(t)-T and b(t)=TMeq, with,

Luego, (5) será la ecuación con la que trabajaremos y mantendremos constantes los parámetros de γ, T1, T2 y meq. Entonces, estaremos alterando el vector de campo magnético externo B(t), siendo estas las perturbaciones.

Then, (5) should be the equation to use with γ, T1, T2 y meq constant. Then, the variations in the external magnetic field B(t) will be the perturbations to the model.

2.3. Ecuación de Bloch con varios vectores de magnetización

2.3. Bloch equation with multiple magnetization vectors

Por ahora, hemos trabajado con una variable, el tiempo, por lo que nuestra ecuación ha sido una EDO en todo momento.

Pero, cuando es necesario plantear problemas usando la ecuación de Bloch, se trabaja con un campo magnético y una magnetización que cubren todo un espacio. Entonces, estos pueden ser representados como varios vectores de campo externo y de magnetización en el espacio. Luego, cada vector B(t) y M(t) pasa a ser escrito como B(x, t) y M(x, t) ya que depende también de la posición espacial de estos. Entonces, (5) se escribe

Until now, we have worked with only one variable, namely time; thus, being an ordinary differential equation (ODE) at all times. However, the proposition of problems using Bloch equations implies a magnetic field and magnetization that encompasses all space. These fields can be represented as multiple vectors for external field and space magnetization.

Next, each B(t) and M(t) is described as B(x, t) and M(x, t) due to their dependence on spatial position. Therefore, (5) is written as,

(6) donde (x ,t) dependerá del vector B(x ,t), ya que este puede no depender del tiempo en algunos casos (cuando no hay perturbaciones), pero sí podrá depender del espacio,

Where (x ,t) will depend on the vector B(x ,t), since the latter may not depend on time only in those cases in which there are space perturbations,

ΔB(t) será una fracción de Bz(x, 0)=B0. Dependiendo del B(x, t) con el que se trabaje se modificará la matriz (x ,t).

Además, las constantes T1, T2 y meq dejarán de serlo ya que estas empezarán a depender del espacio, por lo que ahora las escribimos como, T1(x), T2(x) y meq(x), ya que dependiendo de la zona del espacio en la que se trabaje habrá un distinto

Where ΔB(t) will be a fraction of Bz(x, 0)=B0. Depending on the B(x, t) to be used, the matrix (x ,t) will be modified.

Moreover, T1, T2 and meq stop being constants because they depend on space; thus, they are described as T1(x), T2(x) and meq(x). Depending on the considered sector of space, there are different equilibrium vectors and relaxation times.

76 / Investigaciones de los alumnos

vector de equilibrio y distintos tiempos de relajación.

En principio tendríamos una ecuación en derivadas parciales (EDP), por lo que habría que plantearnos de nuevo como resolver el problema. Pero, como discretizaremos los vectores M(x,t) en una cantidad finita y trabajaremos con cada uno de ellos por separado, estos ya no dependerán del espacio, puesto que fijamos la componente espacial en cada vector. Esto porque no hay derivadas espaciales.

Podríamos decir que sería como trabajar con un sistema de EDOs donde la cantidad de estas dependerá de la cantidad de vectores M(x,t) que discreticemos.

This would correspond to a partial differential equation (PDE), and would need a new approach to its solution.

However, by discretization of the vectors M(x,t) into a finite quantity, and by working with them separately, these will no longer depend on space since that component is fixed for each vector. This is possible because there are no spatial derivatives. Therefore, this is like working with a system of ODEs where the number of equations will depend on the number of M(x,t) to be discretized.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Primeras soluciones

3.1. First solutions

Primero se implementaron los programas para simular los tres métodos de Euler para resolver (2). Se espera que dado un vector M(t) inicial, un vector de magnetización externa B(t) (el cual será 0 en sus componentes x e y y 3[T] en su componente z) y = 42.5764·106 [Hz], el primero precese de forma infinita y estable, ya que no hay términos que modelen algún tipo de decaimiento. Los resultados obtenidos (Figura 1), con los tres métodos de Euler, representan el campo visto desde arriba, es decir los cambios en las componentes x e y del vector magnetización dado el campo magnético externo.

Firstly, the programs to simulate the three Euler methods to be solved (2) were implemented. Given an initial M(t) vector, a B(t) external vector (with 0 in its x and y components and 3[T] in its z component) and a = 42.5764·106 [Hz], an infinite and stable precession of the first was expected, since there are no terms to model any type of decay. The results of the three Euler methods (Figure 1) represent a view from the top of the field; i.e., the changes in x and y components of the magnetization vector, given the external magnetic field.

Se observa que el método de Euler modificado es el que más se asemeja a la realidad, ya que la norma del vector magnetización se mantiene. Mientras que los métodos explícito e implícito divergen. Es justamente por este resultado que cuando se trabaje con la ecuación de Bloch se dejará de lado los dos primeros métodos y se trabajará únicamente con el método modificado. Ahora, como el método modificado mantiene la norma constante por su formulación matemática,

The modified Euler method yields results closest to reality, since the magnetization norm is maintained, while the explicit and implicit methods diverge. Precisely by these results, when working with the Bloch equation, the first two methods will not be considered and only the modified Euler method will be used. Now, since the latter maintains the magnetization norm constant by its mathematical formulation,

(7)

Desarrollando un poco y multiplicando por Mn+1T a la derecha se obtiene,

And by expanding and multiplying by Mn+1T, we get, (8)

Ahora, como A es antisimétrica y constante, el segundo término del lado izquierdo es cero. Luego, si multiplicamos (7) por MnT por la derecha obtenemos,

Since A is antisymmetric and constant, the second term to the left is 0. Then, by multiplying (7) by MnT, we get,

(9)

Students’ research / 77

Figura 1. Resultados de la ecuación (2) con los tres métodos de Euler.

Figure 1. Results from equation (2) with the three Euler methods.

Por las propiedades de A, el primer término del lado derecho es cero. Luego, el segundo término del lado izquierdo de (9) es igual al primer término del lado derecho de (8), por lo que tenemos que , es decir la norma se mantiene.

By the properties of A, the first term of the right side is 0.

Then, the second term of the left side of (9) is equal to the first term of the right side of (8). Thus, we have that , i.e. the norm, is maintained.

3.2. Resolvemos la ecuación de Bloch

3.2. Solving the Bloch equation

Ahora resolvemos la ecuación de Bloch (5), con el método de Euler modificado, en este caso planteamos las siguientes constantes,

Now, we solve the Bloch equation (5) with the modified Euler method. In this case, we propose the following constants:

además, el vector B(t) sería el vector con perturbación con la frecuencia de Larmor: y el será una fracción de B0.

Moreover, the vector B(t) would be the perturbed vector with the Larmor frequency and would be a fraction of .

Los resultados (Figura 2) muestran como M(t) sale del equilibrio por un tiempo, durante el que B(t) tiene todas sus componentes distintas de 0, se puede ver como la magnetización va procesando y su componente vertical (el eje z) va disminuyendo en desmedro de sus componentes transversales.

These results (Figure 2) show how M(t) is temporarily out of equilibrium, while B(t) has all the components different from 0. It can be appreciated how the magnetization shows precession and its vertical component (z axis) diminishes at the expense of its transversal components.

Luego, una vez que se cumple el tiempo especificado en el que se usa un campo externo con perturbación se cambia dicho vector por uno igual al de (2) y ahí se puede ver, dados

Initially, an external field with perturbation was used.

Then, after the specified time was completed, this vector was changed by another one equal to (2). Here, given the small values for T1 and T2, a rapid decay of the transversal

Figura 2. Resultados de la ecuación (5).

Figure 2. Results for equation (5).

78 / Investigaciones de los alumnos

los pequeños valores de T1 y T2, un rápido decaimiento de las componentes transversales M(t) y un aumento de la componente vertical de este.

Estos son los resultados esperados a la ecuación, ya que este busca describir no sólo el decaimiento magnético sino que también el regreso al equilibrio.

components of M(t), along with a rapid increase in its vertical component, can be appreciated.

These results were expected, since this equation seeks not only to describe the magnetic decay, but also its return to equilibrium

3.3. Soluciones de la ecuación de Bloch con más de un vector

3.3. Solutions to Bloch equation with multiple vectors

Finalmente, buscamos resolver la ecuación general de Bloch, por lo que sumamos una cantidad finita de vectores que representan una magnetización y les aplicamos a cada uno un campo externo diferente. Como no tiene sentido graficar todos los vectores, se hicieron simulaciones con 1024 vectores de magnetización y graficamos la suma de todos los vectores componente a componente. En aplicaciones prácticas de resonancia magnética, sólo importan las componentes horizontales para obtener una señal, y como son esencialmente iguales los resultados de las componentes x e y graficamos la primera (Figura 3).

Además, se mantuvo constante T1, T2 y meq, la frecuencia cuando había perturbación fue la de Larmor.

Finally, we sought to solve the general Bloch equation; thus, we added a finite number of vectors that represent magnetization and we applied a different magnetic field to each. Since graphing every vector is not important, 1024 simulations with magnetization vectors were performed and the sum of each component per vector was graphed.

In practical applications of magnetic resonance, only the horizontal components are important to get a signal, and since the results of the components for x and y are essentially identical, we only graphed the first (Figure 3).

Moreover, T1, T2 and meq were kept constant, and, upon perturbation, the Larmor frequency was used.

Luego,como se tuvo un vector B(x, t) con perturbación hasta un cierto punto en el tiempo, después se cambió al vector vertical que dependerá de una función en su última componente, la que a su vez cambiará en un determinado momento a otra función, usaremos tres funciones distintas para Bz(las llamaremos Bz1, Bz2 y Bz3 respectivamente). Las constantes utilizadas, al igual que las funciones serían las siguientes,

Then, we will use three different functions for (termed , and , respectively), since the vector with perturbation was used for a limited time, then changed to a vertical vector that depends on a function of its last component, which, in turn, changed at a set time to another function. The constants and the functions used were as follows,

donde, Gx y Gy son fracciones de B0 y en este ejemplo son iguales.

Where Gx and Gy are fractions of B0 and, in this case, equal.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Dado el planteamiento esta investigación, se tuvo como objetivo poder resolver el caso más general de la ecuación de Bloch. Para cumplir dicho objetivo se necesitaba encontrar un método numérico que pueda darnos soluciones en las que se observe como las distintas variables de las ecuaciones afectan cualitativamente dichos resultados.

Primero, se planteó una ecuación (2) que servía como

Given the approach of this research, the objective was to solve the more general case of the Bloch equation. A numerical method capable of providing solutions was needed, in order to show how the different variables within the equations qualitatively affect the results.

Firstly, an equation that served as an experiment to compare

Students’ research / 79

Figura 3. Sum of the X components of the solutions for equation (6).

Figure 3. Sum of the X components of the solutions for equation (6).

experimento para poder comparar los tres métodos de Euler y elegir el que nos entregaba la solución correcta como el método numérico a utilizar. El mejor método fue el de Euler modificado. Segundo, se planteó la ecuación de Bloch pero en el caso en que solo dependía del tiempo, es decir, con un solo vector en cuestión. De esta forma se estudió en detalle cómo afectaban las variables de la ecuación a los resultados de esta, por ejemplo el factor que multiplicaba las primeras dos componentes del vector B(t) nos indicaba que tan rápido iba a decaer la componente vertical del vector M(t). Después, se resolvió la ecuación de Bloch en su forma general, dependiendo del tiempo y del espacio, lo que nos entregó los resultados obtenidos en la última parte.

Finalmente, es importante recalcar que lo que esta

the three different Euler methods was proposed (2), in order to choose the correct solution as numerical method to be used. The best method was modified Euler. Secondly, a Bloch equation was proposed, but only depending on time; that is, with only one vector to be considered. This allowed the detailed study of how the results are affected by the equation variables. For example, the multiplying factor of the first two components of B(t) vector as an indicator of the decay velocity of M(t) vector. Afterwards, the Bloch equation was solved in its general form, depending on time and space, which led to the final results.

Finally, it is important to note that this research does not aim to present the actual Bloch equation solutions, but the procedure, and the implications associated to it, which led to the correct solution for the equations.

GLOSARIO

GLOSSARY

ECUACIÓN DIFERENCIAL ORDINARIA (EDO): Es una ecuación matemática cuya incógnita es una función diferenciable, puesto que dicha ecuación relaciona el valor de la función con sus derivadas, que depende de una sola variable.

ECUACIÓN DIFERENCIAL PARCIAL (EDP): Es una ecuación cuya incógnita es una función diferenciable, puesto que dicha ecuación relaciona el valor de la función con sus derivadas, que depende de al menos dos variables.

EULER EXPLÍCITO: Método numérico iterativo para resolver EDOs que consiste en discretizar la variable en cuestión de modo que para cada iteración se calcula el resultado utilizando los resultados de la iteración anterior, es decir, la ecuación se va resolviendo explícitamente.

EULER IMPLÍCITO: Método numérico iterativo para resolver EDOs que consiste en discretizar la variable en cuestión de modo que para cada iteración se calcula el

ORDINARY DIFFERENTIAL EQUATION (ODE): a mathematical equation whose unknown variable is a differentiable function, since this equation relates the value of the function with its derivatives, which, in turn, depend on a single variable.

PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATION (PDE): a mathematical equation whose unknown variable is a differentiable function, since this equation relates the value of the function with its derivatives, which, in turn, depend on two or more variables.

EXPLICIT EULER: numerical method to solve ODEs consisting on discretizing the unknown variable in a way that results for every iteration are calculated using data from the previous iteration; i.e. the equation is solved explicitly.

IMPLICIT EULER: iterative numerical method to solve ODEs consisting on discretizing the unknown variable in a way that results for every iteration are obtained within the same iteration; i.e. the equation is

80 / Investigaciones de los alumnos

resultado utilizando los resultados que se obtienen en la misma iteración en la que se está, es decir, la ecuación se va resolviendo implícitamente.

EULER MODIFICADO: También conocido como el Método del Trapecio, es un método numérico iterativo para resolver EDOs que consiste en discretizar la variable en cuestión de modo que para cada iteración se calcula el resultado utilizando los resultados obtenidos tanto en la iteración anterior como en la que uno se encuentra.

MÉTODOS NUMÉRICOS: Métodos de aproximación de una solución a un problema del cual se obtiene un resultado aproximado cuando se desconoce la solución explícita de este.

solved implicitly.

MODIFIED EULER: also known as Trapezoidal Method is an iterative numerical method to solve ODEs consisting on discretizing the unknown variable in a way that results for every iteration are calculated using data from the previous and current iteration.

NUMERICAL METHODS: methods of approaching to solutions of problems in which an approximated result is obtained when the explicit solution is unknown.

investigación busca presentar no es la solución a la ecuación de Bloch en sí, sino que el procedimiento que se tuvo que seguir y sus implicancias para poder llegar al resultado correcto de esta.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

El principio más importante a entender en este artículo es el de métodos numéricos y como uno puede cambiar estos para encontrar mejores resultados. La idea de dicho principio es aproximar la solución de una ecuación matemática cuando no se sabe la solución exacta de esta o es muy difícil llegar a esta. Pero, es importante también, poder criticar dicha solución y, por lo tanto, el método utilizado para encontrarla por si es que es necesario cambiarlo por uno que dé una mejor solución. Luego, cuando uno critica la solución obtenida es importante tener conocimiento matemático suficiente para poder determinar no sólo un cambio de método numérico sino que poder determinar por cuál método numérico es mejor cambiarla.

Numerical methods and how they can be modified to find the best results it is the most important principle to understand in this article. The idea behind this principle is to approach a solution of a mathematical equation when the exact solution is either unknown or too difficult to reach. However, it is also important to be able to criticize that solution and the used method, in case it needs to be modified in order to reach a better solution. In order to criticize the obtained solution, it is important to have enough mathematical knowledge to determine not only changes in numerical methods, but also to decide by which method is best to be changed.

REFERENCES Quarteroni, A., Sacco, R., Saleri, F. (2000). Numerical Solutions of Ordinary Differential Equations. En Numerical Mathematics (p.473). Nueva York: Springer.

Apuntes del curso Applied Fourier Analysis and Elements of Modern Signal Processing, (2014) Stanford University.

Ecuaciones de Bloch. (s.f.). En Wikipedia. Recuperado el 30 de septiembre de 2017 de https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaciones_de_Bloch

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Martín Guerra

Carlos Sing-Long

Students’ research / 81

28 / Investigaciones de los alumnos

Mejoramiento de un nuevo agregado sustentable artificial para el hormigón en base cenizas volantes del carbón de centrales termoeléctricas Improvement of a new and sustainable artificial concrete aggregate derived from coal fly ash obtained from thermal power stations Francisco Bernedo Rendel1, alumno de 3er año Mauricio López Casanova1, profesor asociado

Francisco Bernedo Rendel1, 3rd year student Mauricio López Casanova1, associate professor

Departamento de Ingeniería y Gestión de la Construcción, Centro de Desarrollo Urbano Sustentable (CEDEUS), Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: mlopez@ing.puc.cl

1

1

Department of Construction Engineering and Management, Center for Sustainable Urban Development (CEDEUS), School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Corresponding author: mlopez@ing.puc.cl

82 / Investigaciones de los alumnos

RESUMEN

ABSTRACT

Los agregados pétreos naturales son cada vez más escasos para el uso en la construcción por motivos ambientales y económicos. Por otro lado, las plantas termoeléctricas a carbón producen grandes cantidades de ceniza volante como deshechos. La literatura ha mostrado que a partir de cenizas volantes se pueden obtener agregados artificiales que tengan buenas cualidades para su uso en construcción. El presente estudio experimentó con distintos químicos para poder maximizar las propiedades cementicias de las cenizas volantes y así producir agregados de mejor calidad estructural. Además, se investigó el efecto de la temperatura de curado sobre la resistencia final del agregado artificial. En base a esto se implementó un diseño factorial en el que se cubrieron 8 posibles combinaciones de activadores alcalinos y temperaturas de curado. El principal objetivo del estudio fue determinar el parámetro mecánico α de cada tipo de agregado, el cual indica cuánta resistencia potencial se pierde en un hormigón debido al uso del agregado utilizado, entendiendo que el agregado posee menor resistencia mecánica que la MATRIZ cementicia que envuelve al agregado en un hormigón. Como resultado se obtuvo que el activador alcalino que mejor desempeño tiene es el KOH. También se encontró que el activador NaOH parece tener una concentración ideal con la que obtiene un desempeño óptimo. Por otro lado, se determinó que, en general, al curar los agregados a altas temperaturas en condiciones controladas, este tendrá un mejor desempeño que si fuera curado a temperatura ambiente. Sin embargo, también se encontró que añadir el activador alcalino Na2SiO3 parece reemplazar el efecto de la temperatura de curado y estabilizar el valor de α.

Given the economic and ecological constrains, natural aggregates for construction are progressively less available. On the other hand, coal fired power plants generate great amounts of coal fly ash as waste product.

The literature has shown that artificial aggregates, with good characteristics for their use in construction, can be obtained from these ashes. In the study herein, different chemical treatments were analyzed in order maximize the hardened properties of coal fly ash, in order to generate aggregates of improved structural quality.

Furthermore, the effect of curing temperature over final aggregate strength was analyzed. To accomplish this, a factorial design was implemented, which considered 8 possible combinations of alkaline activators and curing temperatures. The main objective of the study was to measure the mechanical parameter α for every aggregate. This factor is an indicator of the potential concrete strength loss due to the use of an aggregate, assuming that the latter has lower mechanical strength than the cementitious MATRIX surrounding it in concrete. Results indicate that the alkaline activator with the higher performance was KOH. Furthermore, the activator NaOH seems to have an ideal concentration with an optimal performance. Additionally, it was found that, generally, curing the aggregates at controlled high temperatures improved performance in contrast with ambient curing temperature. However, it was also found that the use of the alkaline activator Na2SiO3 could replace the effect of high curing temperature by stabilizing the value of α.

Palabras clave: agregados artificiales, ceniza volante, sustentabilidad, hormigón, activador alcalino.

Key words: artificial aggregates, coal fly ash, sustainability, concrete, alkaline activator.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los agregados naturales están siendo cada vez más escasos y su obtención provoca grandes impactos en el medio ambiente (De Brito & Saikia, 2013). Por otra parte, las centrales termoeléctricas a carbón producen grandes cantidades de cenizas volantes que requieren ser dispuestas de manera segura para no convertirse en agentes contaminantes (Goodwin, 2014). Las cenizas volantes son residuos de carbón suficientemente finos para ser llevados por el gas que se produce en la combustión del carbón, que luego se solidifican por efecto del enfriamiento (Parra, 2015). Estas cenizas volantes se pueden trabajar mediante

The availability of natural aggregates for construction is continuously decreasing and its procurement comes with great environmental costs (De Brito & Saikia, 2013). On the other hand, coal fired power plants produce large amounts of coal fly ash that require safe disposal to avoid contamination (Goodwin, 2014). Fly ashes are residues that are sufficiently fine so the gas from coal combustion can carry it away, leading to solidification when cooled down (Parra, 2015). Thus, the fly ash can be worked using a cold-bonding palletization technique so it can be used to prepare low-energy artificial sustainable aggregates,

Students’ research / 83

pelletizado en frío, de tal manera que se pueden elaborar agregados artificiales sustentables que ayudan a combatir simultáneamente los problemas ambientales que ambas industrias enfrentan.

Actualmente se sabe que es posible producir hormigones con gran cantidad de cenizas volantes que alcancen una resistencia adecuada para su uso en construcción (Rivera, Martínez, Castro, & López, 2015). En esta investigación se estudiaron diversos tipos de pellets fabricados con cenizas volantes para ver cuál cuenta con mejores características para ser usado como agregado en la fabricación de hormigón. Se utilizó la metodología propuesta por Videla y Martínez, que consiste en fabricar pellets que contengan un 95% de su masa en ceniza y 5% en cemento, para facilitar la aglomeración inicial de cenizas (Videla & Martínez, 2001).

El objetivo de esta investigación era ver el efecto que tienen dos factores en particular sobre la resistencia final de los pellets confeccionados. Estos factores son, por un lado, el tipo y concentración de activador alcalino utilizado para activar las propiedades cementicias de las cenizas volantes; y por otro, la temperatura de curado de los pellets fabricados.

Modificando estos factores, se buscó profundizar en cómo afectan a la resistencia de los pellets, de manera de poder manipularlos y llegar la combinación óptima con que los pellets alcancen su mayor resistencia. Dado que los pellets fabricados con ceniza corresponden a un agregado más liviano que los agregados comunes, al fabricar hormigón con pellets de ceniza volante, este tendrá un STRENGTH CEILING (American Concrete Institute, 2014), es decir, una resistencia máxima determinada por la tensión a la que falla el agregado. Para determinar la resistencia de los pellets, se calculará el parámetro α asociado a los distintos tipos de pellets (Moreno, Martinez, & Lopez, 2014). El valor de α se puede obtener a partir de la ecuación (1).

which can help address the environmental issues these two industries face.

Currently, it is possible to produce concretes with large proportions of fly ash and adequate strength for their use in construction (Rivera, Martínez, Castro, & López, 2015).

In this research, several types of pellets were manufactured with fly ash and were studied for their characteristics as concrete aggregates. In order to do so, the methodology proposed by Videla and Martínez (2001) was used. Briefly, it consists on fabricating pellets that contain 95% of their mass in fly ash and 5% in cement, thus facilitating the initial agglomeration of the ash material (Videla & Martínez, 2001).

The aim of this research was to study the effects of two specific factors on the final strength of the pellets. These factors were: type and concentration of the alkaline activator used to induce the cementitious properties of the fly ash; curing temperature for pellet manufacture.

By altering these factors, a deeper understanding on their influence on pellet strength was sought, in order to reach an optimal combination for maximum pellet strength.

Since the fly ash corresponds to a lighter material than common aggregates, by manufacturing concrete with ash pellets the resulting material should have a STRENGH CEILING (maximum strength) (American Concrete Institute, 2014) determined by the stress at which the aggregate fails. In order to determine pellet strength, the parameter α will be calculated. This parameter has a different value for each type of pellet. The value of α can be obtained from equation (1).

(1) donde fc es la resistencia del hormigón, fm es la resistencia de la matriz y Va es el porcentaje de volumen que ocupa el agregado. El valor de α varía entre 0 y 3,84. Si el agregado tiene α igual a 0, significa que su resistencia es igual a la de la matriz de hormigón en la que está. Si α es 3,84 entonces la resistencia del agregado es nula, como una burbuja de aire. Al conocer su valor y utilizarlo en esta misma ecuación se puede obtener una estimación de la compresión que resistirá un hormigón usando el agregado en estudio, dependiendo de la matriz que se utilice y el porcentaje de volumen de agregados que se utilice. De esta manera se puede conocer a priori el strength ceiling de un hormigón confeccionado con estos pellets.

Where fc is the strength of concrete, fm is the strength of the matrix and Va is the percentage of volume occupied by the aggregate. The parameter α varies between 0 and 3.84.

If an aggregate has an α value of 0, it means its strength is equal to the concrete matrix where it is embedded.

If the value is 3.84, then it has null strength and acts as an air bubble. By knowing the aggregate α value, and using it in the same equation, it is possible to estimate the compressive strength that a concrete made with the studied aggregate will endure, depending on the matrix and the percentage of volume used. In this way, it is possible to know a priori the strength ceiling of a concrete made with the pellets under study.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

En esta investigación se fabricaron pellets a partir de cenizas volantes obtenidas de la central termoeléctrica Ventanas, de AES GENER. Para determinar cómo afectan

In this research, pellets were manufactured using coal fly ash from Ventanas thermal power station run by AES GENER. In order to study how different alkaline activators

84 / Investigaciones de los alumnos

los distintos activadores alcalinos y las condiciones de curado en la resistencia final de los pellets se implementó un diseño factorial en el que se consideraron 8 mezclas distintas, cuyas características se muestran en la Figura 1.

Los activadores alcalinos se agregaron a los pellets disolviéndolos en agua hasta alcanzar las concentraciones especificadas en la Figura 1. Se trabajó con una dosificación tal que para hacer 1 kg. de pellets se necesitan 0,76 kg. de ceniza, 0,04 kg. de cemento y 0,2 kg. de solución.

Se fabricaron pellets con todas estas mezclas, los que luego fueron curados en ambientes controlados según correspondía a cada mezcla. Las mezclas que fueron curadas a 25°C se mantuvieron en una pieza a temperatura constante, mientras que las curadas a 60°C se dejaron en un horno que mantenía dicha temperatura y además se encontraba en presencia de humedad controlada, para evitar la evaporación del agua de los pellets producto de la temperatura ambiente. Luego de 28 días de curado se confeccionaron probetas de hormigón cilíndricas de 5 cm de diámetro y 10 cm de altura. Se confeccionaron 3 probetas para cada mezcla. Estas probetas se hicieron con un hormigón con 54% de su volumen en agregado de ceniza volante, 18% en cemento y 26% en agua, suponiendo que un 2% del volumen es aire. Según esto, para fabricar 1 m3 de hormigón de estas características se utilizarían 267 kg de agua, 560 kg de cemento y 786 kg del agregado artificial.

La masa necesitada de agregado artificial es aproximada ya

and curing conditions affect final pellet strength, a factorial design that considered 8 different combinations was used. Figure 1 shows their characteristics.

The alkaline activators were added to the pellets by dissolving them in water until reaching the concentrations specified in Figure 1. The dosage used was such that in order to make 1 kg of pellet, 0.76 kg of fly ash, 0.04 kg of cement and 0.2 kg of activator solution were needed.

Pellets were made with all the mixtures (Figure 1) and cured at the specified temperatures. For curation at 25 ºC, the pellets were kept in a room at constant temperature, while the mixtures cured at 60 ºC were stored in an oven with temperature and humidity control, in order to avoid water evaporation. After 28 days of curing, cylindrical concrete specimens of 5 cm in diameter and 10 cm in height were made. Three specimens were made for each mixture. These samples were made using a concrete with 54% of its volume in fly ash aggregate, 18% in cement and 26% in water, assuming the remaining 2% to be air. According to this, in order to make 1 m3 of this concrete, 267 kg of water, 560 kg of cement and 786 kg of artificial aggregate would be needed. The amount of aggregate is an approximation, since all the mixtures show slightly different densities, accounting for small variations in the final mass needed. The concrete samples were allowed to cure for 28 days and then were analyzed under compression, in order to determine their strength.

Figura 1. Características y nombre de cada mezcla estudiada. En la fila superior se especifica la temperatura de curado, mientras que la columna izquierda muestra el activador alcalino y su concentración. La intersección de ambas es el nombre que recibe la mezcla y es de la forma QUIMICO_MOL_TEMP, donde QUIMICO es el activador alcalino utilizado, MOL la molaridad con la que estaba en la solución y TEMP la temperatura de curado de los pellets.

Figure 1. Name and characteristics of the mixtures used. The upper row specifies curing temperature, while the left column shows the alkaline activator and its concentration. The intersection between rows and columns is the name for the specific mixes in the form of CHEMICAL_MOL_TEMP, where CHEMICAL is the alkaline activator used, MOL is its molarity in the used solution and TEMP is the curing temperature for the pellets.

Students’ research / 85

que los distintos tipos de agregados presentan densidades distintas, pero similares, por lo que este número varía levemente entre un agregado y otro. Las probetas fueron curadas durante 28 días y después se ensayaron a compresión, de tal manera que se determinó la resistencia máxima de las probetas. Posteriormente se usaron los datos obtenidos para calcular el valor del parámetro α de cada tipo de pellet y según esto ver cómo afectan los distintos activadores alcalinos y temperaturas de curado a los agregados artificiales. Además, se analizó la viabilidad de ser utilizados como agregado complementario en un hormigón real.

Later, these data were used calculate the α parameter for each pellet and compare the effects of different alkaline activators and curing temperatures for the artificial aggregates. Moreover, their viability as a complementary aggregate for real concrete was analyzed.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Se midió la resistencia a compresión de cada una de las probetas cilíndricas. A los resultados obtenidos se les aplicó el criterio de Chauvenet para descartar datos anómalos (Taylor, 1997). Se calculó el valor de α correspondiente a cada probeta y luego se promediaron los α obtenidos para cada tipo de mezcla. El valor promedio de α para cada mezcla se muestra en el Tabla 1, junto con la desviación estándar de las 3 probetas ensayadas por mezcla y algunos otros parámetros de interés en los agregados livianos. Estos últimos parámetros se midieron antes de usar los agregados para fabricar hormigón.

The compressive strength was measured on each of the cylindrical concrete specimen. The Chauvenet criterion was applied to the data in order to discard anomalous results (Taylor, 1997). Then, the α parameter was calculated for each sample and the results of every replicate were averaged in order to calculate de α for each mixture. Table 1 shows the average value, together with the standard deviation of the 3 samples analyzed per mixture. Before preparing the concrete, additional relevant parameters of the aggregates were measured and are also listed in Table 1.

La Tabla 1 también muestra la Estimación de Poros, que

Table 1 includes Pore Estimation, which is the percentage

Density SSS

Absorption

Porosity

[kg/m3]

[%]

estimation[%]

0.02

1490

59.4

21.4

1.14

0.07

1490

64.8

21.4

NaOH_11.67_25

1.66

0.08

1560

62.1

19.0

NaOH_11.67_60

1.30

0.07

1560

58.8

19.0

Na2SiO3_1.88_25

1.28

0.10

1420

75.3

28.4

Na2SiO3_1.88_60

1.23

0.23

1480

79.1

25.4

KOH_8.47_25

0.97

0.05

1460

65.4

24.9

KOH_8.47_60

1.08

0.11

1460

70.4

24.9

Mixture

α

σ

NaOH_8.40_25

1.26

NaOH_8.40_60

Tabla 1. Resumen de resultados. El valor de α es el promedio de las 3 probetas y σ es su desviación estándar. Las otras tres propiedades se midieron a los pellets antes de ser usados para preparar hormigón.

Table 1. Results summary. Average α value for the three concrete samples and their standard deviation (σ). Additional properties were measured in pellets prior to their use in concrete manufacture.

86 / Investigaciones de los alumnos

es la diferencia porcentual entre la densidad máxima teórica y la densidad en condición SATURADA SUPERFICIALMENTE SECA (SSS) de los pellets. La densidad máxima teórica se calculó ponderando las densidades de cada uno de los elementos usados para hacer los pellets según las cantidades utilizadas. Esta densidad es mayor que la densidad real ya que en ella no se considera volumen de aire. Este indicador representa la disminución de la densidad del pellet por la existencia de poros y se calculó mediante la ecuación (2).

difference between maximum theoretical density and the SATURATED-SURFACE-DRY (SSD) density of the pellets. Maximum theoretical density was calculated considering the individual densities of the components used to prepare the pellets at the selected conditions.

This density is higher than real density because it does not consider air volume. This indicator represents the decrease in pellet density by the presence of pores and was calculated using equation (2).

(2)

en donde Dsss es la densidad en condición SSS y Dmax es la densidad máxima teórica de la mezcla para hacer pellets.

En los resultados se observa que la mezcla KOH_8.47_25 es la que obtuvo un mejor resultado, ya que es la que presenta menor índice α. Además, se observa que la segunda mezcla con menor valor de α es KOH_8.47_60, es decir, la mezcla que tiene los mismos componentes que la anterior pero distinta temperatura de curado. Esto muestra que el compuesto KOH logra un mejor desempeño que los otros compuestos estudiados en la investigación.

Por otro lado, al observar los resultados obtenidos por las otras muestras, se pueden observar dos cosas. Primero, al analizar los pellets que tienen como único activador alcalino NaOH, se observa que los pellets con concentración 8,4 M tienen menor α que los con NaOH 11,67 M. La idea de usar un activador alcalino es para activar las propiedades cementicias de las cenizas volantes, por lo que de no ser usado el pellet no adquiriría tanta resistencia, lo que se vería reflejado en un α mayor. Entonces, α toma cierto valor al no usar activador alcalino, luego este disminuye al aumentar la concentración hasta 8,4 M y después aumenta al aumentar la concentración hasta 11,67 M. De esta manera se infiere que debe existir una concentración de NaOH con la que se minimice α. La segunda observación que se puede hacer es que en general los pellets que fueron curados a 60 grados presentan un menor índice α que las que fueron curadas a 25 grados. Esto ocurre en todos los casos excepto en los que se usó KOH como activador alcalino. Para ver numéricamente estas diferencias se calculó la diferencia porcentual de los α a 25 y 60°C. Esta diferencia se calculó como:

where Dsss is the density in SSD condition and Dmax is the maximum theoretical density of the mix. The results indicate that KOH_8.47_25 mix had the best performance, since it showed the lower α index. Furthermore, KOH_8.47_60 was the sample with the second lowest α value, which had the same components but different curing temperature. This shows that KOH generates better performance than the other compounds studied.

On the other hand, two important observations can be drawn. First, when using NaOH as the alkaline activator, lower concentrations (8.4 M) produced lower α values.

However, the reason for using alkaline activators is to stimulate the cementitious properties of the fly ash; thus, if no activator is added, then the pellet should acquire less mechanical strength, evidenced by a higher α value. In contrast, the absence of activator produces an α value which decreases when adding 8.4 M of NaOH, but increases again if more activator is added until reaching 11.67 M. This strongly suggests there is a NaOH concentration that minimizes α. The second observation is that, in general, curing the samples at 60 ºC decreased the α index when comparing with samples cured at 25 ºC. This occurs in every case under study, except when using KOH as alkaline activator. In order to numerically visualize these differences, the percentage difference of α values at 25 and 60 ºC was calculated as:

(3)

en donde C60 corresponde al caso curado a 60°C y C25 al caso curado a 25°C. Considerando sólo las cuatro mezclas que llevan NaOH como activador alcalino, se tiene que en promedio el parámetro α disminuye un 12%. Para

where C60 corresponds to curing temperature of 60 ºC and C25 to 25 ºC. Considering only the samples with NaOH as the alkaline activator, there is an average decrease of 12% in α index by effects of temperature. For this

Students’ research / 87

Figura 2. Resistencia esperada para un hormigón preparado con cada una de las mezclas de agregados artificiales estudiadas, calculada en base a un matriz de 40 MPa a la que se añade un 25% de volumen de agregado artificial Figure 2. Expected strength of concrete prepared with the mixtures of artificial aggregates under study. Calculations consider a matrix of 40 MPa to which a 25% of artificial aggregate is volume.

este promedio no se consideraron las mezclas con KOH entendiendo que, por su composición química y resultados experimentales, este puede tener un comportamiento distinto a las otras mezclas frente a las diferentes temperaturas de curado. Sin embargo, si se consideran todas las mezclas estudiadas, en promedio el valor de α disminuye un 6%. No obstante, también hay que notar que se ensayaron solamente 3 probetas por mezcla, por lo que al experimentar con estos parámetros a mayor escala estos parámetros podrían variar. Llevado a términos prácticos, esto significaría que un hormigón elaborado con pellets curados a 60°C podría tener una mayor resistencia que un hormigón hecho con los mismos pellets, pero curados a 25°C, excepto cuando se use KOH como activador. En la Figura 2 se muestra la resistencia que se esperaría obtener de un hormigón hecho con una matriz que resiste 40 MPa (Rivera, Martínez, Castro, & López, 2015), a la que se le agrega un 25% de volumen en agregados artificiales, para cada mezcla en estudio.

Se puede observar la tendencia de que la mezcla curada a 60°C tiene mejor desempeño que la correspondiente mezcla curada a 25°C, a excepción de las mezclas KOH_8.47_XX. Aplicando la ecuación (3) sobre las resistencias de las mezclas que contienen NaOH como activador, se observa que en promedio el hormigón con agregados curados a 60°C tiene un 11% más de resistencia que el con agregados curados a 25°C. Si se consideran todas las mezclas, el promedio de la diferencia de resistencia esperado es de un 7%. Además, 7 de las 8 mezclas en estudio superan la resistencia a compresión mínima requerida en ACI318 de 17 MPa para un hormigón estructural (American Concrete Institute, 2014).

Al observar la composición química de las mezclas NaOH_11.67_XX y Na2SiO3_1.88_XX (Figura 1) se ve que la concentración de NaOH en estas mezclas es similar y que la mayor diferencia es la presencia de Na2SiO3 en las últimas. Al observar los valores de α obtenidos, las mezclas

calculation, the samples with KOH were not included, because the difference in chemical composition and experimental results could imply distinctive behavior to curing temperatures. However, if all the studied samples were considered, the α parameter decreased an average 6%. It is important to note that only 3 samples were probed per condition; thus, the parameters could vary when increasing sample size. Taking these data together, a concrete manufactured with pellets cured at 60 ºC could be more resistant than concrete made with the same pellets cured at 25 ºC, except when using KOH as activator. Figure 2 shows the expected strength of different concretes made with a matrix that resists 40 MPa (Rivera, Martínez, Castro, & López, 2015), to which a 25% of volume is added in the form of the artificial aggregates under study.

The tendency of increased performance with higher curing temperatures can be observed, with the exception of samples KOH_8.47_XX. An average performance increase of 11% can be observed in samples cured at 60 ºC when applying equation (3) to the strength of mixtures with NaOH as activator. If all the samples are considered, the average performance increase is 7%. Furthermore, 7 of the 8 samples under study surpass the minimal compression of 17 MPa required by the ACI318 for a structural concrete (American Concrete Institute, 2014).

When analyzing the chemical composition of the mixtures NaOH_11.67_XX y Na2SiO3_1.88_XX (Figure 1), it can be observed that NaOH concentration is similar between them, being the presence of Na2SiO3 the major difference.

When comparing the obtained α values, the Na2SiO3_1.88_ XX mixtures outperformed NaOH_11.67_XX samples at both curing temperatures. Furthermore, NaOH_11.67_XX samples show a difference in α of 0.36 with temperature, while Na2SiO3_1.88_XX samples only show a 0.05 variation. Considering that the major difference between these mixtures is the presence of Na2SiO3 as activator, it

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Na2SiO3_1.88_XX superan a las NaOH_11.67_XX en ambas temperaturas de curado. Pero además se observa que los α de las mezclas NaOH_11.67_XX presentan entre sí una diferencia de 0,36, mientras que los α de las mezclas Na2SiO3_1.88_XX presentan una diferencia de 0,05.

Teniendo en cuenta que la mayor diferencia entre estas mezclas es la presencia de activador Na2SiO3, pareciera ser que el efecto de este es de reemplazar el efecto de la temperatura de curado y estabilizar el valor de α al curar el agregado a distintas temperaturas. Sin embargo, cabe destacar que la variabilidad de la mezcla Na2SiO3_1.88_60 es la mayor de las mezclas estudiadas.

Para explicar por qué unas mezclas tuvieron mejor rendimiento que otras, se procedió a comparar las propiedades físicas que presentaron los pellets al momento de ser utilizados para fabricar hormigón. Las propiedades comparadas fueron la estimación de poros, la absorción, la densidad máxima teórica y la densidad del pellet. En la Figura 3 se muestra la comparación de los valores de α versus distintas propiedades de los pellets para ver la tendencia de esta propiedad y si es que realmente explica el comportamiento de los pellets.

seems that this compound could replace the effect of curing at higher temperature by stabilizing the α index. However, Na2SiO3_1.88_60 samples showed the highest internal variability between replicates of all the mixtures analyzed.

In order to explain the differences in performance between samples, a comparison of the physical properties of the pellets was performed. This analysis included pore estimation, absorption, maximum theoretical density, and pellet density. In order to detect trends between physical characteristics and pellet behavior, a comparison between α indexes and aforementioned properties is shown in Figure 3.

In order to look for a general interpretation, and to determine which characteristic is more influential on pellet strength, all the physical properties were analyzed, disregarding pellet difference in chemical composition.

However, none of the results (Figure 3) show a clear tendency or a predominant influence over the rest. When observing the data points on Figure 3a, a slight tendency in pellets with lower densities towards smaller α indexes; hence, greater strength. However, this result is counter-

a

b

Figura 3. La Figura 3a muestra la densidad SSS y densidad máxima teórica como función de α, mientras que la Figura 3b muestra la absorción y estimación de poros también como función de α, con el fin de saber si existe correlación entre alguna de las características y el α del agregado. La única de estas características que parece presentar cierta correlación es la densidad.

Figure 3. In order to evaluate possible correlations between physical characteristics and aggregate performance, SSD density and maximum theoretical density (a), together with absorption and- pore estimation (b) are shown as a function of α. Only density appears to correlate with aggregate performance.

Students’ research / 89

Se estudió la relación de todas estas características de los pellets en busca de una explicación transversal que diga cuál propiedad es predominante en cuanto a la resistencia del pellet, aunque estos tuviesen distinta composición química. Sin embargo, se observa que ninguno de los gráficos muestra claramente que un parámetro tenga directamente más influencia que los otros. Al observar los puntos de la densidad en la Figura 3a, se ve cierta tendencia de que mientras menor valor tenga la densidad, menor será el α del pellet, por lo tanto, mayor será su resistencia. Esto resulta contraintuitivo y va contra la idea del strength ceiling propio de los agregados en estudio.

La literatura dice que los agregados de densidad normal suelen tener mayor resistencia a compresión que la de la matriz usada (Mamlouk & Zaniewski, 2011) mientras que los agregados en estudio no, lo cual es el motivo por el que existe el strength ceiling (American Concrete Institute, 2014). Por esta razón, que a menor densidad se obtenga mayor resistencia no es una buena explicación para el comportamiento de todos estos pellets en conjunto. En los gráficos de la Figura 3b y en el de la densidad máxima teórica en 3a no se observa ninguna tendencia clara, más bien se ve una nube difusa de puntos, por lo que estos parámetros no sirven como explicación de cómo hacer un pellet que alcance mayor resistencia. Al no haber gráficos que muestren de manera concluyente qué propiedad es la más importante en el rango de valores estudiado, se puede decir que el efecto de los distintos activadores alcalinos utilizados predomina en la resistencia del agregado, lo que deja a las otras propiedades en un segundo plano. Entonces, no es correcto explicar y comparar el comportamiento de los pellets a partir de las características físicas medidas en este estudio, sino que parece ser que la composición química de cada tipo de pellet juega un rol clave a la hora de someterlo a esfuerzos de compresión.

intuitive and opposes the idea of strength ceiling of the aggregates under study. Literature indicates that aggregates with normal densities tend to display greater strength to compression than the used matrix for concrete manufacture (Mamlouk & Zaniewski, 2011). This is not what was observed with the aggregates under study, which is the reason why strength ceiling exists (American Concrete Institute, 2014). Thus, increased strength at lower densities is not a good explanation for the behavior of the pellets under study. Data in Figure 3 does not suggest a clear tendency, rather it shows data dispersion; thus, this results do not explain properly how the pellets reach different strengths. Since no unique property found to explain the differences in performance, it is safe to conclude that the effects of the alkaline activators are predominant over the physical characteristics of the pellets. Thus, comparing pellet performance to their physical features seems less relevant. Most probably, chemical differences between the pellets play key roles under compression stresses.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

El objetivo de esta investigación era profundizar en los factores que ayudan a generar agregados artificiales fabricados en base a cenizas volantes que alcancen mayores resistencias. Para esto se trabajó modificando 2 factores del proceso de fabricación de pellets, el activador alcalino utilizado en la mezcla con la que se fabricaban los pellets y la temperatura a la que se curaban los pellets una vez fabricados. Teniendo en cuenta estos factores, se utilizaron 4 soluciones con activadores alcalinos, y con cada una de estas soluciones se fabricaron pellets que fueron curados a 25°C y a 60°C.

The objective of this research was to deepen the understanding of the factors that contribute to the improvement of mechanical strength of artificial aggregates made from coal fly ash. In order to do this, 2 major factors were modified in the process of pellet manufacture, namely the alkaline activators and the curing temperatures used.

Considering these factors, 4 alkaline activator solutions were used to make pellets that were cured at either 25 or 60 ºC.

Los resultados de los ensayos de hormigones fabricados con estos pellets mostraron que el activador alcalino que mejores resultados presenta es el KOH a 8,47 M, tanto cuando es curado a 25°C (α=0,97) como cuando es curado a 60°C (α=1,08). Le siguen los pellets con NaOH 8,4 M, que resulta tener un comportamiento bastante mejor que aquellos con NaOH 11,67 M a ambas temperaturas de curado. En base a esto se puede concluir que debe existir

The results from the concrete probes made with these pellets indicate that the best alkaline activator was KOH at 8.47 M when cured at 25°C (α=0.97) and also at 60°C (α=1.08). Then, pellets made with NaOH 8.4 M follow in strength, which, surprisingly, showed better performance than pellets made with NaOH 11.67 M at both curing temperatures. These results suggest that there should be an ideal NaOH concentration that minimizes α values.

Additionally, a strong tendency towards better performance

90 / Investigaciones de los alumnos

una concentración ideal en que se logre un α mínimo al usar NaOH como activador alcalino.

También se observa una tendencia de que los pellets curados a 60°C presentan un comportamiento notoriamente mejor que los curados a 25°C, a excepción del caso en que el activador alcalino es KOH, en que ocurre lo contrario.

En esta experimentación, promedio α disminuyó un 6% cuando se pasa de una mezcla curada a 25°C a la misma mezcla curada a 60°C, pero por el número limitado de probetas ensayadas, se espera que este valor sea un primer indicador del comportamiento que tendrían los pellets en experimentos a mayor escala. Por último, los pellets activados con la solución que contenía NaOH 11,35 M y Na2SiO3 1,88 M presentan resultados muy similares en ambas temperaturas de curado y que además son levemente mejores que los de los pellets con NaOH 11,67 M. Teniendo esto en cuenta, el mayor efecto que parece tener la adición de Na2SiO3 es de disminuir el efecto que tiene la temperatura sobre α, es decir, estabiliza su valor.

En cuanto al uso que pueden tener estos materiales, 7 de las 8 mezclas pueden superar los 17 MPa al ocupar un 25% del volumen del hormigón, con lo que se muestra que pueden alcanzar resistencias adecuadas para ser utilizados en construcción.

Para futuras investigaciones se propone estudiar los enlaces químicos producidos por el activador KOH y por qué estos obtienen mejores resultados que los de NaOH. También se propone estudiar el efecto de variar las concentraciones de KOH. De la misma manera, se propone estudiar la concentración ideal de activador alcalino NaOH con la cual se minimice el valor de α. Además, se puede adicionar Na2SiO3 en distintas concentraciones, buscando optimizar el efecto que este tiene.

Por otro lado, como se mostró que la temperatura de curado tiene grandes efectos sobre el valor de α, se propone también experimentar con distintas temperaturas de curado, buscando alguna que sea suficientemente buena en relación a la resistencia ganada versus gasto energético incurrido, de manera de lograr un agregado artificial más sustentable y que al mismo tiempo pueda ser usado comercialmente con fines estructurales en el rubro de la construcción.

was observed in pellets cured at 60 ºC over 25 ºC. The only exception to this rule was the case of KOH, which showed the opposite behavior. In general, α values dropped an average 6% when the pellets were cured at 25 ºC. However, considering the limited number of probes tested, this value is expected to be an initial indicator of temperature influence when analyzed at larger scales.

Lastly, pellets activated with NaOH 11.35 M and Na2SiO3 1,88 M solutions show very similar results at both curing temperatures. Additionally, both conditions slightly outperformed the pellets with NaOH 11.67 M. Considering this, the addition of Na2SiO3 seems to diminish the positive effect of temperature on α values; thus, stabilizing it.

In respect to the potential use of these materials 7 out of the 8 formulations under study overcome the 17 MPa of compressive strength required for structural concrete if used at 25% of the total concrete volume, making the suitable use in construction concrete.

Future research should address the chemical bonds induced by the KOH activator and why these pellets show better performance than the ones treated with NaOH. Also, different concentrations of KOH should be tested.

Likewise, different concentrations of the alkaline activator NaOH should be studied in order to determine the one that minimizes α values. Moreover, different concentrations of Na2SiO3 could be added in order to further improve the strength effects.

On the other hand, since temperature showed to have large effects on α values, different curing temperatures should be analyzed in order to find a good relation between gained strength and energy cost. In this way, a more sustainable aggregate with commercial use in construction could be found.

Agradecimientos

Acknowledgements

Esta investigación fue realizada gracias el aporte financiero del proyecto FONDECYT #1150251 y AES GENER. También se agradece a Felipe Vargas, Mauricio Guerra y Luis González por sus aportes en las fases de investigación y experimentación de este estudio.

This research was done with the financial support of the FONDECYT project #1150251 and AES GENER. Special thanks to Felipe Vargas, Mauricio Guerra and Luis González for their help in the initial research phases of this study.

Students’ research / 91

GLOSARIO

GLOSSARY

MATRIZ: Es un hormigón formado por una mezcla de cemento, agua y agregados naturales. A este hormigón se le agrega el agregado en estudio. La matriz por sí sola tiene una cierta resistencia que se verá disminuida por la adición del agregado artificial de ceniza volante.

SSS: Condición en que el agregado estuvo sumergido en agua durante un tiempo suficiente tal que todos sus poros superficiales se encuentren llenos de agua. Este tiempo pueden ser 24 o 72 horas dependiendo de si se trata de un agregado normal o poroso. Luego se procede a secar la superficie (con ventilador o toalla) de tal manera que a la vista la superficie parece seca, pero todos los poros siguen estando saturados.

STRENGTH CEILING: Es el valor límite (en compresión y tracción), sobre el cual la resistencia de la matriz deja de ser el factor que controla la resistencia del hormigón.

Un hormigón está cercano a este valor cuando al variar la relación agua-cemento, su resistencia máxima varía de manera mínima. En el caso de esta investigación, una vez llegado a este punto, el factor que controla la resistencia del hormigón pasa a ser la resistencia del agregado utilizado.

MATRIX: concrete made by a mixture of cement, water and natural aggregates. The aggregates under study were incorporated to this concrete. The matrix has an intrinsic strength that will be decreased by the addition of the artificial fly ash aggregate.

SSD: saturated surface dry condition in which the aggregate was submerged under water for a period of time that ensures all the superficial pores to be filled with water. This time can vary between 24 to 72 h, depending of material porosity. Then, the surface of the material is dried (under a fan or with a towel) in a way that all the pores appear to be dry but are still saturated with water.

STRENGTH CEILING: maximum value (on compression and tension) at which matrix strength ceases to be the controlling factor of concrete strength.

A concrete is close to this value when variations in the water-cement proportions only generates small variations in the strength. In the case of this research, once this point is reached, the governing factor for concrete strength becomes the strength of the aggregates.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

Las cenizas volantes tienen un componente vítreo que al ser mezclado con un componente alcalino forma un material con propiedades cementicias (Férnandez-Jiménez, Palomo, & Criado, 2006). Este proceso químico es llamado activación alcalina de las cenizas volantes. Estos mismos autores señalan que el tipo de activador y su concentración afectan en las características del producto final. En esta investigación se trabajó con 4 activadores alcalinos distintos con el fin de ver cuál optimizaba las propiedades cementicias de las cenizas.

Otro parámetro que afecta la resistencia final son las condiciones de curado. El curado de los pellets se refiere a mantener los pellets recién fabricados a una temperatura y humedad controlada durante un tiempo suficiente para que se desarrollen las reacciones químicas y adquieran resistencia, en este caso 28 días. En la investigación se experimentó con 2 temperaturas de curado distintas y 100% de humedad relativa para comprobar cuál era más favorable para la resistencia final de los pellets fabricados.

Coal fly ash has a vitreous component that makes a material with cementitious properties if mixed with an alkaline activator (Férnandez-Jiménez, Palomo, & Criado, 2006).

This chemical process is called alkaline activation of coal fly ash. The same authors indicate that the type and amount of the activator used can affect the final characteristics of the product. In this research, 4 alkaline activators were tested to seek for optimization in the cementitious properties of fly ash.

Another factor that affects final strength is the curing temperature. Pellet curing refers to the process of keeping the recently made pellets under controlled temperature and humidity for enough time, in order to ensure chemical and physical transformation and strength gain. In this case, this time was 28 days. In this research, 2 curing temperatures, with 100% relative humidity, were assessed in order to find the most favorable conditions for final strength of the pellets.

92 / Investigaciones de los alumnos

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Francisco Bernedo

Mauricio López

Dispositivo para medir movimiento tridimensional del brazo Device to assess tridimensional movement of the arm María Jesús Cárdenas Montes1, alumna de 4° año.

María Rodríguez Fernández1, profesora asistente.

Antonio Eblen1, profesor.

María Jesús Cárdenas Montes1, 4th year student.

María Rodríguez Fernández1, assistant professor.

Antonio Eblen1, professor.

1 Instituto de Ingeniería Biológica y Médica, Escuela de Ingeniería, Escuela de Medicina, Facultad de Ciencias Biológicas, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago. *Autor para correspondencia: marodriguezf@uc.cl

1 Institute of Biological and Medical Engineering, School of Engineering, School of Medicine, College of Biological Sciences, Pontificia Universidad Católica de Chile *Corresponding author: marodriguezf@uc.cl

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RESUMEN

ABSTRACT

La coordinación NEUROMUSCULAR, específicamente la del miembro superior humano, es frecuentemente afectada por muchas enfermedades, medicamentos y estados psicológicos, haciendo importante su evaluación. Actualmente, los dispositivos clínicos utilizados para medir movimientos del brazo lo hacen en forma bidimensional, a pesar del hecho que este puede moverse en múltiples dimensiones. Estos dispositivos son utilizados para detectar, evaluar y cuantificar alteraciones de la coordinación neuromuscular presentes en patologías como la enfermedad de Parkinson, de Huntington o debido a eventos vasculares encefálicos.

La inclusión de un mayor número de dimensiones a la evaluación del movimiento incrementaría la sensibilidad y especificidad de la evaluación al acercarse al desempeño real. Por ello, se creó un dispositivo que mide movimientos del brazo en tres dimensiones espaciales en el tiempo. El aparato consiste en 5 pilares, uno en el centro y los otros equidistantes a este y un estilete sensor. Se analizó el movimiento del miembro superior al realizar una trayectoria, con el estilete, desde el pilar central ida y vuelta a cada uno de los pilares esquina en sentido antihorario. Se hizo el estudio con dos pacientes. El tiempo de registro fue de 2 minutos correspondientes a 1.730 puntos de trayectoria. El análisis de las trayectorias incluyó los valores de tendencia central y dispersión. Se detectaron diferencias gráficas y analíticas en las trayectorias de ida y vuelta como HISTÉRESIS del movimiento. Se determinó el error promedio a los puntos de referencia de cada pilar y las diferencias en el desempeño izquierda/derecha.

Concluyendo, el dispositivo y el protocolo de análisis son una herramienta útil en la evaluación de la coordinación neuromuscular del miembro superior. Se propone recopilar más datos en pacientes para determinar los valores de referencia e intervalos de confianza para grupos etarios y género para su posterior aplicación diagnóstica.

Disease, drug use and psychological states frequently affect NEUROMUSCULAR coordination, and specifically that of the human upper limb. Thus, its correct assessment is important. Current clinical devices, used to measure arm movement, only analyze it in two dimensions, ignoring the fact that the upper limb has a large range of motion and in more dimensions. These devices are used to detect, assess and quantify alterations in neuromuscular coordination present in conditions such as Parkinson’s disease, Huntington’s disease or stroke. The inclusion of multiple dimensions to these analyses could increase the sensitivity and specificity of the clinical evaluation because it will better probe the real motion range of the arm. Therefore, we created a device that measures arm movement in three spatial dimensions through time. The device comprises 5 pillars, arranged with 4 pillars in the vertices of square equidistant from a center pillar, and a probing stylet. Upper limb movement was measured with the stylet when following trajectory from the center pillar to each of the corner pillars in an anticlockwise motion. This study was performed on two patients with a record time of two minutes, corresponding to 1,730 trajectory points. Trajectory analysis included the central value tendency and dispersion. Graphic and analytic differences were detected in the back and forth trajectories as movement HYSTERESIS. The average error was determined in relation to the reference points for each pillar and the differences between left/ right performances. In conclusion, the device and the analysis protocol are a useful tool for the evaluation of neuromuscular coordination of the upper limb. Prior to using this device in diagnostics, further data should be acquired in patients to determine proper reference values and intervals of confidence for each age range and gender.

Palabras clave: coordinación neuromuscular, miembro superior, cinemática, trastornos motores.

Key words: neuromuscular coordination, upper limb, kinematics, motor disorders.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los trastornos motores, en sus diversas modalidades, están frecuentemente presentes en la población general (Vasli, Böhm, et al, 2012) incrementando su incidencia y prevalencia con la edad de las personas. Enfermedades como hipertensión arterial, eventos hemorrágicos y/o isquémicos encefálicos, diabetes, enfermedades neurodegenerativas como Parkinson (Jankovic, 2008), Alzheimer, demencias, esclerosis múltiple, esclerosis lateral amiotrófica, atrofias

Different motor disorders are present in the general population (Vasli, Böhm, et al, 2012) and their prevalence increase as people age. Diseases like hypertension, ischemic and/or hemorrhagic encephalic events, diabetes, neurodegenerative conditions like Parkinson’s disease (Jankovic, 2008), Alzheimer’s disease, dementia, multiple sclerosis, amyotrophic lateral sclerosis, muscular atrophies, and acute trauma (Klamroth-Marganska, Blanco, et al,

Students’ research / 95

musculares, así como los traumatismos agudos (KlamrothMarganska, Blanco, et al, 2014) y sus consecuencias son una lista no exhaustiva de ejemplos frecuentes de alteraciones en la coordinación neuromuscular. A éstas es necesario añadir el efecto de drogas terapéuticas o recreacionales con directa incidencia sobre la motricidad. Actualmente, la forma de evaluar a pacientes con trastornos motores es inicialmente en forma clínica y luego, dependiendo de la impresión diagnóstica, mediante estudios de imagen, como resonancia magnética, tomografía computarizada. Después, estudios electrofisiológicos como electroencefalografía y electromiografía, además de estudios de laboratorio clínico.

Este obligatorio conjunto de evaluaciones se caracteriza por el alto costo y tiempo necesario para su realización.

A pesar de la alta potencia diagnóstica en conjunto, la evaluación motora aún es deficitaria en la cuantificación y diferenciación en la afectación de los componentes de la acción motora como es el caso de la precisión, variabilidad de trayectoria motora, incremento o reducción de los grados de libertad articular, temblor, velocidad de ejecución, complejidad/fractalidad de la trayectoria motora, lateralización motora, por solo mencionar algunos parámetros. Dado el costo y número de estudios previos por los cuales pasa el paciente, un estudio adicional ideal debería aportar de manera rápida, fácil, no invasiva y de bajo costo la información relevante. Debido a que las herramientas diagnósticas necesarias no siempre están disponibles, ésta información está ausente en la gran mayoría de los casos, tanto en países del tercer mundo como en los países desarrollados.

Muy escasos centros médicos, neurológicos, traumatológicos y de kinesiología en el mundo disponen de dispositivos de cuantificación de la coordinación neuromuscular. El dispositivo comercialmente disponible para dicha evaluación es de alto costo y permite una evaluación del movimiento del miembro superior sólo en 2 dimensiones (plano horizontal) y en el tiempo (Reinkensmeyer, Kahn, et al, 2014). Esto es una limitante para un buen DIAGNÓSTICO ya que los movimientos del brazo no ocurren solo en el plano horizontal lo que excluye muchos grados de libertad (Diedrichsen, Shadmehr, & Ivry, 2010). Por lo tanto, anula la capacidad de detectar alteraciones en esos otros de movimiento. Además, se ha estudiado que en rehabilitación con realidad virtual en 3D los resultados son mejores en comparación con 2D debido a que los movimientos son similares a la realidad (Levin, Weiss, & Keshner, 2015). Una aplicación importante, además del uso diagnóstico del dispositivo, es la posibilidad de realizar un seguimiento de pacientes posterior a lesiones, traumatismos, respuesta a medicación, para observar de manera gráfica y objetiva la evolución de los pacientes.

En el laboratorio de Fisiología Cuantitativa del Instituto de Ingeniería Biológica y Médica se diseñó un dispositivo del tipo brazo sensor movido por el paciente y que permite registrar los tres ejes espaciales del movimiento del

2014) and its consequences are a non comprehensive list of frequent examples neuromuscular coordination alterations.

Furthermore, therapeutic and recreational drugs can also have a direct influence on motor control. Currently, patients with motor disorders are evaluated with an initial clinical approach, followed by imaging studies, such as magnetic resonance or computed tomography, depending on the diagnostic impression. Later, electrophysiological studies, such as electroencephalography or electromyography, and laboratory analyses are performed. Conducting this mandatory set of tests is expensive and time consuming.

Although this battery of analysis has a combined high diagnostic potential, motor evaluation is still deficient in quantifying and differentiating the alterations of the different components involved. Correct assessment of precision, motor trajectory variability, changes in articular degrees of freedom, tremor, velocity of execution, complexity/fractality, and motor lateralization are some examples of parameters that are hard to measure.

Considering the cost and the amount of analyses the patient has to go through, an additional study should, ideally, contribute with the relevant missing information in an easy, quick, low-cost and non-invasive way. Considering that the necessary diagnostic tools are not always available, the relevant information in these cases is absent both in third world countries and in developed economies.

Only a handful of medical centers have available devices for quantification of neuromuscular coordination. The commercially available alternative is expensive and only analyses the movement of the upper limb in 2 dimensions (horizontal plane) and time (Reinkensmeyer, Kahn, et al, 2014). This is a limiting factor for a proper DIAGNOSTIC, because the real movement of the arm does not occur exclusively in the horizontal plane, thus excluding many degrees of freedom from the test (Diedrichsen, Shadmehr, & Ivry, 2010). Thus, negating the capacity to detect alterations outside this motion range. Moreover, rehabilitation studies using virtual reality in 3D show better results when compared to 2D, because the movements are similar to reality (Levin, Weiss, & Keshner, 2015). Apart from the diagnostic use of our device, another important application would be the possibility to provide clinical follow-up to patients that suffer injury, trauma or to assess their response to medication in a way that provides objective and graphic information of their evolution through therapy.

The Laboratory of Quantitative Physiology of the Institute of Biological and Medical Engineering designed a sensorarm type of device that records patient upper limb motion in three spatial axes through time. This included assembly, mechanical correction, calculation and installation of its potentiometric sensors, together with designing the analog/ digital acquisition system, and the recording and analysis algorithm. These activities comprise the aims of this study.

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Figura 1. Dispositivo implementado para el registro tridimensional del movimiento del miembro superior humano. En la base se aprecian los 5 pilares de altura asimétrica con su punto de referencia en el tope superior. La columna posterior sostiene el brazo de sensado con el potenciómetro de registro del eje z. La parte horizontal del anterior del brazo posee dos barras que sostienen en su extremo anterior una plataforma que mantiene siempre el plano horizontal y debajo de la cual se encuentran los potenciómetros ortogonales (joystick) cuyo eje se prolonga en un estilete movido por el paciente hacia cada uno de los puntos de referencia de los pilares.

Figure 1. Device designed to register 3D motion of the human upper limb. The five pillars with asymmetrical height and a reference point at the top can be observed attached to the base. The posterior column holds the probing arm with the potentiometer for recording z-axis motion. The horizontal segment of the arm has two bars that hold a platform that always keeps the horizontal plane to accommodate the orthogonal potentiometers to record x, y motion. This array is prolonged by a stylet that the patient has to move towards the reference pillars.

miembro superior en el tiempo. Este dispositivo requirió ser armado, corregido mecánicamente, además de calcular, adquirir e instalar sus sensores potenciométricos, el sistema de adquisición analógico/digital, así como el algoritmo de adquisición, grabación y análisis, constituyendo éstos los objetivos del presente estudio.

2. METODOLOGÍA

2. METHODS

2.1. Dispositivo

2.1. Device

El dispositivo de registro está constituido por un brazo móvil en los tres ejes del espacio (x, y, z), balanceado, libre, sin RESISTENCIA al movimiento. El eje de elevación (z) posee un POTENCIÓMETRO de rotación, de función lineal de 50KΩ y precisión lineal del 2%. Los ejes de movimiento x,y son sensados mediante un arreglo ortogonal de dos potenciómetros de rotación, de función lineal de 50KΩ tipo joystick, cuyo eje de movimiento

The recording device is made of a mobile arm with free and balanced motion in the three spatial axes (x, y, z) without RESISTANCE to movement. The elevation axis (z) has a rotation POTENTIOMETER of 50 KΩ lineal function and 2% lineal precision. The x, y motion are captured by an orthogonal arrangement of two joysticktype rotation potentiometers of 50 KΩ lineal function, with a combined motion axis prolonged 50 cm ending in a stylet

Students’ research / 97

combinado fue prolongado 50 cm terminando en un estilete (Figura 1), el cual es movido por el paciente siguiendo un patrón preestablecido. La base del dispositivo presenta 5 pilares con alturas asimétricas crecientes en sentido antihorario y que, para propósitos de análisis, se denominaron del 1 (el más pequeño) al 4 (el mayor). El pilar central posee una altura promedio respecto a los demás. El brazo de sensado se une a la base de los pilares mediante una columna rígida (Figura 1).

Los tres potenciómetros se conectaron de manera independiente a una placa microcontroladora programada como conversor analógico-digital (ARDUINO Uno) la que fue registrando simultáneamente los tres valores potenciométricos a una velocidad de muestreo de 14,3Hz, siendo estos grabados en formato .txt exportable para postprocesamiento.

tip (Figure 1). This arm is designed to be moved by the patient following a pre-established pattern. The base of the device has 5 pillars with asymmetrical heights increasing anticlockwise. For purpose of this study, they are referred from pillar 1 (smallest) to pillar 4 (tallest). The central pillar has an average height with respect to the rest. The probing arm is attached to the base of the device trough a rigid column (Figure 1).

The three potentiometers were independently connected to a microcontroller programmed as an analog-digital converter (ARDUINO Uno). This array continuously and simultaneously recorded the three values (x, y, z) at a sampling speed of 14,3 Hz in a .txt format, exportable for post-processing.

2.2. Registro de movimiento

2.2. Motion recording

Se registraron los valores potenciométricos de cada punto de referencia espacial (en la parte superior y central de cada pilar) y su correspondiente valor real espacial a modo de calibración del dispositivo. Luego de haber obtenido los valores de calibración de cada pilar en 3D se realizaron las mediciones en pacientes. Para esto, se indicó seguir un patrón de movimiento con figura de margarita (Figura 2), partiendo y volviendo de pilar central a cada uno de los

The potentiometer values were recorded for each spatial reference point (at the central uppermost part of each pillar) and their corresponding real spatial value to calibrate the device. Then, after 3D calibration for each pillar, the patients’ measurements were performed. For this, patients were instructed to follow a motion pattern resembling a Daisy flower figure (Figure 2), starting and coming back to the central pillar and from pillar 1 to 4 (see Figure 1). This

Figura 2. Trayectorias del movimiento triaxial (trazos azules) en paciente hombre diestro cumpliendo el protocolo de movimiento a un ritmo de un punto de referencia (pilar) por segundo. Las lineas rojas corresponden a las lineas rectas que unen los puntos de referencia. Note la separación de trayectorias dependiendo del sentido del movimiento (histéresis, Ω) para cada pilar. (a) Protocolo de movimiento utilizando mano derecha. (b) Protocolo de movimiento utilizando mano izquierda.

Figure 2. Triaxial motion trajectories (blue traces) of a right-handed male patient following the protocol at a rhythm of one reference point (pillar) per second. Red traces correspond to the straight lines connecting both reference points. Note the trajectory separation depending on the direction of motion (hysteresis, Ω) for each pillar. (a) Motion protocol using the right hand. (b) Motion protocol using the left hand.

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pilares de las esquinas en sentido anti horario desde el pilar 1 al 4 (ver Figura 1). Esta secuencia es la utilizada en las evaluaciones en 2D, por lo que se quiso seguir con la misma para este estudio en 3D. La parte superior de cada pilar posee un punto negro de referencia que el paciente debe tocar con el estilete a un ritmo de un toque por segundo, marcado por una señal sonora de corta duración para un total de 120 segundos de registro. Las pruebas preliminares se realizaron en 2 pacientes sanos y para cada extremidad superior. Un paciente era hombre de 45 años diestro, el otro paciente era mujer de 20 años y zurda. Ambos fueron instruidos sobre la prueba y aportaron su consentimiento informado para su participación. Cada paciente se sentó cómodamente frente al dispositivo alineando la articulación del hombro a ser explorado, con el eje vertical del pilar central del dispositivo. Se instruyó además a mantener la espalda adosada al respaldo de la silla y realizar sólo movimientos del miembro superior. Esto permite que la distancia a los pilares sea la misma para los 2 de adelante y para los 2 de atrás. A cada paciente se le permitió un tiempo de 2 minutos para acostumbrarse al dispositivo, a los movimientos que había que generar y al orden de los pilares. Luego de esto se realizó la grabación del movimiento según el protocolo descrito, para luego repetir el procedimiento con el miembro superior contralateral.

sequence is used in 2D evaluations; thus, it was conserved for 3D measurement.

The uppermost part of each pillar has a black dot reference that the patient has to touch with the stylet at a rhythm of 1 touch per second, marked by a short sound signal for a total registry of 120 seconds. Preliminary tests were performed on 2 healthy patients. One subject was a 45 years old, right handed male and the other was a 20 years old, left handed female. Both were instructed about the test and gave their informed consent. Each patient sat comfortably in front of the device, aligning the joint to be probed with the vertical axis of the machine. They were instructed to keep their back attached to the backrest of the chair, and only to perform movements with the upper limb. This allows the distance to the front and back pillars to be same. Each patient was allowed 2 minutes to get used to the device, the movements and the order of the pillars. Then, motion was recorded according to the protocol mentioned above. The procedure was then repeated for the contralateral limb.

2.3. Análisis de datos

2.3. Data analysis

Los datos obtenidos fueron analizados en MATLAB R2017b utilizando funciones de su librería Signal Analyzer y funciones propias siendo la principal una utilizada para obtener las coordenadas de cada pilar en los 2 minutos de trayectoria de la prueba realizada.

The recorded data were analyzed in MATLAB R2017b using functions from the Signal Analyzer library and custom designed functions to obtain the coordinates for each pillar along the 2-minute trajectory recording.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

El dispositivo y el protocolo implementados permitieron obtener registros reproducibles y confiables, ya que las diferencias entre los valores potenciométricos y sus correspondientes coordenadas espaciales en mediciones repetidas e independientes fueron menores al 2%, lo cual es acorde a la precisión de los potenciómetros utilizados (de bajo costo).

The designed device and protocol allowed the obtention of reproducible data, as the difference observed between potentiometric values and their corresponding spatial coordinates were below 2% in different and independent measurements. This margin of error was according to the instruments precision (low cost).

La reconstrucción gráfica de las trayectorias del movimiento de uno de los pacientes se muestra en la Figura 2, la que reproduce el patrón impuesto en el protocolo de registro. Estos gráficos permiten detectar que las trayectorias muestran cierta variabilidad que puede ser cuantificada mediante una trayectoria promedio y su correspondiente dispersión. Sin embargo, se detectó que las trayectorias para cada pilar en sentido centro-periferia son diferentes a las del sentido periferia-centro. Este fenómeno lo hemos denominado histéresis (Figura 2). Esto puede ser medido como la diferencia entre las trayectorias promedio, para la cual utilizamos geometría analítica y el

The graphic reconstruction of the motion trajectories of one of the patients is shown in Figure 2, which corresponds to the pattern instructed in the experimental protocol.

These curves allow the detection of trajectory variability, which can be quantified as an average trajectory and its corresponding dispersion. However, it was detected that the trajectories from center to periphery were different from their inverse for each pillar. This phenomenon was termed hysteresis (Figure 2). This can be measured as a difference in the average trajectory; thus, we used analytical geometry and calculated the Euclidian distance (Table 1) for each trajectory and pillar. We observed clear differences between limbs when comparing hysteresis data (in Ohms),

Students’ research / 99

cálculo de la distancia euclidiana (Tabla 1) aplicada para cada trayectoria y cada pilar. Al comparar los resultados de histéresis (en Ohms) obtenidos por ambos miembros se observan claras diferencias, lo cual demuestra la sensibilidad del dispositivo en la determinación del

which proves the sensitivity of the device in the resolution of lateralization and right or left motor dominance. This data corresponds to a right-handed subject that shows less hysteresis in the dominant hand for every case, with exception of pillar 3. Furthermore, there are differences at

Trajectory

Hysteresis

Hysteresis

(From pillar to center)

Right limb

Left limb

Pillar 1

15.94

16.67

Pillar 2

23.52

84.23

Pillar 3

149.01

83.29

Pillar 4

7.81

45.40

Tabla 1. Histéresis (Ω) calculada como distancia euclidiana para trayectorias centroperiferia y vice-versa medidos en el paciente masculino diestro.

Table 1. Hysteresis (Ω) calculated as the Euclidian distance for center-periphery and periphery-center trajectories for a healthy right-handed male patient.

fenómeno de lateralización y dominancia motora diestra/ zurda. En este, los datos corresponden a un sujeto diestro y se observa menor histéresis en la mano dominante en todos los casos, a excepción de lo observado en el pilar 3.

Además, se observan diferencias en cada uno de los pilares, lo que muestra los diferentes grados de libertad utilizados en cada movimiento. Por ejemplo, en la trayectoria del pilar 1, los resultados son semejantes en ambos lados, no así para los restantes pilares, lo que podría deberse a los diferentes grados de libertad utilizados por el sistema nervioso central para cada trayectoria (Major, Stine, Heckathorne, et al, 2014).

each pillar, showing the diverse degrees of freedom used for each motion. For example, the trajectory of pillar 1 shows similar results for both sides, unlike the trajectories for the rest of the pillars. This could be explained by the different degrees of freedom employed by the central nervous system for each trajectory (Major, Stine, Heckathorne, et al, 2014).

Se compararon los valores de las trayectorias obtenidos de los 2 pacientes sin encontrar diferencias entre ellos y sus miembros superiores. Sugiriendo que pacientes sanos presentan un patrón de movimiento semejante sin importar el sexo o la edad de estos.

Hysteresis data on pillar 3 needs further analysis and data collection in order to determine the cause for difference.

This could be due to a higher difficulty in the performance of this motion and also because of a greater difference in the degrees of freedom when the arm is stretching out or coming back. Conversely, it could be due to a simple error in data acquisition from the potentiometers. Thus, further analysis is necessary.

Es necesario analizar la histéresis en el pilar 3 de manera más profunda y realizar más tomas de datos para poder determinar la razón de esta diferencia. Esto podría deberse a que realmente es un movimiento más difícil de realizar y también muy diferente en los grados de libertad utilizados dependiendo de si el brazo se estira o se recoge o simplemente a un error de la toma de datos de los potenciómetros por lo que será necesario evaluar este resultado en más ensayos.

Los resultados antes descritos respaldan fuertemente la capacidad del dispositivo para medir movimientos del miembro superior en personas sanas, abriendo la posibilidad de usarlo como herramienta de diagnóstico.

Se realizó una búsqueda en bases de datos de patentes

No difference was found when comparing the trajectory data from both patients, suggesting that healthy patients present a similar motion pattern independent of age or sex.

The previously described data strongly support the capacity of the device to adequately measure upper limb motion in healthy patients, opening the possibility of using it as a diagnostics tool.

We performed a thorough search in public patent databases for related devices to the one described herein, and found nothing similar regarding function or objective of use.

Thus, supporting the novelty of this research. The similar devices found are related to therapy for improving upper limb neuromuscular coordination, but there are no patent alternatives or options available in the market that can be used as a three-dimensional diagnostics tool.

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por dispositivos semejantes o relacionados al dispositivo utilizado en este estudio, pero no se encontró nada similar en cuanto a función y objetivo de uso. Esto apoya la novedad de esta investigación. Los dispositivos que se encontraron están relacionados con la terapia para mejorar la coordinación neuromuscular del miembro superior, pero no hay dispositivos en el mercado ni patentados que tengan el objetivo de utilizar un dispositivo de diagnóstico en tres dimensiones.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Los datos obtenidos con el dispositivo respaldan su capacidad y precisión de registro del movimiento TRIDIMENSIONAL del miembro superior humano, mostrando sensibilidad tanto espacial como temporal en la detección de diferentes patrones de trayectorias, así como el postprocesamiento de la data obtenida para su prueba ulterior como dispositivo de diagnóstico. Se hace necesario generar una base de datos de trayectorias para obtener los valores de referencia y los intervalos de confianza en una muestra grande de pacientes para describir diferencias normales según edad y género. Igualmente, se hace necesario la obtención de datos a partir de pacientes con patologías motoras conocidas para contrastar con los valores de referencia. Desde el punto de vista técnico se sugiere usar potenciómetros de mayor precisión (<1% de error de rotación) o su sustitución por encoders rotativos de más de 4.000 pulsos por vuelta para lograr la más alta resolución espacial. Igualmente hay que considerar incrementar la velocidad de muestreo del microcontrolador o sustituirlo por un conversor A/D, es decir un conversor de señal analógica a digital, de mayor frecuencia de muestreo.

Data obtained with our device support its capacity and precision for THREE-DIMENSIONAL motion registration of the human upper limb, showing spatial and temporal sensitivity in the detection of different patterns and trajectories. Furthermore, data postprocessing suggests that it can be used as a diagnostics tool.

Considering this, it is of paramount importance to create a trajectory database in order to obtain reference values and confidence intervals for a larger sample of patients. Thus, the data will be useful for describing normal differences between age and gender. Likewise, data acquisition from patients with different known motor disorders is necessary to compare with the reference data. From a technical point of view, the use of better precision (<1% rotation error) is advised or their replacement by rotation encoders of more than 4,000 pulses per turn in order to achieve higher spatial resolution. Furthermore, an increase in the microcontroller sampling rate or its substitution by an A/D converter of higher frequency is suggested.

GLOSARIO

GLOSSARY

ARDUINO: Placa microcontroladora con software y hardware de fácil uso para realizar proyectos interactivos.

DIAGNÓSTICO: Identificación veraz de la presencia de una determinada enfermedad mediante el examen de sus signos, síntomas y resultados de exámenes paraclínicos.

HISTÉRESIS: fenómeno por el que el estado de un material depende de su historia previa y se manifiesta por el retraso del efecto sobre la causa que lo produce.

MATLAB: Programa de computador para analizar y diseñar procesos con un lenguaje de programación expresado en matrices.

NEUROMUSCULAR: Relativo al proceso de control y ejecución del movimiento que incluye al sistema nervioso central y periférico, así como el sistema muscular.

POTENCIÓMETROS: Dispositivo pasivo de resistencia eléctrica variable.

ARDUINO: microcontroller with easy to use software and hardware for interactive projects.

DIAGNOSTICS: identification of certain disease or syndrome by means of studying its clinical signs, symptoms and test results.

HYSTERESIS: phenomenon by which the current state of a material depends on its previous history and is manifested by a delay in an effect with relation to its cause.

MATLAB: computer software for analyzing and designing processes using a programming language based in matrices.

NEUROMUSCULAR: relative to the process of control and execution of motion that includes the central and peripheral nervous system, as well as the muscular system.

Students’ research / 101

RESISTENCIA: Oposición que ofrece un material al paso de una corriente continua.

TRIDIMENSIONAL: de tres dimensiones, normalmente planos x, y, z.

POTENTIOMETER: passive device of variable electrical resistance.

RESISTANCE: opposition of a material to the flow of a continuous current.

THREE-DIMENSIONAL: of three dimensions, typically in the planes x, y, z.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La coordinación neuromuscular es un proceso mediante el que se activan diferentes zonas motoras donde la fuerza, las secuencias utilizadas y las combinaciones hechas cambian dependiendo de la acción necesaria. Al momento que esto ocurre, todas las otras unidades motoras que no se necesitarán son a la vez inhibidas. Cuando se repite varias veces la misma acción se utilizarán los mismos caminos neuronales (engramas) formando un patrón lo que permitirá ir perfeccionando la respuesta al mismo estímulo.

Neuromuscular coordination is a process by which several motor zones are activated were the strength, sequence and combinations change according to the performed motor action. When this occurs, all the other motor units that are not needed are inhibited instead. When the same action is repeated over time, the same neuronal paths (engram) will be used, forming a pattern that will allow motion perfection in response to the same stimulus.

El dispositivo que se utilizó en el estudio refuerza estos engramas al ser una repetición del mismo camino varias veces. El paciente utilizará el mismo patrón de músculos y de fuerza al estar sentado siempre en la misma posición. Por lo que el dispositivo es una forma de evaluar la evolución del paciente al poder comparar los resultados obtenidos con el ensayo anterior.

The device used in this study reinforces these engrams by means of repetitive motion paths. The patient should use the same muscular and strength pattern by being always in the same position when executing the protocol. Thus, this device can act as a clinical follow-up tool for patients to compare results from previous tests.

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

María Jesús Cárdenas

María Rodríguez

Antonio Eblen

Students’ research / 103

Simulaciones en Rayos X de la Galaxia Circinus X-ray simulations of the Circinus Galaxy Carolina Andonie1, alumna de 5° año Claudio Ricci2, profesor asistente Ezequiel Treister1, profesor asociado

Carolina Andonie1, 5th year student Claudio Ricci2, assistant professor Ezequiel Treister1, associate professor

Instituto de Astrofísica, Facultad de Física, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Diego Portales *Autor para correspondencia: cpandonie@uc.cl

Astrophysics Institute, Physics College, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Astronomy Nucleus, College of Engineering and Sciences, Universidad Diego Portales *Coresponding author: cpandonie@uc.cl

1

1

104 / Investigaciones de los alumnos

RESUMEN

ABSTRACT

En esta investigación se estudian modelos de distribución de gas y polvo del Núcleo Activo de Galaxia (AGN) que se encuentra en la Galaxia Circinus para tratar de reproducir por simulación los datos que fueron observados en rayos X. Previamente se descubrió que la distribución del polvo en el AGN de la Galaxia Circinus se puede explicar con un modelo a dos grandes componentes en escalas de parsec emitiendo en infrarrojo: un disco acampanado en el plano ecuatorial y una cáscara cónica perpendicular al disco. Esta cáscara cónica no es explicada con el actual Modelo Unificado de los AGN, por lo que es un gran motivo de interés. Los resultados de esta investigación indican que un modelo de distribución del gas que seguiría estas mismas componentes del modelo de distribución del polvo, usado para el infrarrojo, no permite reproducir los datos en rayos X de la Galaxia Circinus. Para reproducir los datos observados, se necesita distribuir el gas en un disco acampanado más grande, lo cual significa que el gas que compone el disco acampanado ocupa más volumen que el polvo.

Within this paper, the gas and dust distribution models of the Active Galactic Nucleus (AGN) found in the Circinus Galaxy where studied in order to reproduce, through simulations, the X-ray observational data. It was previously shown that a two-component model could explain Circinus AGN dust distribution. These large components, in parsec scales, emit in the infrared and correspond to a flared disk, in the equatorial plane, and a conical shell perpendicular to the disk. The current unified model for AGN cannot explain this shell; thus, its study is of great interest.

Palabras claves: active calactic nuclei, galaxia circinus, rayos X, infrarrojo, reprocesor.

Keywords: active galactic nuclei, circinus galaxy, X-rays, infrared, reprocessor.

The results herein suggest that a gas distribution model, following the aforementioned components for dust in the infrared, does not replicate the X-ray observational data for Circinus Galaxy. In order to accurately reproduce the observational evidence, the gas needs to be distributed across a larger flared disk, implying that the gas composing the disk occupies a larger volume than dust.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los agujeros negros son objetos muy densos, en los cuales la gravedad es lo suficientemente fuerte como para no dejar escapar ni materia ni radiación electromagnética. Debido a esto, los agujeros negros son invisibles y no pueden ser observados, por lo que una forma de detectarlos es estudiando el comportamiento de la materia alrededor de ellos (Genzel, Reinhard & Gillesen, 2010), el cual es afectado por la presencia del agujero negro.

BLACK HOLES are very dense objects in which gravity is strong enough to trap matter and electromagnetic radiation. Thus, black holes are invisible and unable to be observed. However, a way to detect them is by studying the behavior of matter around them (Genzel, Reinhard & Gillesen, 2010), which is affected by the presence of the black hole.

Los agujeros negros tienen distintos tamaños; los más pequeños pueden tener el tamaño de un átomo y los más grandes, llamados AGUJEROS NEGROS supermasivos (SMBH), pueden tener un millón de veces la masa del sol (Genzel, Reinhard & Gillesen, 2010). No se tiene muy claro cómo se forman los agujeros negros, pero sí se sabe que los agujeros negros estelares, cuya masa es aproximadamente 20 veces la masa del sol, se forman al final de la vida de una estrella, cuando ésta colapsa y cae toda la materia en su centro (Genzel, Reinhard & Gillesen, 2010).

Hay ciertas galaxias que poseen un SMBH en su centro, en el cual se está acretando materia, es decir, la materia que está alrededor cae sobre el agujero negro, haciéndose éste más masivo. En algunos casos, la acreción es muy eficiente

Black holes can vary in size; where the smallest can be the size of an atom, and the largest, called supermassive BLACK HOLES (SMBH), can be a million times the mass of our sun (Genzel, Reinhard & Gillesen, 2010). The process by which black holes are formed is not entirely understood, but it is accepted that stellar black holes, whose mass is approximately 20 times the mass of our sun, form at the end of the life of a star, when it collapses and all the matter is drawn to its center (Genzel, Reinhard & Gillesen, 2010).

Certain galaxies possess a SMBH at their centers that can accrete material, meaning that the matter around the black hole is falling into it, making it larger. In some cases, accretion can be very efficient, thus generating great luminosity that cannot be explained by a group of stars. In such cases, the areas located at the center of these galaxies

Students’ research / 105

y se produce una gran luminosidad, la cual no puede ser explicada solo por un conjunto de estrellas. En estos casos, estas zona ubicadas en el centro de algunas galaxias se llaman Núcleos Activos de Galaxias (AGN, por sus siglas en inglés).

Una característica muy importante de los AGN es que emiten en casi todo el ESPECTRO electromagnético (Elvis et al. 1994). En particular, hay dos bandas que pueden entregar información muy importante acerca de estos: los RAYOS X y el INFRARROJO. Por un lado, la banda infrarroja entrega una especie de fotografía de la distribución del polvo en los AGN (Feltre et al. 2012), ya que la principal emisión de infrarrojo es debida al polvo.

Por otro lado, a través de los rayos X se pueden conocer las condiciones de la materia gaseosa que rodea el SMBH y los procesos físicos que están sufriendo estos fotones.

El modelo unificado de los AGN intenta explicar las distintas componentes de estos objetos, situando al toroide polvoriento (ver Principio Científico para más detalles) como el principal emisor de infrarrojo. Recientemente se ha descubierto que hay AGN que presentan una emisión extendida en infrarrojo, más allá del toroide polvoriento, que no se puede explicar con el modelo unificado (Asmus, Hönig & Gandhi, 2016). Una de estas galaxias es la Galaxia Circinus. Circinus se encuentra a 4.200.000 PÁRSEC (pc) de la Tierra, distancia que permite estudiar con detalle su AGN. Stalevsky, Asmus y Tristram (2017) hicieron un análisis de Circinus y concluyeron que el AGN de esta galaxia tiene dos componentes en escalas de pc que emiten

are called Active Galactic Nuclei.

A very important feature of AGN is that they emit in almost the entire electromagnetic SPECTRUM (Elvis et al.

1994). However, there are two bands that can be used to obtain crucial information about them; namely, X-RAYS and INFRARED. On the one hand, the infrared band corresponds to an image of dust distribution within the AGN, since the major source of infrared emission is dust (Feltre et al. 2012). On the other hand, the state of the gas material surrounding the SMBH and the physical processes to which those photons are subjected can be analyzed through X-ray emission.

The unified model of AGN tries to explain the different components of these objects by considering the dust torus as the main emission source of infrared radiation (see Scientific Principle for further detail). Recently, it has been found that some AGN show an extended infrared emission, beyond the dust torus that cannot be explained by the unified model (Asmus, Hönig & Gandhi, 2016). Circinus Galaxy (hereafter referred to as Circinus) is one such galaxy, located at 4,200,000 PARSECS (pc) from Earth, a distance that allows a detailed study of its AGN. Stalevsky, Asmus and Tristram (2017) analyzed Circinus and concluded that its AGN has two components in the pc scale that emit in infrared; thus, composed of dust: a flared disk, replacing the torus, and two conical shells perpendicular to the disk.

Seyfert 2 is the AGN of Circinus and has an inclination

Figura 1. Espectro (Ricci, C. 2011) de un AGN con una densidad de partículas nH ~105 cm-3. El gráfico muestra las diferentes componentes que conforman el espectro de un AGN con una alta densidad. El Reflection hump y la Iron Kα line son características espectrales producto de la dispersión y fluorescencia entre los fotones de rayos X y las partículas del gas, las cuales conforman la componente reflejada. Se observa que la componente transmitida (Transmitted power-law en el gráfico) es mucho menor que la componente dispersada y reflejada.

Figure 1. Spectrum of an AGN with particle density nH~105 cm-3. (Ricci, C. 2011). The graph shows the different components of a high density AGN. The Reflection hump and Iron Kα line are spectral characteristics produced by dispersion and fluorescence of the X-ray photons and the gas particles, which corresponds to the reflected component. Note that the transmitted component (Transmitted power-law) is significantly lower than the dispersed and reflected components.

106 / Investigaciones de los alumnos

en infrarrojo, es decir, que están compuestas de polvo: un disco acampanado que reemplaza al toroide y dos cáscaras cónicas, perpendiculares al disco acampanado.

El AGN de Circinus es Seyfert 2 y tiene un ángulo de inclinación de 87°, esto quiere decir que desde la Tierra se observa el AGN a través del disco acampanado. Por esto, los fotones tienen que atravesar todo el disco antes de ser detectados por los observatorios. Si el disco tiene una gran densidad de partículas, los fotones tienen más probabilidad de interactuar con la materia a través de procesos de DISPERSIÓN DE COMPTON y FLUORESCENCIA. Estudiando el ESPECTRO de un AGN se puede saber si dominan los fotones que llegan a los detectores sin interactuar con la materia (componente transmitida) o si dominan los fotones que sí hicieron interacción en el camino (componente dispersada y reflejada). En la Figura 1 se observa un clásico espectro en rayos X de un AGN que tiene una alta densidad de gas, como Circinus.

La componente reflejada (Iron Kα line y Reflection hump) y la dispersada predomina con respecto a la componente transmitida (Transmitted power-law), debido a la gran densidad del toroide. La Iron Kα line es una línea que siempre se observa en el espectro de un AGN. Esta se forma en procesos de fluorescencia, cuando un fotón de rayos X impacta un átomo de Hierro y luego este átomo emite un fotón de 6,4 keV. La emisión de un objeto está modelada por la forma del emisor, independiente de la longitud de onda en la que se esté estudiando. El objetivo de este trabajo es averiguar si se puede reproducir el espectro de Circinus en rayos X usando el modelo propuesto en infrarrojo, es decir, si la distribución del gas en el AGN es igual a la del polvo.

Este resultado sería de gran importancia ya que entrega información sobre cómo se relacionan el gas y el polvo, en las zonas del AGN en que ambos residen, lo que hasta ahora no se conoce. Además, si la emisión en rayos X de una cáscara cónica puede modelar los datos de Circinus, es un punto a favor al replanteamiento de la unificación de los AGN.

angle of 87º, meaning that from Earth the AGN is observed through the flared disk. Therefore, the photons have to cross the entire disk before being detected by observatories. If the disk has a high particle density, the photons have greater probability of interacting with the matter through the processes of Compton dispersion and FLUORESCENCE. By studying the spectrum of an AGN it can be determined if the photons reach the detectors without interacting with matter (transmitted component) or if the dispersed or reflected component of interacting photons are more prevalent. Figure 1 shows the classic X-ray spectrum of an AGN with high gas density, such as Circinus. The reflected (Iron Kα line and Reflection hump) and dispersed components are dominant compared to the transmitted component (Transmitted power-law), due to the high density of the torus. The Iron Kα line is a feature always present in AGN spectra, and results from fluorescence when an X-ray photon impacts an Iron atom, which releases a 6.4 keV photon.

The shape of the emitter models the emission of an object, independent of the wavelength observed. The aim of this study was to replicate the X-ray emission spectrum of Circinus by using the proposed model for infrared emission; thus, assessing if the gas in the AGN and the dust have the same distribution. This result is of great importance, because it sheds light on how gas and dust interact in areas of AGN in which both reside, a subject currently unknown.

Furthermore, if the X-ray emission by a conical shell can properly model Circinus observational data it would be a compelling argument to rethink the unified model of AGN.

2. EXPERIMENTACIÓN

2. EXPERIMENTATION

Para el modelo del AGN de Circinus se realizaron simulaciones usando el programa RefleX (Paltani C. & Ricci C. 2017). Este programa sigue a cada fotón y guarda cada proceso físico que sufrió al atravesar la materia, usando un algoritmo de ray-tracing. RefleX indica los fotones que no interactuaron con la materia y los que sí interactuaron, entregando la información de cuántas interacciones sufrieron y en qué parte del AGN. Las herramientas de RefleX que más se utilizaron fueron la creación de espectros y de imágenes.

Simulations with the software RefleX were used to model the AGN x-ray emission of Circinus (Paltani C. & Ricci C. 2017). This software follows each photon and stores each physical process it underwent when crossing the material by using the ray-tracing algorithm. RefleX accounts for interacting and non-interacting photons, providing information on how many interactions occurred and in which part of the AGN. The most used tools of RefleX were spectrum creation and imaging.

Las simulaciones se basaron en el modelo en rayos X explicado en la Figura 2. Este modelo considera la geometría utilizada en el infrarrojo (componentes color

Simulations were based on the X-ray model shown in Figure 2. This model considers the geometries used in the infrared (beige color components), the ACCRETION DISK and the Broad Line Region (BLR, grey color

Students’ research / 107

beige), el DISCO DE ACRECIÓN y la Broad Line Region (BLR, componentes color gris). Estas últimas 2 componentes se agregaron porque son gaseosas, por lo que pueden reprocesar los fotones de rayos X, pero al ser libres de polvo, no emiten radiación en infrarrojo, no siendo consideradas en ese modelo. La fuente de emisión de rayos X, la Corona, es simulada con las esferas rojas que se muestran en la figura. El detalle de las dimensiones de cada componente del modelo están en la Tabla 1.

Fueron utilizadas las mismas dimensiones del modelo en infrarrojo, excepto para el ángulo de apertura del disco acampanado (θdisco). Se decidió probar con ángulos de apertura mayores que 5°, porque la fracción que ocupa el disco en el espacio es muy pequeña para un AGN de este tipo (Stalevski et al. 2016), del cual a partir de su espectro se desprenden muchos procesos de interacción entre los fotones y la materia. Además, fueron tomadas con un ángulo de inclinación (o ángulo polar) de 89°, es decir, solo es guardada la información de los fotones que atraviesan el disco acampanado.

Para crear cada modelo, se realizaron 100 simulaciones y luego se combinaron. Los modelos creados fueron comparados con datos reales de Circinus, de los observatorios Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) y X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton), los cuales había sido obtenidos en la investigación previa de Arévalo et al. (2014).

components). These last two components were considered here because they are gaseous and can REPROCESS X-ray photons. Since these regions have no dust, they do not emit in the infrared and are not considered in those models.

The red spheres in the figure simulate the X-ray emission source, the Corona. Dimension details of each component of the model are in Table 1. The same dimensions as in the infrared model were used, with the exception of the aperture angle for the flared disk (θdisk). Aperture angles greater than 5º were tested because the fraction of space occupied by the disk is very small for an AGN of this kind (Stalevski et al. 2016), from whose spectrum many photonmatter interaction processes can be derived. Furthermore, the data was acquired with an inclination angle (or polar angle) of 89º; thus, only the information of photons crossing the disk was stored.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Los modelos aplicados fueron ajustados a los datos reales de Circinus usando un programa de ajuste espectral llamado XSPEC (Arnaud, 1996). Los resultados finales se muestran en la Figura 3. Los colores verde y rojo corresponden a los datos de NuSTAR y el color negro a los datos de XMM-Newton. En el panel superior de cada figura, está

The applied models were fitted to real data from Circinus using a spectral adjustment software called XSPEC (Arnaud, 1996); results are shown in Figure 3. Colors green and red correspond to NuSTAR data while black color is from XMM-Newton. The upper panel in each figure shows real spectra (data points with error bars) and

To create the model, 100 simulations were ran and combined. The created models were compared to real data from Circinus obtained from the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) and X-ray Multi-Mirror Mission (XMM-Newton) observatories, which was previously acquired in Arévalo et al. (2014).

Figura 2. Modelo con el que se hicieron simulaciones en rayos X. El modelo no está a escala. Las figuras color beige son las componentes consideradas para el modelo en infrarrojo y las figuras color gris fueron agregadas para el modelo en rayos X. El disco de acreción (AD en la figura) se simuló usando un disco y la BLR se simuló usando un toroide. En punto negro central representa el SMBH y las esferas rojas representan la Corona.

Figure 2. Model for X-ray simulations. The model is not to scale. Figures in beige color are the components considered by the infrared model while the grey figures were added to the X-ray model. The accretion disk (AD) was simulated using a disk and the BLR using a torus. The central black dot represents the SMBH and the red spheres the Corona.

108 / Investigaciones de los alumnos

Accretion disk

Broad Line Region

Flared disk

Conical shell

Corona

Tabla 1. Dimensiones de las 4 geometrías reprocesoras y la Corona en el modelo de rayos X. En todos los casos n es la densidad volumétrica del gas y para el disco acampanado y la cáscara cónica, θ es el ángulo de apertura. En el caso de la Corona, rcorona es el radio de las esferas y dcorona-SMBH es la distancia entre la Corona y el SMBH. Table 1. Dimensions of the 4 reprocessing geometries and the Corona for the X-ray model. In all cases, n is the volumetric density of the gas. For the flared disk and the conical shell, θ is the aperture angle. In the case of the Corona, rcorona is the radius of the spheres and dcorona-SMBH is the distance between the Corona and SMBH.

mostrado el espectro real (puntos con barras de error) y el espectro simulado (línea continua). En el panel inferior se muestra la razón entre el modelo y los datos reales. Para un ángulo de apertura de θdisco=5°, se puede observar que el modelo no logra reproducir los datos. La línea Iron Kα está subestimada, al igual que el Reflection hump. Esto es debido a que la cantidad de procesos de interacción (dispersión de Compton y fluorescencia) no son suficientes para reproducir las características espectrales previamente mencionadas. Esto no es sorprendente, ya que el ángulo de apertura del disco es demasiado pequeño y solo ocupa el 9% del espacio en el plano en el que se encuentra. En nuestros resultados se observa que a partir de un ángulo de apertura del disco θdisco=20° (equivalente a ocupar el 34% del espacio) se comienza a reproducir el espectro sobre 10 keV. Hasta ahora, no se conoce una relación entre el polvo y el gas en otros AGN, ya esta la primera vez que se realiza una investigación en la que se comparan las geometrías de cada uno. Nuestros resultados indican que el modelo que logra reproducir los datos en infrarrojo, no es capaz de reproducir los datos en rayos X para Circinus, lo que indica que el polvo y el gas tienen geometrías distintas.

Por otro lado, se puede observar que para ninguno de

the simulated spectra (full line). The lower panels show the ratio between model and real data. For an aperture angle θdisc=5°, the model fails to replicate the observational data.

The Iron Kα line is underestimated, as well as the Reflection hump. This is because the amount of interaction processes (Compton dispersion and fluorescence) is not enough to reproduce the aforementioned spectral characteristics.

This is not surprising, since the aperture angle of the disk is too small and only occupies 9% of the space in the plane it is allocated. Our data show that at disk aperture angles from θdisc=20° (equivalent of occupying 34% of the space in the plane), and larger, the spectrum beyond 10 keV can be reproduced. So far, the relation between gas and dust in other AGN is unknown, and this is the first time that a comparative study of their geometries is done. Our results indicate that the model is able to reproduce the infrared data, but not the X-ray data for Circinus, suggesting that dust and gas have different geometries.

On the other hand, it can be observed that none of the 4 generated spectra was able to replicate the Iron Kα line.

One possible explanation is that NuSTAR and XMMNewton data are contaminated with two sources of intense emission below 10 keV energies, corresponding to the X-ray

Students’ research / 109

Figura 3. Espectros resultantes para 4 distintos ángulos de apertura del disco acampanado. Los colores verde y rojo corresponden a los ratos de NuSTAR y el color negro a los datos de XMM-Newton. El panel superior de cada imagen se muestra el espectro, en donde los puntos con las barras de error corresponden a los datos reales y la línea continua corresponde al modelo. En el panel inferior de cada espectro se muestra la razón entre los datos reales y el modelo.

Figure 3. Spectra using four different aperture angles for the flared disk. Colors green and red show data from NuSTAR while black correspond to XMM-Newton data. The upper panel of each image shows spectra, where data points with error bars correspond to real data and the filled line to the modeled data. The lower panel of each spectrum shows the ration between real and model data.

los 4 espectros se logró reproducir la línea Iron Kα. Una explicación a esto es que los datos de NuSTAR y XMMNewton están contaminados por dos fuentes que emiten intensamente a energías menores de 10 keV, las cuales corresponden a la binaria de rayos X CGX1 y el remanente de supernova CGX2 (Bauer et al., 2001). Esto quiere decir, que dentro de las observaciones del AGN de Circinus también están incluídas las fuentes CGX1 y CGX2. Este modelo no incorpora las fuentes de contaminación, lo que explica que no se logre ajustar bien el espectro bajo 10 keV. También se hicieron simulaciones en las que se aumentaba la densidad del disco acampanado hasta n=106 cm-3, en vez de aumentar el ángulo de apertura del disco. Estas simulaciones no reproducen bien los datos, obteniendo resultados similares que los obtenidos con la densidad inicial. Esto confirma que el principal problema del modelo en infrarrojo, es que el disco acampanado ocupa un volumen muy pequeño en el espacio, produciendo menos interacciones físicas de las necesarias.

En esta investigación se logró construir modelos que reproducen parcialmente el espectro real de Circinus. Sería

binary CGX1 and the supernova remnant CGX2 (Bauer et al., 2001). This means, that within the observational data from Circinus AGN, there is also information from the sources CGX1 and CGX2. This model did not include the contaminations sources, which might explain the difficulties for spectral fit below 10 keV. Furthermore, simulations with increased density within the flared disk, up to n=106 cm-3, were performed instead of changing the aperture angle. These simulations were not able to properly replicate the data, giving similar results to the ones with the initial density. This further confirms that the main problem with the infrared model is that the volume occupied by the flared disk is too small in space, leading to less physical interactions than needed.

In this research it was possible to build models that partially reproduce the real spectrum of Circinus. It would be interesting to include the contamination sources for the spectral adjustment in order to obtain more precise data and check if the model shows increased fitness.

110 / Investigaciones de los alumnos

interesante incorporar las fuentes de contaminación en el ajuste espectral, para obtener resultados más precisos y ver si el modelo logra ajustar los datos en ese caso.

CONCLUSIONS

CONCLUSIONS

Después de varias simulaciones realizadas (aproximadamente 100), fue demostrado que el modelo en infrarrojo no puede reproducir el espectro en rayos X de Circinus. Para lograr reproducir las interacciones físicas producidas en fotones de rayos X con una energía mayor que 10 keV, es necesario considerar un ángulo de apertura del disco acampanado de al menos 20°, en vez de los 5° que considera el modelo en infrarrojo. Esto apunta que la razón gas a polvo no es la misma en todos los lugares del AGN y que el disco acampanado ocupa un volumen mayor para el gas que para el polvo.

After several performed simulations (approximately 100), it was shown that the infrared model could not reproduce the X-ray spectrum of Circinus. In order to achieve the physical interactions of X-ray with higher energies than 10 keV, it is necessary to consider an aperture angle higher than 20º for the flared disk, instead of the 5º considered in the infrared model. This suggests that the ration of gas to dust is not the same across the AGN and that the flared disk occupies a larger volume for gas than for dust.

Por otro lado, no se logró reproducir el espectro de Circinus para energías menores a 10 keV, siendo siempre subestimada la prominencia de la línea Iron Kα. Una posible explicación a esto son las fuentes de contaminación que afectan el espectro a bajas energías, las cuales no están incorporadas en el modelo.

Esta investigación es un gran paso para la construcción de un posible modelo en rayos X que logre reproducir los datos de Circinus y encontrar la geometría del gas en su AGN, ya que ahora sabemos que el disco acampanado para los rayos X debe tener un ángulo de apertura mayor que para el infrarrojo. Un modelo que logre explicar los datos en rayos X de Circinus, el cual considere una cáscara cónica, sería un gran paso para un futuro replanteamiento en la Unificación de los AGN.

On the other hand, it was not possible to reproduce the spectrum of Circinus at energies lower than 10 keV, and the Iron Kα line was always underestimated. One possible explanation for this could be the effects of the contamination sources that affect the spectrum at lower energies, which are not included in the model.

This research is a great step in the construction of an X-ray model that replicates Circinus data, and towards finding the geometry of its gas at the AGN. Up until now, it is clear that the flared disk for X-ray must have a greater aperture angle than for infrared. A model that is able to explain the X-ray data from Circinus, which considers a conical shell, would be a great step towers a rethinking of the unified model of AGN.

Agradecimientos

Acknowledgments

Quiero agradecer a Stephane Paltani por haber incorporado las herramientas a RefleX para el desarrollo de este trabajo y a Marko Stalevski por haber compartido en detalle la información del modelo en infrarrojo de Circinus con nosotros.

The authors would like to thank Stephane Paltani for incorporating the necessary tools to RefleX for the development of this work and to Marko Stalevski for sharing in detail the information about the infrared model of Circinus. Also, thanks to Patricia Arévalo and her

GLOSARIO

GLOSSARY

AGUJERO NEGRO: materia altamente comprimida que crea un campo gravitacional muy intenso, que no deja escapar nada, ni siquiera la luz. Se habla de un agujero negro supermasivo cuando la masa de este es mayor a 50 veces la masa del sol.

ACRECIÓN: es cuando existe material rodeando un cuerpo, el cual va creciendo producto de que el material cae sobre él.

BLACK HOLE: highly compressed matter that creates a very intense gravitational field that does not allow anything to scape, not even light. A supermassive black hole corresponds to black holes with sizes bigger than 50 times the mass of the sun.

ACCRETION DISK: when there is matter surrounding a celestial body, which, in turn, gets bigger due to the material falling into it.

Students’ research / 111

REPROCESAR: es cuando los fotones de rayos X (en este caso) interactúan una o más veces con la materia, realizando procesos de dispersión de Compton Inverso y fluorescencia, cambiando su energía, pero continuando como rayos X LÍNEAS ESPECTRALES DE EMISIÓN: líneas que se observan en el espectro cuando un átomo absorbe un fotón y después re-emite otro fotón. El fotón re-emitido es el que se observa en el espectro.

RAYOS X: fotones que no son visibles para el ojo humano, que poseen una energía entre 100 eV y 1000000 eV. INFRARROJO: fotones que no son visibles para el ojo humano, que poseen una energía entre 0.001 eV y 1 eV. ULTRAVIOLETA: fotones que son invisibles al ojo humano que poseen una energía entre 1 eV y 100 eV PÁRSEC: escala de distancia usada en astronomía que equivale a 3x1018 cm.

FLUORESCENCIA: interacción entre un fotón y un átomo. El fotón choca con el átomo, lo que produce que un electrón dentro del átomo salte de un nivel de energía menor a uno mayor. Para volver al equilibrio inicial, el electrón vuelve a su nivel de energía original emitiendo un fotón ESPECTRO: es un gráfico en 2 dimensiones, en donde el eje x representa la energía de los fotones y el eje y representa el flujo (proporcional a la cantidad de fotones que tienen una determinada energía)

REPROCESSING: when X-ray photons (for this case) interact one or more times with matter through the process of inverse Compton dispersion and fluorescence, changing their energy levels, but still within the X-ray band.

SPECTRAL LINES OF EMISSION: lines that can be observed in spectra when an atom absorbs a photon and then re-emits another photon. This new photon is the one observed in the spectra.

X-RAYS: photons invisible to the human eye that possess energies between 100 and 1,000,000 eV. INFRARED: photons invisible to the human eye that possess energies between 0.001 and 1 eV. ULTRAVIOLET: photons invisible to the human eye that possess energies between 1 and 100 eV. FLUORESCENCE: interaction between a photon and an atom. The photon impacts the atom, which produces the movement of an electron within the atom to a higher energy level. In order to return to the initial state, the electron goes back to the original energy level by emitting another photon.

SPECTRUM: a two-dimensional graph in which the x-axis represents the energy of photons and the y-axis represents flux (proportional to the amount of photons with a specific energy).

PARSEC: scale of distance used in astronomy equivalent to 3x1018 cm.

También agradecir a Patricia Arévalo y su equipo por haber compartido los datos en rayos X de Circinus.

Por último, agradecer al grupo del cluster de Geryon2 por haber facilitado el equipo para el desarrollo de esta investigación.

team for sharing the X-ray data of Circinus. Finally, the authors thank the Geyon2 cluster group for facilitating the equipment needed for this research.

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

Los Núcleos Activos de Galaxias (AGN, por sus siglas en inglés), son unos curiosos objetos compactos ubicados en el centro de algunas galaxias, que tienen un agujero negro supermasivo en su centro, el cual tiene un disco alrededor que está acretando materia, produciendo una gran cantidad de energía y por lo tanto emitiendo más luminosidad que una galaxia normal.

Active galactic nuclei (AGN) are curious compact objects located at the center of galaxies that have a supermassive black hole at their center that have a disk accreting matter, generating a large amount of energy and emitting higher luminosities than a normal galaxy.

El modelo unificado de los AGN (ver Figura 4), consiste en un agujero negro supermasivo en el centro, rodeado por un disco de acreción y este a su vez rodeado por un toroide.

El toroide es una componente de gas y polvo encargado de REPROCESAR y re-emitir radiación proveniente de otras partes del núcleo. Además, hay una componente llamada Broad Line Region (BLR), la cual se encuentra entre el toroide y el disco de acreción que emite LÍNEAS ESPECTRALES DE EMISIÓN anchas. Luego hay una

The unified model of AGN (see Figure 4) consists of a supermassive black hole at the center, surrounded by an accretion disk, the latter encircled by a torus. This torus is composed of gas and dust and it reprocesses and reemits radiation incoming from other parts of the nucleus.

Furthermore, there is another component, called the Broad Line Region (BLR), which is in between the torus and the accretion disk that emits the broad SPECTRAL LINES OF EMISSION. Additionally, there is a more extended component called the Narrow Line Region (NLR) that emits narrow spectral lines.

112 / Investigaciones de los alumnos Figura 4. Esta imagen representa el esquema de los Núcleos Activos de Galaxias, de acuerdo al modelo unificado (Beckmann & Shrader, 2012). Se muestra cada componente del AGN, como también de dónde nacen las distintas componentes del espectro. De la imagen también se desprende la diferencia entre AGN Seyfert 1 y Seyfert 2.

Figure 4. This image represents the schematics of Active Galactic Nuclei according to the unified model (Beckmann & Shrader, 2012). Every component of the AGN is shown, together with the origin of the different components of the spectra. From the illustration, the difference between AGNs Seyfert 1 and Seyfert 2 can be distinguished.

componente más extendida que se llama Narrow Line Region (NLR), que emite líneas espectrales delgadas.

Los AGN se pueden clasificar de acuerdo a sus líneas espectrales de emisión. Los AGN que en su espectro muestran líneas anchas y delgadas, se denominan Seyfert 1, y los que muestran solo líneas delgadas, se denominan Seyfert 2. Esta diferencia en el espectro es producida por la inclinación en que está el AGN con respecto a la Tierra.

Si la inclinación es similar a 0°, se observa el AGN desde arriba pudiendo resolver la BLR y la NLR. En cambio, si la inclinación del AGN es aproximadamente 90°, se observa a través del toroide, solo viendo la NLR, ya que la BLR es cubierta por éste. En la Figura 4 se esquematiza este suceso.

Los AGN emiten radiación en casi todo el espectro electromagnético. En particular, los RAYOS X y el INFRARROJO son bandas que entregan importante información sobre los procesos físicos y condiciones de la materia de los AGN. Los rayos X son creados cuando los fotones ULTRAVIOLETA (UV) provenientes del disco de acreción chocan con una zona llamada Corona, la cual está compuesta por electrones muy energéticos y que se encuentra muy cercana al disco de acreción. En este proceso, parte de la energía de los electrones es transferida a los fotones UV, transformándose en rayos X. Este proceso se llama Dispersión de Compton Inverso. Por otro lado, la radiación de infrarrojo se forma cuando los fotones UV provenientes del disco de acreción son absorbidos por el polvo del toroide y luego re-emitidos en infrarrojo. El toroide es el lugar en donde más se concentra polvo en el AGN, mientras que las componentes que están más cercanas al agujero negro (el disco de acreción y la BLR) no tienen polvo, porque en esa zona las temperaturas son muy

The AGN can be classified according to their spectral emission lines. AGNs with lines broad and narrow are called Seyfert 1, while the ones only showing narrow lines are called Seyfert 2. This difference in spectra is generated by the angle of inclination of the AGN with respect to Earth. If the inclination is near 0º, the AGN is observed from above, allowing for the resolution of BLR and NLR. In turn, if the AGN inclination is near 90º it is observed through the torus, only appreciating the NLR, since the BLR is hidden by it. Figure 4 summarizes this.

AGN emit radiation in almost the entire electromagnetic spectrum. Particularly, X-ray and infrared can be used to study the physical processes and matter conditions in AGN. X-rays are created when ULTRAVIOLET (UV) photons, coming from the accretion disk, hit the Corona, a region composed of highly energetic electrons that is located near the accretion disk. When this occurs, some of the energy is transferred from electrons to UV photons, converting them into X-rays. This process is called inverse Compton dispersion. On the other hand, when UV photons coming from the accretion disk are re-emitted in the infrared when absorbed by the dust in the torus. The torus is the portion of the AGN with the highest dust concentration, while the components near the black hole (accretion disk and BLR) do not have dust because they reach high temperatures, over 2,000 K, and the dust sublimates (Kishimoto et al,.

2018).

X-rays can be reprocessed or they can reach Earth without interacting with matter. Reprocessing consists mainly in the process of Compton dispersion and fluorescence. In the spectra of the AGN, the reprocessed fraction can be

Students’ research / 113

altas, mayores a 2000 K, y el polvo sublima (Kishimoto et al,. 2018).

Los rayos X pueden ser reprocesados o llegar hasta la Tierra sin haber interactuado con la materia. La reprocesión consiste principalmente en procesos de dispersión de Compton y FLUORESCENCIA. En el ESPECTRO de un AGN se puede distinguir la componente reprocesada (reflected component y scattered component) y la componente transmitida (transmitted component), la cual llega a la Tierra sin haber sufrido interacción alguna. Estos sucesos están esquematizados en la Figura 4.

distinguished (reflected component y scattered component) from the transmitted component, which reaches Earth without suffering any type of physical interaction. These processes are illustrated in Figure 4.

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EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Carolina Andonie

Claudio Ricci

Ezequiel Treister

40 ResĂşmenes Abstracts

III Congreso de Estudiantes de IngenierĂ­a UC-USM III Congress of Engineering Students UC-USM Santiago, 2018

116 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Análisis numérico de la mecánica de fractura en tuberías forzadas aplicando el estándar BS 7910 y simulación por elementos finitos Numerical analysis of fracture mechanics on forced pipelines by application of BS 7910 standard and finite element simulation Barrionuevo G.1, Guerrero B.2 Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Universidad de las Fuerzas Armadas, Escuela Politécnica del Ejército del Ecuador.

1

Barrionuevo G.1, Guerrero B.2 Department of Mechanical Engineering and Metallurgy, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 University of Armed Forces, Polytechnic School, Army of Ecuador.

1

RESUMEN

ABSTRACT

El presente trabajo tiene como objetivo determinar la Integridad Estructural de tuberías forzadas mediante la aplicación del estándar BS7910 y Simulación por Elementos Finitos. Para el estudio de la mecánica de fractura en tuberías de presión que presentan defectos en su interior, se determina la integridad estructural del elemento a través de un diagrama de evaluación de fallos (FAD) donde se grafica el índice de fallo por fractura (Kr) versus el índice de fallo por colapso plástico (Lr). Mediante la ubicación del punto inicial de falla se calcula el factor de seguridad y se define si el elemento está apto para el servicio o si se deberá realizar una acción correctiva para que siga operando; posteriormente se analiza el crecimiento de la fisura, donde se determina el punto crítico de rotura de la tubería y por ende su vida útil. Para verificar los resultados obtenidos analíticamente se realiza la simulación de la mecánica de fractura en ANSYS, donde se determina el factor de intensidad de esfuerzos (SIF) mediante la herramienta fractura y también se calcula la vida útil del elemento a través de un análisis de fatiga. En este apartado se recomienda el uso de elementos tetraédricos para el mallado global de la tubería y una configuración de telaraña para el mallado en la punta de la fisura. Finalmente se compara los resultados obtenidos donde se obtuvo un error promedio de 3.24% denotando la utilidad de los dos métodos, así como la simplicidad de la ley de Paris.

This work aims to determine the structural integrity of forced pipelines by application of the BS7910 standard and finite element simulation. To study fracture mechanics on pressurized pipelines with interior defects, the element structural integrity was evaluated with a failure assessment diagram (FAD), where the fracture failing index (Kr) was plotted against the plastic failing index (Lr). Using the initial point of failure, a security factor is calculated, thus defining if the element is apt for service or if it requires a corrective action to continue in operation.

Afterwards, the crack growth is analyzed in order to determine the pipe critical rupture point and its useful life. In order to verify these analytical results, a mechanical simulation of the fracture is performed in ANSYS, using the fracture tool, to determine the stress intensity factor (SIF) and the element useful life through a fatigue analysis. For this, the use of tetrahedral elements for the global meshing of the pipes is suggested, together with a spider web mesh configuration for the fissure point. Finally, the obtained results were compared, obtaining an average error of 3.24%, indicating the usefulness of both methods, as well as the simplicity of the Paris law.

III Congress of Engineering Students / 117

Aplicación de control variantes y base reducida para la estimación de estadísticas de sistemas estructurales lineales inciertos Variable control and reduced base application for statistical estimation of uncertain linear-structural systems González I.1, Valdebenito M.1 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María.

Gonzalez I.1, Valdebenito M.1 1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University

RESUMEN

ABSTRACT

En aplicaciones de mecánica estructural, la incertidumbre de los parámetros de análisis puede ser modelada mediante variables aleatorias cuyas características se transmiten a la respuesta del sistema. Por esto, resulta de interés caracterizar la distribución de probabilidad asociada a la respuesta del sistema estructural eficientemente. Una manera de caracterizar una distribución de probabilidad es mediante la estimación de momentos estadísticos, e.g. valor esperado y varianza. La estimación de momentos estadísticos puede ser numéricamente muy costosa, pues habitualmente es necesario recurrir al método de simulación Monte Carlo. En este trabajo, se presenta un método para reducir este costo numérico en problemas que involucran sistemas estructurales lineales estáticos. El método consiste en la aplicación de la técnica de control variates para la reducción de la variabilidad del estimador Monte Carlo de los momentos estadísticos. Para esto, se utiliza una técnica de base reducida para la generación de un modelo auxiliar, de un costo numérico comparativamente muy inferior, que aproxima la respuesta del sistema. La correlación existente entre el modelo reducido y el modelo completo es aprovechada para disminuir el error cuadrático medio de los estimadores buscados. Se desarrollan las expresiones de los estimadores que son aplicadas en un modelo de elementos finitos.

In structural mechanic applications, the analysis of parameter uncertainty can be modelled by random variables whose characteristics are transmitted to the system overall response.

Thus, it is relevant to efficiently characterize the distribution of probability associated to the response of the structural system.

A way to do this is by the estimation of statistical moments, e.g. expected value and variance. The estimation of statistical moments can be numerically demanding because it usually requires the Monte Carlo simulation method. In this work, a method is presented to reduce the numerical cost in problems involving static linear-structural systems. The method consists in applying the control variate method to reduce the variability of the Monte Carlo estimator for the statistical moments. In order to do this, a method for base reduction is used to generate an auxiliary model, with a comparatively lower numerical cost, to approximate the system response. The correlation between the reduced and complete models is used to reduce the mean square error of the estimators. The estimator expressions are developed for finite element model application.

118 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Cálculo de las estadísticas de segundo orden de sistemas estructurales lineales inciertos usando base reducida corregida Calculation of second order statistics in uncertain linearstructural systems using a reduced corrected base Acevedo C.1, Valdebenito M.1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María

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Acevedo C.1, Valdebenito M.1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University

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RESUMEN

ABSTRACT

Dentro de la práctica de la ingeniería estructural, es común obtener las respuestas de interés (p. Ej. Desplazamientos) a partir de unos parámetros de entrada determinista (p. Ej. Módulo de Young). Este enfoque, si bien simplifica el diseño, se encuentra alejado de la realidad, porque estos parámetros habitualmente presentan perturbaciones respecto al valor nominal. La importancia de este hecho radica en que una variación en los valores de entrada implica una variación en la respuesta. Una manera de cuantificar la incertidumbre en los parámetros de entrada es mediante la teoría de probabilidad.

De esta forma, la incertidumbre de la respuesta estructural puede ser descrita mediante las estadísticas de segundo orden.

Una metodología típica para estimar estas estadísticas ha sido Simulación Monte Carlo la cual presenta altos costos computacionales. Una segunda solución ha sido usar Series de Taylor sobre la respuesta, las cuales han dado resultados de una precisión limitada. En el presente trabajo, se propone usar una Base Reducida incorporándole una corrección mediante las Series de Taylor en sistemas estructurales lineales estáticos.

Con ello, se pretenden reemplazar análisis estructurales costosos, logrando una precisión satisfactoria. Además, se mostrará un ejemplo para ilustrar la aplicación del método propuesto.

In structural engineering practice is common to obtain answers of interest (e.g. displacements) through deterministic input parameters (e.g. Young’s Module). Although this approach simplifies design, is away from reality because these parameters usually have perturbations with respect to the nominal value.

The importance of this lies on the fact that variations of input values imply variations in the response of the system. A way to quantify input uncertainty is through probabilistic theory.

In this way, the uncertainty of the structural response can be described through second order statistics. A typical method to estimate this is through Monte Carlo simulation, which involves high computational costs. Another solution is to use the Taylor Series on the response, which have shown limited results precision. In this work, a Reduced Base is proposed with a Taylor Series correction for static linear-structural systems. This is expected to replace the highly costly structural analysis, with satisfactory precision. Furthermore, an example is included to illustrate the application of the proposed method.

III Congress of Engineering Students / 119

Calendarización de visitas Fundación Rostros Nuevos Visit scheduling for Rostros Nuevos foundation Ortiz S.1, Larach F.2, Barrientos D.1 Departamento de Ingeniería Industrial y Sistemas, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Departamento de Ciencia de la Computación, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 1

Ortiz S.1, Larach F.2, Barrientos D.1 1 Departmentof Industrial and Systems Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departmentof Computer Science, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile

RESUMEN

ABSTRACT

En el siguiente informe se presenta una solución al problema de reducción de costos y calendarización de visitas de un mes tipo, de la fundación Rostros Nuevos, en la ciudad de Temuco, Chile. En ella, cada monitor debe visitar los domicilios de alrededor de 20 usuarios distribuidos alrededor de la ciudad, con diferentes requerimientos en frecuencias de visitas por usuario por mes. El modelo se aborda como un problema de optimización del tipo “vendedor viajero”, tomando como referencia la solución planteada por Ascheuer, N. et al (2001), de “ventanas de tiempo”. El modelo fue implementado en el programa Python, a través del módulo Pyomo. El solver encargado de resolver el problema de optimización es “GLPK”, pues es de carácter gratuito y la fundación puede hacer uso de la herramienta generada. Para su funcionamiento, el programa recibe un archivo Excel que cuenta con una hoja de datos para cada voluntario. Cada hoja contiene la información de los usuarios de responsabilidad del voluntario respectivo, con sus horarios de visita, latitud y longitud de su domicilio, entre otros datos. El output del programa corresponde a la calendarización generada por el programa para visitar a los usuarios de cada monitor a fin de minimizar los costos producidos, lo cual se entrega mediante una calendarización gráfica.

In this report, a solution is proposed for the problem of cost reduction and visit schedule for an average month in the Rostros Nuevos foundation in Temuco, Chile. For this, every monitor needs to visit the houses of nearly 20 users distributed across the cities, with different requirements of visit frequency per user per month. The model is approached as a Travelling Salesman optimization problem. Using the solution proposed

by Ascheuer, N. et al (2001) for time windows as a reference.

The model was implemented in Python with the Pyomo module. The problem solver was “GLPK”, a free software that suits the need of the foundation in order to use the new tool.

For its operation, the program receives an Excel sheet with data for every volunteer. Each spreadsheet has user information, responsibility of the assigned volunteer, that include visit hours, and latitude and longitude of the house, among other data. The software output corresponds to the generated schedule for each monitor for every visit, minimizing the associated costs, and delivered as a graphic calendar.

120 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Caracterización cinética de la degradación térmica de combustibles forestales chilenos para modelamiento del proceso de combustión Kinetic characterization of the thermal degradation of Chilean forest fuel for combustion process modeling Arriagada A.1, Contreras J.2, Jaques A.1 1 Departamento de Ingeniería Química, Universidad Técnica Federico Santa María.

2 Departamento de Industrias, Universidad Técnica Federico Santa María.

Arriagada A.1, Contreras J.2, Jaques A.1 Departmentof Chemical Engineering, Federico Santa María Technical University.

2 Departmentof Industries, Federico Santa María Technical University.

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RESUMEN

ABSTRACT

A través de los últimos años, múltiples incendios devastadores destruyeron en la zona central de Chile cientos de miles de hectáreas y lo que es peor, vidas humanas. La ignición y la propagación de incendios forestales es un fenómeno complejo que involucra diferentes. La degradación térmica de la fase sólida, requiere un desarrollo específico de modelos cinéticos.

Analizando hojas de Pinus radiata y Eucalyptus globulus, mediante TGA a velocidades de calentamiento de 5, 10, 15 y 20 ºC/min bajo atmósfera inerte y oxidativa, los parámetros cinéticos de las diferentes reacciones propuestas fueron optimizados usando el software Gpyro en simulación 0D en donde la cantidad de masa y temperatura de las partículas varían solamente temporal y no espacialmente. Los resultados muestran que tanto la pérdida de masa, como el ratio de evolución de esta deben ser considerados adecuadamente por el mecanismo. La conversión de biomasa seca a char requiere al menos de 5 reacciones que se combinan en tres para describir pirolisis bajo atmósfera inerte y dos reacciones para describir proceso oxidativo, describiéndose mejor en mecanismo complejo de tres reacciones. Además, se caracterizaron los combustibles forestales en términos de sus componentes de referencia mediante análisis elemental, proximal y estructural y otros relacionados, apreciando una relación sustancial entre la estructura de cada especie y los resultados obtenidos tanto en pérdida de masa y parámetros cinéticos. Este proyecto es pionero en Chile, tiene aplicaciones energéticas de corto y largo plazo, ayudando a estudiar incendios forestales con aplicaciones como mapas de vulnerabilidad de ciudades.

Over the last years, multiple devastating forest fires destroyed hundreds of thousands of hectares and human lives in central Chile. Ignition and propagation of forest fires is a complex phenomenon, involving multiple variables. Thermal degradation of the solid phase requires the development of specific kinetic models. By analyzing leaves of Pinus radiata and Eucalyptus globulus with TGA at heating velocities of 5, 10, 15 and 20 °C/min, under inert and oxidative atmosphere, the kinetic parameters for the different proposed reactions were optimized using the Gpyro software in 0D simulation where particle mass and temperature only varied in time, but not space. Results show that loss in mass, as well as its evolution ratio, must be considered by the proposed mechanism. The conversion of dry biomass to char requires at least five reactions to be combined in three to describe pyrolysis under inert atmosphere and two for the oxidative process, better described as a complex mechanism of three reactions. Furthermore, forest fuel were characterized in term of their reference components through an elemental, proximal and structural analysis, appreciating a substantial relation between species structure and the results for loss of mass and kinetic parameters. This is a pioneer project in Chile with applications in energy at short and long terms, contributing to study forest fires in applications such as vulnerability maps for cities.

III Congress of Engineering Students / 121

Cohetes de investigación y CanSats para estudiantes de ingeniería Sounding Rocket & CanSat for Engineering Students Eterovic R.1, Eterovich F.1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalurgia, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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Eterovic R.1, Eterovich F.1 Department of Mechanical Engineering and Metallurgy, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile 1

RESUMEN

ABSTRACT

Un CanSat es una herramienta pedagógica que sirve para enseñarle a alumnos de Ingeniería con proyección en el área aeroespacial, los elementos esenciales en la planificación y realización de una misión espacial. En nuestro paper detallamos el diseño y construcción de 2 sistemas: el Satélite y el Cohete. El primero es del porte de una lata (i.e CanSat), que cuenta con los componentes fundamentales de un satélite real, tales como: telemetría, obtención de datos (Presión, Altura, Temperatura, Posición) y sistemas eléctricos. El segundo, es un cohete con propulsión química a base de azúcar y nitrato de potasio, el cual pretende llevar el satélite en una trayectoria suborbital con una altitud máxima de 1km. Todo esto será realizado con implementos de bajo costo para permitir a un amplio espectro de estudiantes apoyarse sobre nuestro trabajo para realizar sus propias misiones.

CanSats are teaching tools for aerospace engineers that help teaching students the essential element in the planning and development stages of a space mission. Our paper details the design and construction of two systems: the satellite and the rocket. The former is the size of a can (i.e. CanSat), and has all the fundamental equipment of a real satellite such as: telemetry, data acquisition (pressure, altitude, temperature, position) and electrical systems. The former, is a chemical propulsion rocket based on a sugar and potassium nitrate reaction, which can take the satellite in a suborbital trajectory with a maximum altitude of 1 km. All of this will be implemented with low cost components in order to serve as a support platform for a wide range of students to perform their own missions.

122 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Comportamiento cíclico drenado de arenas de relave y revancha mínima para tranques Cyclic drain behavior of tailings sands and minimum freeboard height Monje C.1, Suazo G.1 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María.

Monje C.1, Suazo G.1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University.

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RESUMEN

ABSTRACT

Los relaves clasificados, también llamados arenas de relave, se utilizan para construir el muro de los tranques de relaves.

Debido a la importancia de esta estructura en la estabilidad global del tranque, la pared está diseñada para resistir diferentes tipos de carga, como cargas estáticas, por filtración, dinámicas, erosión eólica, entre otras. Dentro de la carga dinámica, generalmente se presta especial atención a la respuesta no drenada del material, ya que puede desencadenar fenómenos de licuefacción (por ejemplo, tipo de respuesta de movilidad cíclica). Por otro lado, la respuesta cíclica drenada ha recibido poca atención a pesar de sus posibles implicaciones, como lo es el cambio de altura del muro. Probablemente esto se deba a la serie de normas internacionales que especifican una revancha para los asentamientos excesivos y estándares mínimos para la operación. Sin embargo, es incierto si tales requisitos son adecuados para una serie de escenarios relacionados con las características in situ del muro y escenarios sísmicos. En este contexto, el presente estudio muestra los resultados de pruebas DSS (Direct Simple Shear) drenadas realizadas en relaves de arena preparados a diferentes densidades y bajo diversas solicitaciones sísmicas. Los resultados se presentan en términos de asentamiento versus esfuerzo cíclico aplicado.

Además, se realizaron pruebas monotónicas para explorar de forma preliminar la relación entre la línea de estado crítico (a través del parámetro de estado crítico) y la respuesta cíclica observada. Esto permitió encontrar una relación entre el asentamiento, la demanda cíclica y el parámetro de estado.

Esta investigación contribuye al diseño más eficiente de depósitos de relaves.

Coarse tailings or cycled sands are used to build de dykes of tailings dams. Due to the importance of this structure in the global stability of the dam, this wall is designed to withstand different types of loads, such as static, filtration, dynamic, and wind erosion, among others. Among the dynamic loads, special attention is generally paid to the undrained response of the material, which can lead to liquefaction phenomena (e.g. a type of cyclical mobility response). On the other hand, the cyclic drain response has not received as much attention, in spite of its implication in relevant phenomena such as wall height change. This is probably due to international regulations that specify an excessive freeboard height and minimal standards for operation. However, the sufficiency of these requisites for in situ wall characteristics and seismic scenarios is uncertain. In this context, the present study show the results of Direct Simple Shear (DSS) drain tests performed in tailings sands prepared at different densities and under diverse seismic challenges.

Furthermore, monotonic tests were performed to preliminary explore the relation between the line of critical status (through the critical status parameter) and the observed cyclic response.

This allowed the finding of a relation between the settling, the cyclical demand and the state parameter. This research contributes to a more efficient design of mining tailings dams.

III Congress of Engineering Students / 123

Definición de indicadores de nivel de servicio asociados al control de gases y opacidad Service level indicators definition associated to exhaust gases and opacity control Sepúlveda R.1 1 Universidad Técnica Federico Santa María.

Sepúlveda R.1 1 Federico Santa María Technical University.

RESUMEN

ABSTRACT

Los sistemas de ventilación son uno de los sistemas más importantes dentro de la operación de un túnel ya que son los encargados de proporcionar una calidad de aire adecuada durante el funcionamiento de este. Un sistema de ventilación se basa en dos escenarios de ventilación. Una es la consideración del funcionamiento normal y la otra consideración de un caso de incendio. Mientras que el caso de incendio es a menudo el factor dominante para los túneles de carreteras, en los túneles con una gran carga de tráfico y tráfico congestionado frecuente, el requisito de aire fresco para el funcionamiento normal puede ser dominante. En condiciones de funcionamiento normal los gases emitidos por los automóviles, con motor a gasolina o Diésel, se acumulan dentro del túnel, y en altas concentraciones pueden llegar a ser dañinos para los usuarios de este. Por este motivo es fundamental asegurar un buen control de ventilación el cual proporciones las condiciones de operación óptimas para el usuario de la vía. En esta investigación se define una metodología para la medición y control de los gases tóxicos, lo que involucra una revisión de los principales contaminantes a nivel mundial, la elección de los gases más significantes según revisión de manuales de distintos países, y una propuesta para los valores límites o umbrales a adoptar en túneles carreteros de Chile.

Ventilation systems are key operating systems inside tunnels because they provide proper air quality during service. A ventilation system is designed based on two ventilation scenarios. While the first considers normal operation, the second assumes the case of a fire. Although the latter is the dominant factor for highway tunnel design, in tunnels with heavy traffic loads and frequently congested traffic, the requisite for fresh air during normal operations can be more relevant. During normal operations, exhaust gases of gasoline or diesel powered engines accumulate inside the tunnel, and high concentrations can be harmful to the users. Thus, it is essential to ensure a good ventilation control in order to provide optimal operation conditions for the tunnel users. In this work, a methodology to measure and control toxic gases is defined, which involves the revision of the main contaminants worldwide, choice of the most significant gases according to different countries, and a proposal for threshold values to adopt for highway tunnels in Chile.

124 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Definición de indicadores de nivel de servicio asociados al sistema de iluminación en carreteras concesionadas Service level indicators definition associated to illumination systems in concessioned highways Oyarzún A.1 1 Universidad Técnica Federico Santa María.

Oyarzún A.1 Federico Santa María Technical University.

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RESUMEN

ABSTRACT

El presente trabajo se enmarca dentro del proyecto FONDEF IT16I10008 “Modelo para evaluar los niveles de servicio de carreteras en Chile, implementable en bases de licitación para nuevas concesiones”. Consiste en la definición de indicadores de nivel de servicio asociados al sistema de iluminación. La conducción es en gran medida una tarea visual. Ser capaz de ver adecuadamente la carretera por delante, observar el tráfico conflictivo y el comportamiento de otros usuarios es parte integral de la tarea de conducción. Por lo tanto, se manifiesta la necesidad de evaluar el desempeño del sistema de iluminación, no sólo en la fase de recepción, sino también durante la fase de explotación. Se realiza un estudio de los principales parámetros y métricas de desempeño de un sistema de iluminación. De acuerdo a las recomendaciones internacionales y a lo que ya se usa en nuestro país, los parámetros que influyen tanto en el rendimiento visual, como en la comodidad de los usuarios, son los parámetros de luminancia. Se propone realizar una medición con un sistema ILDM (Imaging Luminance Meter Device – Dispositivo de medición de luminancia de imagen) de forma continua, y a partir de los resultados, se califica cada tramo en una escala que va desde “muy malo” a “muy bueno”, con lo cual se calcula una nota para cada zona conflictiva, y luego se obtiene una calificación global, la que se utiliza como dato de entrada en un modelo del nivel de servicio enfocado en el usuario que transita por la vía.

This work is framed within the FONDEF project IT16I10008 “Model to assess service levels within the highway service in Chile, able to be implemented in public biddings for new concessions”. It consists on the definition of service level indicators for the illumination system, since driving is fundamentally a visual task. Being able to adequately see the highway up ahead, to observe conflictive traffic and other users behavior is an integral part of driving. Thus, it is necessary to evaluate the performance of the illumination system, not only at reception times for new highways, but also during their operations. A study was done for the main parameters and performance metrics for an illumination system. According to international recommendations and what is currently in use in Chile, the parameter that influences visual performance, as well as user comfort, is luminance. A continuous measurement with an ILDM (Imaging Luminance Meter Device) system is proposed. From these results, road sections are graded “very bad” to “very good”, and this is used to calculate a final grade for each conflictive zone, and to obtain a general score. The latter is then used as an input variable in a model for service level focused on the users driving through the highway.

III Congress of Engineering Students / 125

Delineación de zonas de manejo y planificación sustentable de cultivos bajo condiciones de incertidumbre en las propiedades del suelo Tracing of management zones and sustainable planning of crops under uncertainty conditions of soil characteristics Augusto G.1, Albornoz V.1 1 Departamento de Industrias, Universidad Técnica Federico Santa María

Augusto G.1, Albornoz V.1 Departmentof Industries, Federico Santa María Technical University 1

RESUMEN

ABSTRACT

En este trabajo de memoria se cubren principalmente dos problemas, el primero de ellos es el problema de generar una partición de un terreno agrícola en un conjunto de zonas de manejo de tal forma que estas zonas tengan una homogeneidad determinada a través del concepto de varianza relativa, esto de acuerdo a una propiedad del suelo que presente variabilidad espacial dentro del terreno. Dicha propiedad no solo puede tener variabilidad espacial, puesto que a través del tiempo esta propiedad puede cambiar lo cual es sinónimo de variabilidad temporal, que en este trabajo se considera y se representa a través de diferentes escenarios. El segundo problema que se incluye en este trabajo de memoria es el problema de asignación de cultivos, este problema consiste en asignar cultivos durante el horizonte de planificación a las diferentes zonas con las que se cuenta. La particularidad de este trabajo es que este problema se trabaja con asignación periodo a periodo, con lo cual no es necesario determinar rotaciones previamente, además se incluyen condiciones que prohíben que cultivos de una misma familia sean cultivados simultáneamente en zonas adyacentes. La propuesta de este trabajo de memoria consiste en un modelo integrado de optimización robusta que trata simultáneamente los problemas planteados anteriormente.

Además, se resuelve una instancia para comprobar la validez del modelo.

This final graduation work boards mainly two problems: how to create agricultural land partitions into a set of management zones in a way that ensures homogeneity. The latter measured with the concept of relative variance of a determined soil property with spatial variability within the land. Said property could also have temporal variability, which would be represented herein as different scenarios. The second problem is related to the assignment of crops during horizon planning for different zones. Particularly, the work herein boards these problems with a period-to-period approach, thus avoiding the determination of previous rotations. Furthermore, prohibitive conditions for simultaneous growth of related crops are considered for adjacent zones. This proposal consists of a robust and integrated optimization model that treats the aforementioned problems simultaneously. Moreover, one instance is solved in order to check model validity.

126 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Desempeño de mezclas asfálticas en caliente con RAP desarrollada mediante método SUPERPAVE para pavimentos aeroportuarios Performance of hot asphaltic blends with RAP developed with the SUPERPAVE method for airport pavements Cortés L.1 1 Universidad Técnica Federico Santa María

Cortés L.1 Federico Santa María Technical University

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RESUMEN

ABSTRACT

En el marco del proyecto “Conservación mayor pista 17R/35L Aeropuerto Arturo Merino Benítez 2017-2018”, el cual desarrolló una mezcla asfáltica en caliente utilizando el método SUPERPAVE, para ser utilizada tanto en pistas de estacionamiento como de viraje, la cual fue confeccionada por el Laboratorio de Ensaye de Materiales y Control de Obras perteneciente a la Universidad Técnica Federico Santa María Casa Central, se propuso investigar el desempeño que tendría una mezcla capaz de cumplir las especificaciones técnicas del proyecto utilizando distintas cantidades de RAP y posteriormente comparar los valores obtenidos con la mezcla utilizada en obra. Los contenidos de RAP elegidos fueron de 15% y 25%, su diseño fue desarrollado mediante el método SUPERPAVE considerando las diferencias que existen al respecto del método tradicional SUPERPAVE para mezclas en caliente. Dentro de los ensayos a realizar se encuentran: Rueda de Hamburgo, Susceptibilidad a la Humedad, Fatiga a 500 [με], Rigidez, Flow Number y Modulo Dinámico. Es importante recalcar que los ligantes utilizados en este estudio pertenecen a asfaltos modificados, y cumplen con una caracterización PG de 76-28.

Within the project “Major conservation of runway 17R/35L Arturo Merino Benítez airport 2017-2018”, a hot asphaltic blend was developed using the SUPERPAVE method at the Laboratorio de Ensaye de Materiales y Control de Obras of Federico Santa María Technical University. This blend was designed to be used in parking and taxi runways; thus, its performance needed to be tested to ensure it meets the technical specifications. For this, different amount of RAP was used and compared to the blend used on site. The chosen RAP proportions used were 15 and 25% and their design was developed considering the differences for the SUPERPAVE method for hot blends. Among the analyses performed were the Hamburg wheel, susceptibility to moisture, fatigue at 500 [με], rigidity, flow number and dynamic modulus. Notably, the binder agents used correspond to modified asphalts with a PG characterization of 75-28.

III Congress of Engineering Students / 127

Desempeño Sísmico de Edificios Marco-Plataforma de Mediana Altura Seismic performance of medium height frame-platform buildings Estrella X.1 Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica, Escuela de Ingeniería y Centro UC de Innovación en Madera, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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Estrella X.1 Departmentof Structural and Geotechnical Engineering, School of Engineering and UC Center for Wood Innovation, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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RESUMEN

ABSTRACT

En las últimas décadas, se ha observado que las construcciones de madera marco-plataforma son susceptibles de sufrir daño severo durante sismos, derivando en altas pérdidas económicas. Varias investigaciones se han desarrollado para conocer la respuesta sísmica de estas estructuras en una y dos plantas, tipología común en América del Norte y Europa.

Sin embargo, edificaciones de mediana altura (tres plantas o más) aún no se encuentran completamente estudiadas, lo que frena su proliferación debido a la incertidumbre en su respuesta. En el contexto chileno, la falta de investigación considerando la demanda sísmica local, sumado al hecho de que la normativa vigente no abarca el diseño de edificios de madera, resulta en un fuerte desincentivo para el desarrollo de estas edificaciones. Por lo tanto, esta investigación desarrolla los pasos iniciales para conocer el comportamiento de edificios marco-plataforma y sentar los antecedentes para futuras investigaciones. Primero, se propone una metodología para la modelación no-lineal de muros marco-plataforma, la cual se valida con ensayos a escala real con márgenes de error admisibles (<10%). Una segunda etapa se enfoca en la evaluación del desempeño sísmico de edificaciones marco plataforma. Para ello, se analiza cuatro edificios tipo, cada uno de cinco plantas y distinta arquitectura, diseñados bajo la normativa sísmica chilena y considerando las propiedades de materiales locales. Se encuentra que el sistema marcoplataforma posee amplios márgenes de seguridad frente al colapso en terremotos. Así mismo, se demuestra que una modificación en los factores de diseño sísmico podría reducir los costos de la edificación sin comprometer su seguridad, sin embargo, se requiere investigación adicional para validar esta hipótesis.

Over the last decades, it has been observed that frame-platform wood buildings are susceptible to damage during severe earthquakes, resulting in economic losses. Research has been performed in order to understand the seismic response of these buildings in one- or two-stories high, a common style in North America and Europe- However, medium height buildings (three stories or more) are not properly studied, slowing their spread due to uncertainty. Within the Chilean context, the lack of research, together with the local seismic challenge, and the fact that current regulations do not include the design of wood buildings, have resulted in great disincentive for the development of these types of buildings. Therefore, this work establishes the initial steps to know the behavior of frameplatform buildings and sets the grounds for future research.

First, a method for nonlinear modelling of frame-platform walls is proposed, which is validated by real scale trials with acceptable margins of error (<10%). A second phase focuses on the evaluation of seismic performance of frame-platform buildings. For this, four building types were analyzed, each with five stories and different architecture, all designed according to Chilean seismic regulations and considering local material properties. It was found that the frame-platform system has wide security margins from collapse due to earthquakes. Moreover, it is shown that changes in seismic design factors could reduce building cost without compromising its safety. However, more research is needed to validate this hypothesis.

128 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Determinación de la curva de retención de agua para relaves múltimetálicos de la industria minera de Chile Determination of soil-water retention curve for multimetallic tailings water of Chilean mining industry Musso J.1 1 Universidad Técnica Federico Santa María.

Musso J.1 1 Federico Santa María Technical University.

RESUMEN

ABSTRACT

Los depósitos de relaves están expuestos a una serie de fenómenos que promueven su desaturación y su evolución a una condición parcialmente desaturada, e.g. procesos de infiltración y generación de frentes de evaporación. Lo anterior se traduce en la generación de presiones de poros negativas en los espacios intersticiales lo que condiciona la tasa de flujo de agua y oxígeno, las tasas de evaporación y la estabilidad física de la estructura (resistencia al corte). Para poder caracterizar estos fenómenos es necesario conocer la curva de retención de agua (SWRC), que relaciona gráficamente el estado de humedad y la succión desarrollada en el material.

La obtención de esta curva, especialmente para suelos finos, requiere extensos periodos de tiempo para su determinación, por lo que en la práctica se tienden a estimar estas curvas a partir de modelos de estimación aproximados no disponibles para relaves. Considerando lo anterior, el presente estudio contempla la caracterización y obtención de la SWRC de 13 muestras de relaves provenientes de la industria minera nacional y se propone un modelo de estimación simplificado de la SWRC a partir del contenido de finos, humedad de saturación y la gravedad específica de los relaves. Este modelo facilita la caracterización de fenómenos de respuesta no saturados en etapas de ingeniería básica. De manera adicional, se presenta la permeabilidad parcialmente saturada de estos materiales.

Mining tailings are exposed to a series of phenomena that promote their desaturation and evolution towards a partially saturated condition, including processes of infiltration and generation of evaporation fronts. This leads to the generation of negative pressure in the interstitial spaces, which conditions the flow rate of water and oxygen, the evaporation rate and the physical stability of the structure (shear resistance). In order to characterize these phenomena, it is necessary to know the soil water retention curve (SWRC), which graphically relates the humidity state and suction developed within the material.

Generation of this curve, especially for fine soils, is time consuming and, in practice, estimated from approximated models not available for mining tailings. Considering the above, this study encompasses the characterization and creation of SWRCs from 13 samples of mining tailings from the national industry and a simplified estimation model for SWRC is proposed from the content of fine material, saturation humidity and tailings specific gravity. This model facilitates characterization of unsaturated response phenomena in stages of basic engineering. Additionally, the partially saturated permeability of these materials is presented.

III Congress of Engineering Students / 129

Determinantes de la intensidad de investigación versus la intensidad de desarrollo de empresas chilenas Determinants for research intensity versus development intensity in Chilean companies Abara A.1 1 Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

Abara A.1 1 Departmentof Industrial and Systems Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

La investigación y el desarrollo (I+D) ha sido foco amplio en estudios sobre innovación y productividad. La mayoría trata la I+D como una sola actividad, sin embargo, la investigación y el desarrollo son etapas que han mostrado diferir en su comportamiento. Esta investigación contribuye a la literatura analizando patrones distintivos entre los niveles de inversión en investigación y en desarrollo de empresas chilenas. Se aplican tests de comparación de medias para evaluar diferencias entre los niveles de inversión promedio, y un modelo de Heckman para estudiar los determinantes de las actividades de I+D. Los datos provienen de un panel que cubre el periodo 20112016 conformado a partir de las encuestas de gasto en I+D del Ministerio de Economía de Chile. Entre otras ventajas, estos datos entregan información no solo del I+D a nivel agregado, sino que de investigación y desarrollo separados.

Los resultados muestran que los niveles de inversión promedio de investigación son significativamente mayores a los de desarrollo. Esa diferencia se mantiene al desagregar la muestra por sector económico. En cuanto a los determinantes, los factores relacionados con las características de la firma, como el tamaño y la edad, muestran patrones similares entre ambas actividades, no obstante, los relacionados con características de la industria, como la demanda y el sector productivo, resultan ser más relevantes para la etapa de investigación.

Estos descubrimientos confirman la necesidad de llevar a cabo análisis diferenciados para los componentes de la I+D. Además, permiten apoyar la elaboración de instrumentos públicos para fomentar la innovación.

Research and development (R&D) has been intensively addressed in innovation and productivity studies. Although most treat R&D as one activity, research and development are two processes that differ in their behavior. This work adds to the literature by analyzing distinctive patterns in the investment levels of Chilean companies in research and in development. Mean comparison tests were applied to assess differences in the mean investment levels, and a Heckman model was used to study what determines the R&D activities.

Data are from a collection covering the period from 2011-2016 derived from surveys on R&D expenditure from the Chilean Ministry of Economy. Among other advantages, these data not only include information of the total R&D expense, but also separates research from development. Results show that average investment in research is significantly higher than in development. This difference is maintained when separating the sample per economic sector. As for the causes behind this, factors related to the business characteristics, such as size and age, show similar trends for both activities. However, components related to the industry characteristics, such as demand and productive sector, are more influential for the research stage. These findings confirm the necessity to differentiate the components of R&D for analyses. Moreover, they allow supporting the elaboration of public strategies to promote innovation.

130 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Efecto de la velocidad de tornillo en las propiedades de textura de productos extruidos Effect of extrusion screw speed on texture properties of extruded products Zambrano Y.1, Moreno C.1, Bouchon P.1 1 Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad de Chile.

Zambrano Y.1, Moreno C.1, Bouchon P.1 1 Departmentof Chemical Engineering and Bioprocesses, School of Engineering, Pontificia Universidad de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

Dentro de los alimentos tipo “snack”, los de tercera generación (3G) se producen a partir de la expansión con calor de pellets extruidos. Las propiedades de estos pellets son críticas para comprender las características del producto final, y están definidas por la materia prima utilizada y las condiciones de extrusión (VT= Velocidad de tornillo; H0= Humedad inicial; TB= Temperatura del barril). El objetivo de este estudio es comprender el efecto de la velocidad de tornillo en las características físicas de pellets extruidos en base a harina de arroz, particularmente en su dureza. Para ello se testeó cuatro velocidades de tornillo (150, 200, 300 y 400 rpm) manteniendo constantes la humedad inicial (27%) y la temperatura del barril (110°C). Se cuantificó la dureza de los pellets a partir de su máxima fuerza de quiebre mediante un test de compresión en un analizador de textura. Como resultado se obtuvo que la fuerza de quiebre disminuye a medida que aumenta VT, lo que se puede explicar debido a que una mayor velocidad de tornillo implica una mayor energía transferida a la masa por la rotación de los tornillos creando una mayor fuerza de cizallamiento. Como resultado de este fenómeno se estima que se produciría una mayor despolimeración del almidón obteniendo una mayor expansión, lo que constituye la base de los próximos estudios. La velocidad de tornillo de 400 rpm, dio como resultado un producto totalmente expandido que no cumple con las características de pellet, por lo que no se determinó su dureza.

Third generation (3G) snack foods are produced from the heated expansion of extruded pellets. Thus, pellet properties are critical to comprehend the characteristics of the final product, and are defined by the raw materials used and the extrusion conditions (VT=extrusion screw speed; H0=initial humidity; TB=barrel temperature). The aim of this study is to comprehend the effect of extrusion screw speed in the physical characteristics of the extruded pellets made from rice flour, particularly its hardness.

For this, four different speeds were tested (150, 200, 300 and 400 rpm) while keeping initial humidity (27%) and barrel temperature (110°C) constant. Pellet hardness was quantified from their maximal cracking strength on a compression test using a texture analyzer. Our results show that cracking strength decreases as VT increases, which can be explained by a larger energy transfer from the higher speeds of the extrusion screw to the dough, thus creating a greater shear force. This process is thought to induce higher starch depolymerization and leading to more expansion, which will be the topic of future studies.

Extrusion screw speeds of 400 rpm lead to a fully expanded product that does not comply with pellet characteristics, thus is hardness was not assessed.

III Congress of Engineering Students / 131

Estabilización proteica de vinos blancos mediante adsorción con óxido de circonio depositado en capas atómicas Protein stabilization of white wines through zirconium oxide adsorption by atomic layer deposition Silva D.1 1 Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad de Chile.

Silva D.1 1 Departmentof Chemical Engineering and Bioprocesses, School of Engineering, Pontificia Universidad de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

La presencia de turbidez en las botellas de vino blanco es un defecto importante para los consumidores y por tanto afecta significativamente la calidad de este. Las proteínas inestables son responsables de esta formación de neblina en el vino blanco, por lo que deben ser removidas. El procedimiento más empleado para estabilización es la adición de bentonita como material adsorbente. Sin embargo, este proceso es lento, genera pérdida de entre un 3 y un 10 % de volumen del producto, y que genera una cantidad significativa de residuos, impactando negativamente el medio ambiente. Además, es intensivo en mano de obra, es difícil de automatizar y controlar, es de alto costo, y disminuye el color y aroma del vino, ya que no es específico para las proteínas inestables. Se ha demostrado que el óxido de circonio (ZrO2), son adsorbentes selectivos para las proteínas del vino. Si bien este proceso supera muchas limitaciones del proceso convencional, es muy costoso por el alto precio del óxido de circonio. En este estudio se propone crear adsorbentes de bajo costo recubiertos superficialmente con ZrO2 mediante técnicas de deposición de capas atómicas (ALD). Esto permitirá obtener un método de estabilización que posee una serie de ventajas, como ser selectivo, minimizar la generación de residuos, mantener o mejorar la calidad del vino, ser continuo y fácilmente automatizable. Por lo que, el objetivo de este proyecto es crear y caracterizar un adsorbente modificado superficialmente con ZrO2 depositado en Al2O3 mediante ALD, el cual permita remover las proteínas inestables presentes en el vino blanco. Nos encontramos en la primera parte del proyecto, que es: el diseño, montaje y puesta en marcha del sistema ALD para la creación de este adsorbente.

White wine turbidity is an important defect for consumers and significantly affects product quality. Unstable proteins are responsible for white wine cloudiness, thus they need to be removed. The most commonly used procedure for stabilization is by addition of bentonite as adsorptive material. However, this is a slow process that leads to losses between 3 to 10% of product volume, generating a significant amount of waste with a negative environmental impact. Furthermore, this process is labor intensive, difficult to control and automate, highly expensive and it decreases wine color and aroma because it is not specific for unstable proteins. It has been shown that zirconium oxide (ZrO2) is a selective adsorptive material for wine proteins.

Although this process overcomes many of the limitations of the conventional method, it is highly expensive due the elevated price of zirconium oxide. This study proposes the creation of low cost adsorptive materials by superficial coating of ZrO2 through atomic layer deposition (ALD) techniques. This allows for a stabilization method with several advantages, such as selectiveness, minimization of waste production, maintaining or improving wine quality, continuous operation and ease for automation. Therefore, the aim of this project is to create and characterize an adsorptive material with ZrO2 superficial modification deposited on Al2O3 through ALD to allow the removal of unstable proteins from white wine. Currently, we are in the first stages of the project, involving design, set-up and implementation of the ALD system.

132 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Estimación de la confiabilidad de sistemas estructurales lineales sometidos a solicitación dinámica Gaussiana Linear-structural system reliability estimation upon Gaussian dynamic solicitation Misraji M.1, Valdebenito M.1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María.

1

Misraji M.1, Valdebenito M.1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University.

1

RESUMEN

ABSTRACT

La caracterización de la respuesta de sistemas estructurales sometidos a excitaciones dinámicas es altamente compleja.

Esto se debe a que, por un lado, los modelos numéricos que permiten calcular la respuesta son cada vez más sofisticados y su implementación requiere un esfuerzo computacional elevado. Por otro lado, existe un alto nivel de incertidumbre respecto de las excitaciones a las que se verá sometida la estructura. Para modelar el efecto de esta incertidumbre se puede recurrir a la mecánica estocástica, en donde la confiabilidad de la estructura se puede cuantificar mediante la probabilidad de falla. Una forma de evaluar esta probabilidad es mediante el método de simulación Monte Carlo [1], que, si bien es muy robusto, conlleva un alto costo numérico debido a la cantidad de simulaciones requeridas. Para el caso particular de sistemas estructurales lineales sometidos a solicitación Gaussiana, es posible desarrollar técnicas de simulación mucho más eficientes que Monte Carlo. En particular, en este trabajo, se propone un nuevo método denominado Importance Sampling Directional para calcular la probabilidad de falla de sistemas estructurales lineales sometidos a excitación estocástica Gaussiana. A través de un ejemplo, se demuestra que el método propuesto puede ser muy eficiente desde el punto de vista numérico.

Characterizing the response of structural systems subjected to dynamic excitations is highly complex. On the one hand, this is because the numeric models to calculate these responses are increasingly sophisticated and their implementation requires elevated computational costs. On the other hand, there is a high degree of uncertainty on the excitations to which the structures will be subjected. Stochastic mechanics can be used to model the effect of this uncertainty, where structure reliability can be measured through a probability of failure. One way of evaluating this probability is by the Monte Carlo simulation [1]. Although a very robust method, it implies a high numerical cost due to the amount of simulations required. In the case of linear-structural systems subjected to Gaussian solicitation, it is possible to develop simulation techniques much more efficient than Monte Carlo. This work proposes a new method, called Importance Sampling Directional, to calculate failure probability in linearstructural systems subjected to stochastic Gaussian excitation.

Through an example, it is shown that the proposed method can be highly efficient in terms of numerical cost.

III Congress of Engineering Students / 133

Estudio de corrientes inducidas por distintos eventos tsunamigénicos aplicado en el puerto de San Antonio Study of current induction by several tsunamigenic events applied to San Antonio port Gaytán I.1, Catalán P.1 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María

Gaytán I.1, Catalán P.1 1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University

RESUMEN

ABSTRACT

El estudio de corrientes marinas inducidas por la generación de tsunamis es un fenómeno que no ha sido ampliamente estudiado ni completamente entendido debido a la alta complejidad de los procesos físicos asociados. Sin embargo, estas corrientes resultan potencialmente dañinas inclusive cuando no se presentan alturas de olas significativas ni existe inundación. Es por esta razón, que es fundamental analizarlas y considerarlas en estudios de riesgo asociados a la generación de tsunamis en Chile. El enfoque de este trabajo consiste en avanzar en esta línea de investigación e ir más allá de los estudios enfocados en inundación y determinación de tiempos de arribo de olas de tsunami, analizando el comportamiento lineal y rotacional de corrientes en un marco de interés portuario. Con este fin, se analizan las velocidades de flujos producidas por estos eventos mediante simulaciones computacionales de distintos terremotos históricos que han afectado al país desde el siglo XVIII hasta la fecha. Dentro de los resultados, se obtienen mapas de corrientes que permiten asociar velocidades con daños producidos, en este caso, en el Puerto de San Antonio.

Además, se identifican las zonas de mayor riesgo, incluyendo un análisis probabilístico, considerando velocidades máximas y formación de vórtices. Estos vórtices son interesantes de estudiar debido a que corresponden a flujos rotacionales causantes de daño a embarcaciones e infraestructura, poniendo en peligro, también, la vida humana. Una ilustración de los flujos producidos por estas corrientes se observa en la Figura 1, los cuales fueron registrados en Fukushima durante el tsunami de Tohoku, Japón el año 2011 (Fuente: Borrero et al., 2015).

The study of marine current induction by the occurrence of tsunami is an understudied phenomenon, which is not completely understood due to the high complexity of the associated physical processes. However, these currents can be potentially harmful even in the absence of significant wave heights or floods. Therefore, their analysis and inclusion in tsunami-risk assessment studies is paramount importance in Chile. This work aims for this and goes beyond the studies focused in floods and estimations of tsunami wave time of arrival by analyzing the linear and rotational behavior of currents from the port point of view. To do this, flow velocities induced by tsunami were analyzed through computer simulations of different historic earthquakes that occurred in the country since the XVIII century to the present. Current maps were obtained among the results, allowing the association of velocities with damage in San Antonio port. Moreover, areas of increased risk were identified, including a probabilistic analysis, considering maximum velocities and vortex formation. The latter are interesting subjects of study because they correspond to rotational fluxes that cause damage to boats and infrastructure, putting human lives at risk. An illustration of the fluxes produced by these currents is observed in Figure 1, which were registered at Fukushima during the Tohoku tsunami in Japan, 2011 (Source: Borrero et al., 2015).

134 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Estudio de la influencia de calor mediante láser en el formado de aleaciones metálicas avanzadas A study of heat input influence in laser beam forming applied to advanced metallic alloys Hoffmann J.1, Siqueira R.2, Celentano D.1, Carvalho S.2, Lima M.2 1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalurgia, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Instituto de Estudos Avançados, Divisão de Fotónica, Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial.

Hoffmann J.1, Siqueira R.2, Celentano D.1, Carvalho S.2, Lima M.2 1 Department of Mechanical Engineering and Metallurgy, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Institute of Advanced Studies, Photonic Division, Department of Aerospace Science and Technology.

RESUMEN

ABSTRACT

El uso de estructuras metálicas de materiales disímiles ha aumentado en las industrias automotriz y aeroespacial, con el fin de reducir peso y emisiones de CO2. Aleaciones de alta resistencia de acero y aluminio 6000 han sido soldadas y formadas en frío, con el objetivo de reducir el peso de las estructuras y mejorar la rigidez estructural. El formado mediante rayos láser (LBF, del inglés laser beam forming) es un proceso para el doblado láminas 3D de metales dúctiles sin contacto mediante el uso de luz láser [1]. El objetivo de este trabajo es evaluar el desempeño de esta técnica aplicado a dos materiales usados en la industria del transporte: la aleación de aluminio aeronáutico AA6013 y el acero de alta resistencia, libre de intersticios (IF). El análisis involucra trabajo experimental y simulaciones numéricas, considerando diferentes escenarios de operación obtenidos al variar la potencial del láser, la velocidad de escaneo, la cantidad de pasadas y las condiciones de revestimiento. El objetivo final, con estos datos experimentales y numéricos, es establecer un mapa de correlación entre el ángulo de curvatura, el calor suministrado y la microestructura resultante.

Metallic structures of dissimilar materials have increased in automotive and aerospace industries, for the purpose of weight and CO2 emissions reduction. High-strength steel and 6000 aluminum alloy series have been welded and cold formed in order to reduce the weight of structures and improve the body stiffness. Laser beam forming (LBF) is a contactless process for 3D sheet bending of ductile metals by using laser light [1]. The aim of this work is to assess its performance in the application of two relevant materials used in the transportation industry: the AA6013 aeronautical aluminum alloy and the IF high-strength steel. The analysis encompasses both experimental work and numerical simulations considering different operating scenarios obtained by varying the laser beam power, scanning velocity, number of linear passes and coating conditions. With these experimental and numerical data, the final goal is to establish a correlation map between bending angle, heat input and resulting microstructure.

III Congress of Engineering Students / 135

Estudio y caracterización de ligantes con clasificación PG52-34 y PG58-28 modificados con caucho reciclado y polímero SBS Study and characterization of PG52-32 and PG58-34 class binding agents modified with recycled rubber and SBS polymer Landeros K.1, Neira V.1 1 Universidad Técnica Federico Santa María.

Landeros K.1, Neira V.1 1 Federico Santa María Technical University.

RESUMEN

ABSTRACT

El objetivo principal del proyecto radica en determinar las concentraciones de polvo de caucho y SBS, que cumplen con los diferentes límites de la clasificación por clima estipulados en la norma AASHTO M332-14 según los valores de deformación residual (Jnr) entregados por el ensayo Multiple Stress Creep and Recovery (MSCR). Se pretende realizar, en cada caso, un análisis de variabilidad de los resultados obtenidos en el ensayo (MSCR) asociados a la modificación del ligante. En específico, el estudio se enfoca en los ligantes recomendados para las zonas norte y sur de nuestro país, como también, para la Patagonia y alta montaña, los cuales fueron determinados según la zonificación Superpave realizada para condiciones de circulación de alta velocidad y tránsito moderado. Es decir, se utilizan ligantes con clasificación PG 52-34 y PG 58-28 obtenidos a partir de un ligante convencional CA 24, para lo cual se requiere de aditivos ablandadores que permitan alcanzar la clasificación PG deseada. Además, se ha elaborado una curva “Cantidad de agente modificador v/s Jnr”. Esto, con el fin de determinar las concentraciones necesarias para ajustarse a las diferentes categorías de la clasificación por clima mencionada, la cual se basa en los valores de deformación residual (Jnr) obtenidos para un nivel de esfuerzo de 3,2 [kPa].

Asimismo, se tiene como objetivo determinar la cantidad de polvo de caucho y SBS, para obtener asfaltos modificados adecuados para los distintos tiempos de carga, es decir, para obtener un PG 58-34 y PG 64-28 (Lento), y PG 64-34 y PG 70-28 (Estático), en cada caso. Finalmente, ambos estudios permitirán establecer la existencia de ventajas, tanto económicas como de desempeño, en comparación a ligantes convencionales utilizados en la actualidad a nivel país.

The main objective of this project was to find the concentrations of rubber powder and SBS that comply with the weather classification limits stated on the AASHTO M332-14 norm regarding the non-recoverable creep compliance value (Jnr) from the Multiple Stress Creep and Recovery (MSCR) assay. A variability analysis was performed, for each case, on the results from the MSCR test for each binding agent modification. In particular, this study focuses on the binding agents recommended for the north and south of the country, as well as for Patagonia and high mountain zones. These were determined according to the Superpave zoning for high speed and moderate traffic conditions. Therefore, binding agents class PG 52-34 and PG 58-28 were used and obtained from a conventional CA 24 agent, which required softener agents in order to obtain the desired class. Moreover, a “modifying agent amount v/s Jnr” curve was developed in order to determine the necessary concentrations to comply with the aforementioned weather classification, which is based on Jnr values at 3.2 [kPa].

Furthermore, another objective was to determine the amount of rubber powder and SBS to obtain modified asphalts for different load times, i.e. PG 58-34 and PG 64-28 (slow), and PG 64-34 and PG 70-28 (static) for each case. Finally, both studies will allow establishing performance and economic benefits when compared to traditional binding agents currently in use.

136 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Evaluación de asentamientos sísmicos diferenciales de fundaciones emplazadas sobre material de lastre minero Evaluation of differential seismic settlement of foundations emplaced over mining weathered stone waste Bzdigian H.1, Ubilla J.1, González M.2 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María 2 CODELCO S.A. 1

Bzdigian H.1, Ubilla J.1, González M.2 1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University 2 CODELCO S.A.

RESUMEN

ABSTRACT

En el presente documento se analizará la solución comúnmente aceptada para reducir los asentamientos diferenciales que se pueden producir en las fundaciones emplazadas sobre material de lastre minero, esta solución consiste en reemplazar el material de lastre por un relleno controlado hasta una cierta profundidad. Para lograr este objetivo se realizará un análisis del comportamiento del relleno controlado ante distintos asentamientos sísmicos, distintos espesores de relleno controlado, distinto módulo de elasticidad y distinta área de influencia del asentamiento, la cual dependerá de la heterogeneidad del terreno. Este análisis se realizará mediante un modelo en el programa Fast Lagrangian Analysis of Continua “FLAC”, el cual se calibró con los resultados obtenidos de laboratorio facilitados por la empresa Codelco.

A partir de este análisis se presentan resultados en los cuales se exponen tablas que permiten estimar de manera fácil el espesor de relleno controlado que se debe utilizar para que los asentamientos diferenciales no excedan los asentamientos que la superestructura pueda soportar.

The work presented herein will analyze a common solution to reduce the differential settlements that can be produced on foundations emplaced over mining weathered stone waste; this solution consists on replacing the waste material by a controlled filling until a certain depth. To accomplish this, analyses of the filler behavior on different seismic settlements, filler thickness, elasticity modulus and area of influence -depending on terrain heterogeneity- will be carried out. This will be performed by modeling with the software Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC), calibrated with laboratory data obtained by CODELCO. From this analysis, results are ordered for ease of determination of the controlled filler thickness needed to ensure that differential settlements do not exceed the settlements that the superstructure is able to endure.

III Congress of Engineering Students / 137

Evaluación del pronóstico de tsunami utilizando asimilación de datos de la superficie del mar: el terremoto de Illapel 2015 Tsunami forecast evaluation by using data asimilation from ocean surface: Illapel earthquake 2015 Navarrete P.1, Cienfuegos R.1,2, Satake K.3 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Centro de Investigación para la Gestión Integrada del Riesgo de Desastres (CIGIDEN), Pontificia Universidad Católica de Chile.

3 Instituto de Investigación de Terremotos, Universidad de Tokyo.

1

Navarrete P.1, Cienfuegos R.1,2, Satake K.3 1 Departmentof Hydraulic and Environmental Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Research Center for Integrated Management of Natural Disaster Risk (CIGIDEN), Pontificia Universidad Católica de Chile.

3 Earthquake Research Institute, University of Tokyo.

RESUMEN

ABSTRACT

Tsunamis a través de la historia han demostrado poseer un alto poder destructivo. Este presenta una gran amenaza para países costeros como Chile, lo que plantea desafíos tanto sociales como ingenieriles. Actualmente, las diferentes metodologías para el pronóstico de tsunamis se basan principalmente en inversión de información sísmica. Maeda et al. (2016) propone una metodología de asimilación de datos que evita la incertidumbre asociada a la caracterización de la fuente sísmica, obteniendo información directamente de sensores que miden la altura de olas en puntos del océano, y realiza un pronóstico en tiempo real. Este trabajo busca evaluar el desempeño de esta metodología en la costa de chilena. Sin embargo, Chile no cuenta con las estaciones de observación necesarias para aplicarla. Es por esto que se estudia un modelo sintético del evento de Illapel 2015, y se propone y aplica una metodología para establecer primero una red óptima de sensores y luego evaluar el desempeño de la asimilación de datos considerando la configuración encontrada. Primero, se localizan puntos de máxima energía en el dominio a partir del análisis del tsunami sintético utilizando funciones ortogonales empíricas. Luego, se plantea un problema de optimización que considera combinaciones de los puntos encontrados como estaciones de observación, y selecciona una configuración de acuerdo a métricas de costo de instalación y de error en el pronóstico propuestas por los autores. La solución encontrada genera un buen pronóstico en los puntos costeros estudiados con una ventana de asimilación de solo 14 minutos. Esta solución tiene un costo de US$3.5 millones y considera una estación DART y una estación GPS adicionales, además de las dos estaciones DART existentes en el dominio.

Throughout history, tsunamis have shown to have great destructive power. This represents a big threat to coastal countries such as Chile, posing social and engineering challenges. Currently, tsunami forecast methodologies are based primarily on seismic information. Maeda et al. (2016) proposed a methodology that avoids uncertainty associated to seismic source characterization by assimilating data, thus obtaining the information directly from sensors that monitor ocean wave height, performing real time forecast. This work aims to assess the performance of this method on Chilean coastal region.

However, Chile does not have the necessary observation stations to implement it. Therefore, a synthetic model of the Illapel 2015 event was studied. First, an optimal array of sensors is proposed and implemented. Then, data assimilation performance was tested using this array. To do this, the points of maximal energy were located by using empirical orthogonal functions in the synthetic tsunami analysis. After, and optimization problem was proposed considering an observatory point combinatory, and selecting one configuration according to metrics including installation costs and forecast errors proposed by the authors.

The found solution generates a good forecast, in coastal region studied, with an assimilation window of only 14 minutes. This solution has a cost of US$ 3.5 million and considers additional DART and GPS stations beyond the two existing DART stations within the domain.

138 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Evolución de la direccionalidad de las marcas de desgaste por erosión por flujo de pulpa mineral a velocidad variable Evolution of directionality of wear scars during erosion by mineral slurry flow of varying velocity Walczak M.1, Molina N.1, Aguirre J.1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalurgia, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

1

Walczak M.1, Molina N.1, Aguirre J.1 1 Departmentof Mechanical Engineering and Metallurgy, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

La erosión del acero carbono API 5L X64 es estudiada en el contexto del transporte de pulpa minera a través de una tubería de relave con foco en las condiciones de flujo turbulento analizadas directa o indirectamente por el desgaste superficial.

Electrodos cilíndricos rotativos fueron utilizados para simular la exposición del acero en estudio a flujos de diferentes velocidades nominales. Durante la exposición, la corrosión es evitada mediante protección catódica y la degradación es posteriormente evaluada mediante pérdida de peso, mientras que las superficies desgastadas son analizadas por microscopía electrónica de escáner (SEM). Análisis de las imágenes de SEM mediante transformaciones de Fourier rápidas (FFT) revela que la direccionalidad de las marcas de desgaste evoluciona a mayores velocidades, lo que sugiere una correlación entre la tasa de desgaste por erosión y las condiciones de flujo turbulento.

Erosion of carbon steel API 5L X65 is studied in the context of slurry transport though a tailing pipeline with focus on the turbulent flow condition assessed indirectly by analysis of the worn surface. Rotating cylinder electrode is used for simulating exposure of the steel target to flow of different nominal velocities. During exposure, corrosion is suppressed by cathodic protection and then degradation is evaluated by weight loss, whereas the worn surfaces are assessed by scanning electron microscope (SEM). Analysis of the SEM images through fast Fourier transform (FFT) of SEM reveals that directionality of wear scars evolves with increasing velocity indicating a correlation between erosion wear rate and the condition of the turbulent flow.

III Congress of Engineering Students / 139

Incorporando la perspectiva de proceso mediante Process Mining al entrenamiento de destrezas procedurales en educación médica Including a process mining approach to procedure skills training in medicine education Lira R.1, Salas-Morales J.1, Munoz-Gama J.1, de la Fuente R.2, Fuentes R.2, Sepúlveda M.1 1 Departamento de Ciencia de la Computación, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departamento de Anestesiología, Escuela de Medicina, Pontificia Universidad Católica de Chile.

Lira R.1, Salas-Morales J.1, Munoz-Gama J.1, de la Fuente R.2, Fuentes R.2, Sepúlveda Marcos.1 1 Departmentof Computer Science, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departmentof Anesthesiology, School of Medicine, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

En el área de la salud, es de vital importancia desarrollar altos niveles de habilidades procedurales a través del entrenamiento con el fin de obtener buenos resultados clínicos en procesos quirúrgicos. Una retroalimentación acorde al procedimiento desarrollado por cada alumno otorga una mayor efectividad al entrenamiento, por lo tanto, es sumamente importante entregar una retroalimentación relevante a cada alumno que le permita mejorar su desempeño. Los métodos de retroalimentación actuales consisten en listas de chequeos y escalas de clasificaciones globales, los cuales deben ser impartidos por profesionales de la salud, lo que involucra un alto costo económico. Sin embargo, estos métodos no logran capturar una perspectiva de proceso, por lo que se omiten evaluaciones relevantes tales como etapas realizadas en orden no deseado, partes del proceso repetidas innecesariamente, o tiempos excesivos de transiciones entre etapas. El objetivo de este trabajo es demostrar que es posible utilizar técnicas de minería de procesos (Process Mining) para analizar el procedimiento desde una perspectiva de proceso, identificando patrones de interés en su procedimiento quirúrgico. Este enfoque se utilizó en forma efectiva para analizar datos reales del entrenamiento de instalación de catéter venoso central, resultando en la identificación de patrones de re-trabajo, des-orden, y tiempo. Con este análisis, se puede concluir el potencial real que posee la implementación de técnicas de minería de procesos para la entrega de retroalimentación en entrenamiento de procedimientos quirúrgicos.

For health-oriented careers, the development of procedure skills through training is of vital importance in order to obtain good clinical results in surgical procedures. Thus, proper feedback of student performance grants greater effectiveness in training.

Therefore, it crucially important to deliver relevant feedback to each student in order to improve performance. Current feedback methods consist on checklists and global grading scales, which need to be administered by health professionals, involving high economic costs. However, these methods do not perceive the process perspective of the procedures, leading to omission of relevant evaluations such as steps performed in the wrong order, unnecessary repetitions or excessive transition times between steps. The aim of this work is to show that it is possible to use process-mining techniques to analyze the procedures with a process perspective, identifying patterns of interest for the surgical practice. This approach was used analyze effectively the real training data of the installation of a central venous catheter, resulting in the identification of re-work patterns, disorder and timing. With this analysis, it is possible to conclude that implementing process-mining techniques for feedback on surgical procedure training has great potential.

140 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Indicador de nivel de servicio para evaluar la capacidad estructural de carreteras concesionadas en Chile Service level indicator to evaluate the structural capacity of concessioned highways in Chile Burgos S.1 Universidad Técnica Federico Santa María.

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Burgos S.1 1 Federico Santa María Technical University.

RESUMEN

ABSTRACT

La toma de decisiones durante la operación de una carretera debe basarse en información que reduzca la incertidumbre y por ello es necesario normar e implementar procedimientos que permitan conocer el comportamiento del estado del pavimento a través de su vida útil y generar los mecanismos que permitan su conservación a lo largo del tiempo. Es imperativo aplicar nuevas y eficientes maneras de verificar la calidad de la construcción que permitan una óptima conservación del valor patrimonial de la vía. Este trabajo propone la aplicación de exigencias relacionadas a indicadores de capacidad estructural que de ser cumplidos permitan garantizar una conservación del estado de los pavimentos y su valor patrimonial enfocado en una concesión vial, basándose en la investigación y experiencia internacional de agencias que han desarrollado programas de conservación, mantenimiento y/o rehabilitación en función de este parámetro técnico que ha destacado por su correlación con diversos tipos de deterioros del pavimento. Esta investigación define umbrales de aceptación para el control de la capacidad estructural a través de mediciones de deflexión con un dispositivo FWD, con el objetivo de generar un modelo de evaluación por niveles de servicio implementable a concesiones viales. Se destaca la necesidad de estudiar y realizar un seguimiento del comportamiento de pavimentos a través de este parámetro para establecer protocolos y/o ajustes a los umbrales definidos como exigencias para estructuras nuevas o ya existentes, a razón del conocimiento del comportamiento de nuestros pavimentos de tal manera que se preserve el valor patrimonial de nuestra red de carreteras.

Decision making during highway operation must be based on information that reduces uncertainty. Therefore, is necessary to regulate and implement procedures that allow to know the behavior of the pavement through its useful life, and to generate the mechanisms to preserve it through time. The implementation of new and efficient ways to check construction quality are necessary to allow for optimal preservation of the roads. This work proposes the application of requirements related to structural capacity indicator, whose compliance guarantees pavement and value preservation on road concessions. This is based on international agencies research and experience that lead to the development of preservation, maintenance and/ or rehabilitation programs based on technical parameters that strongly correlate with several types of pavement wear. This research defines acceptance thresholds for structural capacity control through deflection analysis with a FWD device, aiming to generate an evaluation model for service levels to be implemented in road concessions. A way to study and follow up pavement behavior is needed in order to establish protocols and/or corrections to the defined compliance thresholds for new or existing structures. This will aid to preserve the value of our road network.

III Congress of Engineering Students / 141

Laboratorios naturales. Políticas para el aprendizaje tecnológico y la construcción de capacidad institucional: clúster astronómico chileno Natural laboratories. Policy instruments for technological learning and institutional capacity building: Chilean astronomy cluster Guridi J.A.1, Pertuzé J.A.1, Pfotenhauer S.2 Departamento de Ingeniería Industrial y Sistemas, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Centro para la Tecnología en Sociedad de Munich, Escuela de Gestión, Universidad Técnica de Munich.

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Guridi J.A.1, Pertuzé J.A.1, Pfotenhauer S.2 Department of Industrial and Systems Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Munich Center for Technology in Society, School of Management, Technical University of Munich.

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RESUMEN

ABSTRACT

Los Laboratorios Naturales (LNs) han recibido creciente atención como sitios para el desarrollo científico y tecnológico que permiten sus características geográficas únicas. Naciones científicas emergentes están crecientemente buscando explotar el potencial de estos LNs para aprovechar los excedentes científicos, tecnológicos, económicos e institucionales que éstos pueden crear, habitualmente mediante colaboraciones internacionales de gran escala. En este artículo, desarrollamos un marco de referencia conceptual para los LNs. Sugerimos que la explotación de los LNs, como una herramienta de política científica novedosa, es particularmente relevante para países en desarrollo, ya que ofrece oportunidades de construcción de capacidades y aprendizaje tecnológico en los sistemas nacionales emergentes de innovación. Construimos, en profundidad, sobre un caso de estudio de uno de los primeros LNs del mundo, el clúster de observatorios del Desierto de Atacama en Chile, programado para concentrar cerca del 70% de la infraestructura astronómica mundial para el 2020. Analizamos el proceso mediante el cual los excedentes institucionales, culturales y de innovación que se han generado y capturado, junto con los factores que influencian estos procesos. Encontramos que la generación de beneficios es un fenómeno sistémico complejo, en donde la retroalimentación entre múltiples excedentes puede habilitar (o impedir) su desarrollo. Los gobiernos que apunten a explotar los LNs deben, entonces, priorizar ciertas áreas por sobre otras, para beneficiarse de estos efectos catalíticos. Además, deberán diseñar marcos de referencia colaborativos con socios internacionales, de manera que potencien el desarrollo local.

Por otra parte, el desarrollo institucional consistente es clave para explotar los beneficios de las características únicas de los LNs, puesto que los excedentes de estas actividades toman tiempo en materializarse.

‘Natural Laboratories’ (NLs) have received growing attention as sites for scientific and technological development afforded by unique geographic characteristics. Emerging science nations are increasingly seeking to exploit the scientific potential of such NLs and to harness the scientific, technological, economic, and institutional spillovers they may create, often through largescale international collaborations. In this paper, we develop a conceptual framework for NLs. We argue that the exploitation of NLs as a novel science-policy instrument is particularly relevant for developing countries, as it offers opportunities for capacity-building and technological learning in emerging National Innovation Systems. We draw build upon an in-depth case study of one of the world’s prime NLs – the astronomical observatory cluster in the Atacama Desert in Chile, slated to concentrate nearly 70% of the world’s astronomical infrastructure by 2020. We analyze the processes through which institutional, cultural and innovation spillovers are generated and captured and the factors that influence these processes.

We find that the generation of spillovers is a complex systemic phenomenon, as feedbacks between various spillovers that might enable (or inhibit) one another. Governments aiming to exploit NLs should thus prioritize certain spillovers over other to benefit from these catalytic effects, and design collaborative frameworks with international partners in a way that strengthens local spillovers. Moreover, consistent institutional development is key for exploiting the benefits of the unique features of NLs since spillovers take time to occur.

142 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Modelamiento de líneas HVDC utilizando modelo de parámetros distribuidos HVDC line modeling using the distributed parameter model Montenegro A.1 Universidad Técnica Federico Santa María.

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Montenegro A.1 1 Federico Santa María Technical University.

RESUMEN

ABSTRACT

Este trabajo describe un método para el cálculo preciso de los voltajes y corrientes generados en un enlace HVDC con convertidores modulares multinivel en sus terminales y un largo de 1000 km entre ellos. El método propuesto por Oliver Heaviside muestra la importancia de incluir los parámetros distribuidos de la línea de transmisión para predecir las variables eléctricas del sistema de manera más precisa, considerando un modelo matemático riguroso para el convertidor modular multinivel. Se incluyen simulaciones con variaciones en la sensibilidad de los parámetros.

This work describes a method for the precise calculation of the voltage and current generated by an HVDC link with modular multilevel converters at its terminals and 1000 km of length in between. The method proposed by Oliver Heaviside shows the importance of including the distributed parameters of the transmission line to predict the electrical variables in the system more precisely, considering a rigorous mathematical model for the modular multilevel converter. Simulations with variations of the sensitivity parameters are included.

III Congress of Engineering Students / 143

Modelamiento tridimensional de muros de hormigón armado a través de elementos uniaxiales no lineales Three-dimensional modeling of reinforced concrete walls through non-linear uniaxial elements Norero F.1, Sepúlveda C.1 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María.

Gaytán I.1, Catalán P.1 1 Departmentof Civil Works, Federico Santa María Technical University.

RESUMEN

ABSTRACT

El estudio de muros de hormigón armado en general se focaliza en el comportamiento del elemento en su dirección fuerte, dirección en la que el muro aporta una rigidez importante a la estructura completa. Es por esto que generalmente se les representa mediante modelos bidimensionales, realizando suposiciones que no siempre pueden ser válidas. En este estudio se analiza el comportamiento de muros de hormigón armado en el rango no-lineal como elemento volumétrico, con el fin de determinar el estado tensional de bordes de muros considerando las singularidades que imponen las condiciones de borde, como por ejemplo, el encuentro del muro con la losa en un edificio. La modelación se lleva a cabo en base a elementos no-lineales uniaxiales que se ensamblan para formar cubos y de esta forma generar un elemento volumétrico con el que se puede construir la geometría de un muro de hormigón armado considerándolo como elemento que posee cierto volumen y no como elemento plano. En particular se modela el comportamiento de especímenes de espesor 14 cm y 28 cm, con el fin de determinar las diferencias de comportamiento entre muros delgados y muros de mayor espesor, pudiendo observar que el muro delgado posee un comportamiento más frágil, produciéndose una falla en diagonal en el ancho del muro. En la figura se muestran las curvas Momento-Curvatura normalizadas por el área de sección transversal de cada muro, pudiéndose observar un comportamiento diferente para ambos muros, donde el muro de mayor espesor es capaz de resistir mayor momento normalizado. Además, se muestra un esquema del patrón de deformaciones unitarias de la cara frontal del muro (rojo es falla en tracción), observándose un patrón de grietas en diagonal, similar a las fallas observadas en ensayos de muros de hormigón armado.

The study of reinforced concrete walls is usually focused on element behavior in its strongest direction, the one in which the wall adds rigidity to the overall structure. Thus, they are typically depicted by bidimensional models with assumptions that may not always hold true. In this study, the behavior of reinforced concrete walls was analyzed in the non-linear range as a volumetric element, aiming to determine wall border tensional state and considering singularities that may impose border conditions, such as the joint between wall and building slab. Simulations were carried out based on non-linear uniaxial elements joined to form cubes, thus generating volumetric elements that can be used to construct the wall geometry, instead of plane objects. In particular, the behavior of 14 cm and 28 cm thick specimens was modelled, aiming to address the differences between thin and thick walls. This analysis showed that the thin wall is more fragile, and presented a diagonal failure across the wide side. The figure shows the normalized Momentum-Curvature plots for each cross sectional area of the walls, with different behavior for both samples, where the thickest wall was able to resist larger normalized momenta.

Furthermore, a scheme with unitary deformation pattern on the front side of the wall is shown (red denotes traction failure) with diagonal cracks, similar to failures in reinforced concrete tests.

144 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Modelamiento tridimensional de muros de hormigón armado a través de elementos uniaxiales no lineales Three-dimensional modeling of reinforced concrete walls through non-linear uniaxial elements Palacios A.1, Brevis W.A.1,2 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departamento de Ingeniería de Minería, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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Palacios A.1, Brevis W.A.1,2 Departmentof Hydraulic and Environmental Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departmentof Mining Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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RESUMEN

ABSTRACT

En ambientes naturales, como ríos y regiones costeras, las magnitudes horizontales y transversales de las direcciones de flujo exceden ampliamente a la componente vertical.

Múltiples factores pueden generar perturbaciones que causan turbulencia, como obstáculos en el campo de flujo. Cuando se generan vórtices en estas condiciones, el desarrollo en el plano horizontal excede el vertical, limitado por la profundidad. Por tanto, el comportamiento del flujo es mayormente dominado por estructuras en dos dimensiones (2D) (G. H. Jirka, 2001).

Cuando una fuerza topográfica, como un obstáculo, divide un flujo que puede ser considerado como 2D, se crea, corriente abajo, una zona de baja velocidad conocida como estela.

El comportamiento de esta zona influencia el transporte y estancamiento de contaminantes y sedimentos, socavones en las fundaciones de puentes, ventilación del aire de ciudades, ecosistemas marinos y otras situaciones (Schuls et al., 2003).

Comúnmente los obstáculos no son unidades sólidas, sino un arreglo de múltiples cuerpos. En estas condiciones, múltiples estudios (Chang, Constantinescu, 2015; Z. Chen et al., 2012) han demostrado la importancia de la porosidad y su influencia sobre el comportamiento de la estela (e.g. largo de las perturbaciones). Sin embargo, poco se ha estudiado en relación a los arreglos y geometrías. Esta investigación analiza la formación de estelas en varios arreglos con geometrías no estudiadas previamente, variando el número superficial, el número de Reynolds y la porosidad en una serie de experimentos de inyección de colorantes. Variaciones en las estructuras principales que componen el flujo son caracterizadas mediante descomposición ortogonal (del inglés Proper Orthogonal Decomposition). Luego. un análisis más profundo con velocimetría de partículas a gran escala calcula las velocidades tras un experimento de sedimentación.

A continuación, las fluctuaciones en las velocidades son determinadas por la Descomposición Promedio de Reynolds (del inglés Reynolds Averaging Decomposition) y los análisis estadísticos de estas variaciones son realizados.

In natural environments, like rivers or coastal regions, horizontal and transversal magnitudes exceed greatly the vertical flow direction. Several factors could generate disturbances that cause turbulence, e.g. obstacles in the flow field. When vortices are formed in these conditions, the development in the horizontal plane exceed the vertical formations, limited by the depth. Thus, the flow behavior is mainly dominated by 2-dimension (2D) structures (G. H. Jirka, 2001). When a topographic force, i.e. obstacle, divide a flow that can be considered as 2D, downstream to it a low-velocity zone, known as wake, is created. The demeanor of this zone influences contaminant and sediment transportation and stagnation, scour in bridge foundations, city air ventilation, maritime ecosystem, among others situations (Schuls et al., 2003). Commonly, obstacles are not a solid unit but an arrangement of several bodies. Under this situation, several studies (Chang, Constantinescu, 2015; Z. Chen et al., 2012) have shown the importance of porosity and its influence over wake behavior (e.g. disturbances, length). However, little has been studied related to arranging and geometry. The present research analyses shallow wake formations in several arrangements with a non-previously study geometry, varying Shallowness number, Reynolds number and porosity in a series of dye injection experiments. Variations in the principal structures composing the flow are characterized through Proper Orthogonal Decomposition. Then, a deeper analysis with Large Scale Particle Velocimetry calculates the velocities after a particle seeding experiment. Next, the fluctuations in the velocities are determined by Reynolds Averaging Decomposition and a statistical analysis of these variations is carried out.

III Congress of Engineering Students / 145

Nanocatalizadores pirolizados de bajo costo para celdas de combustible Low cost pyrolyzed nanocatalysts for fuel cells Bindis D.1, Errázuriz S.1, Recio J.2,3 1 College de Ciencias Naturales y Matemáticas, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departamento de Química Inorgánica, Facultad de Química, Pontificia Universidad Católica de Chile.

3 Instituto de Física, Facultad de Física, Pontificia Universidad Católica de Chile.

Bindis D.1, Errázuriz S.1, Recio J.2,3 1 College of Natural Sciences and Mathematics, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departmentof Inorganic Chemistry, College of Chemistry, Pontificia Universidad Católica de Chile.

3 Physics Institute, College of Physics, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

Hoy en día las baterías de combustible de Hidrógeno se emplean en una amplia gama de artefactos, desde motores en autos eléctricos hasta aeronaves. La principal razón de su aplicación se debe a su gran potencial energético y a la escasa contaminación que generan al medioambiente (siendo agua su único producto de desecho). Aunque limpias y eficientes, las celdas de combustible de Hidrógeno emplean un catalizador costoso y difícil de producir: Platino. Este metal noble es escaso, su valor muy alto y su refinamiento genera una enorme huella de carbono que contrarresta los beneficios de este tipo de celdas. Con el fin de abaratar costos y reducir la contaminación en su producción se ha propuesto la síntesis de catalizadores pirolizados de base carbono de bajo costo y con una actividad catalítica similar a la del Platino. Estos catalizadores se sintetizan mediante la pirolisis controlada de una fuente de base carbono y nitrógeno en presencia de hierro obteniendo un material compuesto por varias láminas de grafeno dopadas con Hierro y nitrógeno. El presente proyecto aborda este problema proponiendo una ruta de síntesis sencilla, altamente reproducible y escalable, generando así nanopartículas de magnetita recubiertas de dopamina que actúan como fuentes de Carbono, Nitrógeno y Hierro para su posterior pirolisis. Los materiales resultantes muestran una morfología nanoestructurada de alta actividad catalítica en medio básico lo que les hace candidatos eficientes para la sustitución del Platino en celdas de combustible.

Currently, hydrogen fuel cells are used in a wide range of artifacts from electric car engines to aircrafts. The main reason for its use is the great energetic potential and little pollution they release to the environment (being water the only waste product). Although clean and efficient, Hydrogen fuel cells use a very expensive and hard to manufacture catalyst: Platinum.

This noble metal is rare, has a very high and its refinement comes with a huge carbon footprint that counteracts all the benefits of using these types of cells. With the goal of decreasing costs and manufacturing pollution, the synthesis of carbonbased pyrolyzed catalysts with similar catalytic activity to platinum has been proposed. These catalysts are synthesized through controlled pyrolysis of a carbon and nitrogen source in the presence of iron, creating a composite material formed by multiple layers of graphene doped with iron and nitrogen.

The project herein tackles this problem by proposing a simpler synthesis route, highly reproducible and scalable, that leads to the formation of magnetite nanoparticles coated with dopamine to act as carbon, nitrogen and iron sources for later pyrolysis.

The resulting materials show a nanostructure morphology of high catalytic activity in alkaline media, making them efficient candidates for platinum substitution in fuel cells.

146 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Potencial de las proteínas de insectos como fuente alternativa para el consumo humano: calidad textural de snacks extruidos Insect proteins as potential alternative source for human consumption: texture quality of extruded snacks Contardo I.1, Bouchon P.1 Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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Contardo I.1, Bouchon P.1 1 Department of Chemical Engineering and Bioprocesses, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

Los snacks son altamente consumidos entre comidas reduciendo la sensación de hambre sin embargo carecen de proteínas para una adecuada nutrición debido a su proporción de harinas (maíz, arroz, papa, o trigo) con alta carga de carbohidratos. En la producción de snacks, el proceso de extrusión es una tecnología de gran impacto conservando nutrientes y confiriendo atributos de calidad (crocancia) muy apetecidos por los consumidores. Snacks con un balanceado perfil nutricional podrían ser elaborados con la incorporación de proteínas. No obstante, durante el desarrollo de snacks expandidos mantener un alto nivel de proteína y aire dentro de la matriz se convierte en un gran desafío dada las propiedades viscoelásticas generadas. Adicionalmente, existe una necesidad de encontrar nuevas fuentes de proteínas con gran valor biológico como proteínas de insectos. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación fue evaluar propiedades físicas y microestructurales de snacks extruidos y expandidos que sean ricos en proteínas de insectos con una adecuada calidad textural (expansión, dureza y porosidad). Los resultados demostraron que las proteínas de insectos (H. illucens) pueden ser incorporadas a snacks extruidos a base de maíz y trigo, en proporciones de hasta un 50% en la formulación. La máxima fuerza de corte (dureza, N) y el % de expansión disminuyen al aumentar la proporción de harina de insecto (%, p/p).

Los extruidos de harina insecto-maíz presentaron mejor % de expansión (~12%). El análisis microestructural (microCT) mostró detalles internos de una matriz poco porosa visualizándose la influencia de las proteínas en la expansión.

Las proteínas de insectos se presentan como una prometedora alternativa para su incorporación en snacks extruidos, pero estudios complementarios son necesario para evaluar el impacto del contenido de proteínas en la viscosidad y su efecto en la expansión, así como el impacto de las condiciones de extrusión sobre el perfil de aminoácidos.

Snacks are usually consumed between meals to reduce hunger perception; however, due to their proportion of flours (corn, rice, potato or wheat) and high carbohydrate load, they lack the proteins for a balanced nutrition. In snack production, extrusion technology has been of great impact by preserving nutrients and conferring quality attributes highly wanted by customers (crispness). Nutritionally balanced snacks could be made by protein enrichment. However, during expanded snack manufacture, keeping high levels of air and protein inside the matrix becomes a great challenge due to the viscoelastic properties. Additionally, there is great need in finding new protein sources with high biological value, such as insect-derived proteins. Therefore, the aim of this research was to evaluate the physical and microstructural properties of expanded and extruded snacks enriched with insect-derived proteins with adequate texture quality (expansion, hardness and porosity).

Results showed that insect-derived proteins (H. illucens) can be incorporated into extruded snacks from corn and wheat with proportions as high as 50% in the formulation. Maximal cracking strength (hardness, N) and % of expansion decrease when the proportion of insect flour increases (% w/w). Snacks with insect flour and corn showed a better % of expansion (~12%). Microstructural analysis (micro-CT) showed internal matrix details of low porosity, evidencing the influence of proteins during expansion. Insect-derived proteins appear as a promising alternative for incorporation into extruded snacks, but complementary studies are necessary to evaluate their effect into viscosity, expansion and amino acid profiling.

III Congress of Engineering Students / 147

Propiedades físicas de solventes eutécticos de baja viscosidad y de sus mezclas binarias con 1-butanol Physical properties of low viscosity deep eutectic solvents, and its binary mixtures with 1-butanol Gajardo N.F.1, Lubben M.J.2, Winnert J.M.2, Leiva A.1, Brennecke J.F.2, Canales R.I.1 1 Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Texas en Austin.

Gajardo N.F.1, Lubben M.J.2, Winnert J.M.2, Leiva A.1, Brennecke J.F.2, Canales R.I.1 1 Department of Chemical Engineering and Bioprocesses, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

2 Department of Chemical Engineering, University of Texas at Austin.

RESUMEN

ABSTRACT

La extracción líquido-líquido y la destilación extractiva son operaciones unitarias comunes para la separación de mezclas con similar punto de ebullición o con presencia de azeótropo.

Dentro de estos procesos, los líquidos iónicos y los Deep Eutectic Solvents (DES) han despertado interés como extractante alternativo debido a su baja volatilidad y alta selectividad.

Los DESs son usualmente una alternativa biodegradable, no tóxica y de bajo costo a los líquidos iónicos debido a que estos compuestos se obtienen principalmente desde metabolitos primarios. Los DES no han sido estudiados extensivamente en la literatura, en consecuencia, las propiedades fisicoquímicas de los compuestos puros y el equilibrio de las distintas fases son necesarios para analizar la factibilidad en el uso de operaciones de separación. Propiedades como temperatura de descomposición, tensión superficial, densidad, viscosidad fueron medidas para DES puros y, densidad, viscosidad y entalpía de fueron medidas para mezclas binarias de DES con 1-butanol. Con esto, las propiedades de exceso fueron calculadas para entender el comportamiento de los DES en la mezcla. Los resultados indican que los DES se forman debido a fuertes fuerzas intermoleculares entre sus constituyentes y no se presenta ninguna reacción. Esto genera una mayor estabilidad térmica de los DES frente a sus donadores de puentes de hidrógeno. Además, ante la adición de 1-butanol al DES, la mezcla se contrajo debido a la creación de nuevas redes de puentes de hidrógeno y acomodación de sitios intersticiales.

Como resultado de esto, las propiedades de exceso muestran una desviación negativa de la idealidad. Las propiedades termofísicas fueron ajustadas por distintos modelos tanto empíricos como predictivos obteniendo errores menores al 5% para compuestos puros. La obtención de datos experimentales y cálculo de propiedades del proceso permitió entender la magnitud de las interacciones que ocurren al mezclar un DES con un solvente orgánico. Esto contribuye a tener una mejor compresión del efecto de las fuerzas electroestáticas sobre las propiedades termodinámicas en procesos de separación. Posteriormente, estos datos y parámetros pueden ser incorporados en modelos que sean capaces de predecir propiedades fisicoquímicas para aplicaciones industriales.

Liquid-liquid extraction and extractive distillation are common unitary operations for separation of mixtures with similar boiling points or azeotropes. Among these processes, ionic liquids and Deep Eutectic Solvents (DES) are considered interesting extracting alternatives due to their low volatility and selectivity. DES are usually a biodegradable, non-toxic and low cost alternative to ionic liquids, since these compounds are typically obtained from primary metabolites. DES have not been extensively studied in the literature; therefore, the physicochemical properties of pure compounds and their different phase equilibria are needed to analyze their potential use in separation operations. Properties such as degradation temperature, superficial tension, density, and viscosity were measured for pure DES, while density, viscosity, and enthalpy were measured for binary mixtures with 1-butanol. Later, the excess properties were calculated in order to understand the behavior of DES within the mixture. Results indicate that DES are formed due to strong intermolecular forces between their constituents and no chemical reactions occur, leading to greater thermal stability of DES compared to their hydrogen bond donors. Furthermore, upon 1-butanol addition, the network was contracted due to the creation of new arrays of hydrogen bonds and relocation of the interstitial sites.

As a result, the excess properties show a negative deviation from ideal behavior. The thermophysical properties were adjusted by different empirical and predictive models, with errors below 5% for pure compounds. Experimental data and the calculations of process properties allowed the magnitude comprehension of the interactions between a DES with an organic solvent. This contributes to further understanding the effect of electrostatic forces on thermodynamic properties in separation processes.

Later on, these data could be included in predictive models for physicochemical properties for industrial use.

148 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Propuesta para la evaluación del ruido de rodadura Proposal for tire rolling noise determination Ebensperger M.1 1 Universidad Técnica Federico Santa María

Ebensperger M.1 1 Federico Santa María Technical University

RESUMEN

ABSTRACT

Esta investigación se centra en el estudio del ruido de rodadura y pertenece a un Proyecto FONDEF, el cual consiste en la modificación de Bases de Licitación de Carreteras Concesionadas Interurbanas siendo esta una nueva característica a evaluar. El ruido es uno de los problemas medioambientales más relevantes, producto de su dimensión social y económica. Éste tiene efectos negativos sobre la salud como: cambios en la actividad cardiovascular, trastornos del sueño, deterioro auditivo, entre otros. Las fuentes generadoras de ruido forman parte de la vida cotidiana, donde el tráfico y el transporte son las fuentes principales. El ruido de los vehículos se genera por tres sub-fuentes: ruido aerodinámico, mecánico y de rodadura. Este último es el que domina a velocidades superiores que los 50[km/h]. El ruido de rodadura se genera por la interacción entre el neumático y la capa superficial del pavimento, de modo que puede ser controlado por medio de las características de cada uno de ellos. Entre estos dos el concesionario puede controlar solo la superficie de rodado. En el presente estudio se hace una propuesta preliminar de metodología de medición, indicador técnico y umbrales para evaluar el ruido de rodadura en carreteras.

Al analizar diferentes métodos de medición utilizados internacionalmente, se propone el método On-Board Sound Intensity (OBSI) descrito en la norma AASHTO T360, éste consiste en micrófonos instalados en la rueda del vehículo que miden la intensidad del sonido, donde su principal ventaja es la medición continua a velocidades de tráfico normal. El indicador es el Overall A-Weighted Sound Intensity Level.

Los umbrales se establecen al hacer una recopilación de los resultados de diferentes estudios donde se utilizó método OBSI.

This research focuses in the study of tire rolling noise and is part of a FONDEF project that aims to modify concessioned interurban highway rules for public biddings, thus including this as a new variable. Due to its social and economic dimension, noise is one the most relevant environmental problems. It can negatively affect health by changing cardiovascular activity, alter sleep patterns, and can cause hearing impairment, among other things. Vehicle noise is generated by three sub-sources: aerodynamic noise, mechanical noise and tire rolling noise. The latter predominates at speeds higher than 50 [km/h]. Rolling noise is generated by the interaction between tires and pavement surface; thus, it can be controlled by the characteristics of their components. Among these, the concession operator can only control the rolling surface. The study herein presents a preliminary methodology proposal for measurement, technical indicator and thresholds to evaluate tire-rolling noise in highways. By analyzing several internationally used measuring methods, the On-Board Sound Intensity (OBSI) method is proposed as described in the AASHTO T360 regulation. This consists of microphones installed on vehicle wheels that measure sound intensity, and its main advantage is the continuous measurement at normal circulation speeds.

Overall A-Weighted Sound Intensity Level is the indicator and the thresholds are established upon revision of different studies where the OBSI method was used.

III Congress of Engineering Students / 149

Resiliencia en Redes aplicando Optimización Robusta Grid resilience by applying robust optimization Anfossy F.1, Klapp M.1,2, Lorca A.1,3 Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Departamento de Ingeniería de Transporte y Logística, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 3 Departamento de Ingeniería Eléctrica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile 1

Anfossy F.1, Klapp M.1,2, Lorca A.1,3 1 Department of Industrial and Systems Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile 2 Department of Transport and Logistics Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile 3 Department of Electrical Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile

RESUMEN

ABSTRACT

Chile es un país propenso a desastres naturales sísmicos, por lo que su planificación urbana en cuanto a redes de transporte, electricidad, agua y otros se encuentran vulnerables a colapsar ante alguno de estos eventos. A nivel mundial, también se estudia el efecto de desastres como incendios, ataques terroristas y otros en estas redes. Debido a la relevancia del tema a nivel local, se estudia un problema de resiliencia en redes a partir del colapso de cualquier red debido a cualquier disrupción o desastre. Se busca modelar el comportamiento de redes que busquen maximizar el flujo de transporte, energía u otro entre agentes, cuyos arcos son destruidos con el objetivo de generar daño en esta red disminuyendo las opciones de conectividad, afectando el flujo. Para abordar esta problemática se formula un modelo de optimización robusta de 2 etapas implementado en el solver de optimización Gurobi en 3 tipos de redes pequeñas: una arborescencia, un grafo bipartito y una red vial, para estudiar el comportamiento del daño dependiendo de la cantidad de arcos disponibles a inhabilitar. El problema consiste en resolver un problema de optimización robusta debido a que entrega el peor escenario posible: La destrucción de arcos críticos para generar mayor daño. Este trabajo consiste en el paso inicial para, en trabajos posteriores, agregar una tercera etapa de diseño que aminore el daño en el peor escenario, de forma que sea posible planificar la creación y/o mantención de redes más robustas ante cualquier tipo de desastres.

Chile is a country prone to natural seismic disasters; thus, its urban planning is vulnerable to collapse during these events in terms of transportation networks, electricity grids, water supply, and others. Internationally, similar effects on these networks caused by of other disasters such as fires, terrorist attacks, and others, are studied. Due to the local relevance, the research herein boards the resilience problem on network collapse during disruption or disaster. Thus, modelling the behavior that maximizes transport flux, energy or other agents, in conditions of node destruction and connectivity loss was sought. To address this problem, a 2-stage robust optimization model was stated in the Gurobi optimization solver for three types of small networks: arborescence, bipartite graph and road network. The problem was to look for a robust optimization solution on the worst possible scenario: the destruction of critical arcs in order to create most damage. The work herein represents the initial step of a design that lessens the damage in worst-case scenarios.

This will allow for planning the creation and/or maintenance of robust networks for any type of disaster.

150 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Sistema de aislamiento sísmico en tres dimensiones con sustentación permitida para estructuras industriales livianas Three-dimensional seismic isolation system with uplift allowed for low-mass industrial structure Reyes S.1, Almazán J.L.1 1 Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

Reyes S.1, Almazán J.L.1 1 Department of Structural and Geotechnical Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

Los sistemas de aislamiento sísmico más utilizados entrega aislación horizontal de la estructura, al igual que los dispositivos de elastómeros o fricción, pero el componente de excitación vertical es transmitido directamente y, algunas veces, las estructuras pueden requerir aislamiento vertical.

Normalmente ésta es necesaria para el control industrial de equipamiento mecánico, aislando las altas frecuencias operacionales que pueden resultar molestas para objetivos utilitarios. Sin embargo, se ha visto a lo largo del mundo que estos sistemas de control de vibración no tienen buen desempeño frente a eventos sísmicos mayores. Por lo tanto, se propone el desarrollo de un aislante sísmico tridimensional que funcione de manera efectiva para aislar vibraciones operacionales y aceleraciones sísmicas de manera simultánea.

En este trabajo se presenta la comparación del desempeño sísmico de una maquinaria pesada (enfriador centrífugo de líquido) de base fija y con sustentación, validando la relación vertical fuerza-deformación considerada en este dispositivo mediante testeo experimental y modelamiento numérico.

Los resultados muestran los efectos beneficiosos de permitir la sustentación de estructuras o equipamiento cuando un dispositivo flexible de disipación se ubica debajo, controlando el contacto entre la estructura y el suelo en caso de impacto.

De esta manera, se limitan las fuerzas de cizalla y axiales a un máximo posible asociado con el momento de volcamiento de la estructura.

Most used seismic isolation systems provide to the structure of horizontal isolation, just like elastomeric or frictional devices does, but the vertical component of excitation is still transmitted directly into the structure and vertical isolation is needed in some cases. Vertical isolation is needed also for vibration control of industrial mechanical equipment to isolate highfrequency operational vibrations that could be annoying for serviceability objectives, but it has been seen around the world that vibration control devices do not have a good performance at strong seismic events. Therefore, a three-dimensional seismic isolator device that works isolating in an effective way from operational vibrations and seismic accelerations at the same time is proposed. A comparison of the seismic performance of a heavy mechanical equipment (Centrifugal Liquid Chiller) with uplift allowed and a fixed base one is presented in this work, validating the considered vertical force-deformation relation of the device through experimental testing and numerical models. The results show the beneficial effects of allowing uplift in structures or equipment when a flexible dissipative element is placed on the bottom that controls the contact between the structure and the ground in case of impact, limiting the axial and shear forces to a maximum possible value associated to the overturning moment of the structure.

III Congress of Engineering Students / 151

Soluciones de descarga de código para dispositivos IoT de frontera de bajo consumo: un caso de estudio Code Offloading Solutions for low-power IoT edge devices: A Case Study González L.1 Departamento de Ciencia de la Computación, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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Gonzalez L.1 Departmentof Computer Science, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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RESUMEN

ABSTRACT

La descarga computacional es una técnica utilizada para superar las limitaciones en dispositivos con recursos computacionales restringidos, ahorrando energía y memoria.

Con la proliferación de dispositivos incorporados con Internet de las Cosas (IoT, del inglés Internet of Things), hemos presenciado que la frontera de la red se está desplazando hacia las puertas IoT y los dispositivos inteligentes. Pese a que en la academia existen múltiples sistemas de descarga de código para dispositivos móviles (como teléfonos inteligentes y tablets), el potencial que ofrecen estas soluciones en dispositivos IoT permanece mayormente inexplorado. En este trabajo, presentamos un caso real de estudio que aprovecha las técnicas de descarga de código para acelerar la ejecución de tareas complejas y demandantes de recursos en dispositivos IoT de bajo consumo. En nuestros experimentos, las soluciones de descarga fueron muy positivas, con mejoras de hasta 10,3 y 15,3 veces en la reducción del consumo energético para dos sistemas incrustados: un dispositivo Odroid C2 y un Odroid XU4.

Computation offloading is a technique used to overcome the limitations of resource-constrained devices in terms of computation, saving energy and memory. With the proliferation of embedded devices associated with the Internet of Things (IoT), we witness that the edge of network is moving to the IoT gateways and smart devices. Despite multiple code offloading frameworks are available in academia for mobiles devices (such as smartphones and tablets), the potential of code offloading solutions offered by these frameworks on IoT devices remains largely unexplored. In this paper, we present a real-life case study that leverages code-offloading techniques to accelerate the execution of a complex and resource-intensive tasks on lowpower IoT devices. In our experiments, offloading solutions are very positive with improvements up to 10.3 times and up to 15.2 times of reduction in energy consumption with two embedded systems: an Odroid C2 and an Odroid XU4 device.

152 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Un análisis holístico de las desigualdades relacionadas con el Transporte entre grupos socioeconómicos en Santiago Holistic analysis of transport related inequalities between socioeconomic groups in Santiago Iglesias V.1, Giraldez F.1, Tiznado I.1, Muñoz J.C.1 1 Departamento de Ingeniería de Transporte y Logística, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

Iglesias V.1, Giraldez F.1, Tiznado I.1, Muñoz J.C.1 1 Department of Transport and Logistics Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

Una de las preguntas centrales de la inequidad en las ciudades tiene relación con la justicia distributiva respecto al transporte, y si algún grupo de la población es sistemáticamente perjudicado en términos de movilidad, accesibilidad, asequibilidad y externalidades, identificados como preponderantes de la pobreza de transporte. Esta investigación propone una metodología para analizar cómo las inversiones en infraestructura de transporte y construcción no residencial, nivel de servicio recibido (distancias, tiempos y velocidades de viaje) y los costos asociados a los viajes (monetarios, accidentalidad, contaminación y uso de energía) están distribuidos entre los quintiles socioeconómicos de una ciudad. Esta metodología fue aplicada a la ciudad de Santiago, Chile. Los resultados muestran que, si comparamos el quintil de menor ingreso, las personas de mayor ingreso realizaron 1.2 más viajes a una velocidad 1.6 veces mayor. En términos de costo, el quintil más rico genera 6.7 veces más contaminación y usa 7 veces más energía, pero consume 4.7 veces menos de su ingreso. Además, el quintil más alto concentra 2.5 veces más inversión en infraestructura de transporte y 4.2 veces más m2 construidos en servicios y comercio. Asimismo, el uso de automóvil en el quintil más rico es 5.3 veces mayor, el cual contribuye 6.8 veces más a la accidentabilidad que la caminata, bicicleta y transporte público combinados. Este escenario inequitativo sugiere avanzar hacia políticas progresivas que favorezcan a los grupos de menores ingresos y que promuevan un uso racional del automóvil dado su impacto en la ciudad.

One of the central questions of city inequality deals with the distributive justice related to transportation, and if any social group is systematically harmed in terms of mobility, accessibility, affordability and other factors identified as relevant for poverty of transportation. This research proposes a methodology to analyze how transport infrastructure investments and nonresidential construction, quality of service received (distances, time and speed of travel) and travel associated costs (monetary, risk of accident, pollution and energy use) are distributed across socioeconomic quintiles. This method was applied in the city of Santiago, Chile. Results show that, in the lowest income quintile, people with higher income performed 1.2 more trips at a speed 1.6 times greater. In terms of costs, the richest quintile generated 6.7 times more pollution and used 7 times more energy, but consumes 4.7 times less of their income. Furthermore, the highest quintile concentrates 2.5 times more investment in transport infrastructure and 4.2 times more area (m2) dedicated to services and commerce. Even more, automobile use among the richest quintile is 5.3 times greater, which is 6.8 times more risky than the combination of walking, biking or using public transportation. This unequal scenario invites to move towards progressive public policies that favor lower income groups and promote rational automobile use, given its impact in the city.

III Congress of Engineering Students / 153

Validación de Factores de Corrección para las Dimensiones de Probetas en Ensayos de Indentación de Asfalto Validation of correction factors for asphalt specimen dimensions on asphalt indentation assays Cárdenas M.1, Delgadillo R.1, Filonzi A.2 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María 2 Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectura y Ambiental, Universidad de Texas en Austin

Cárdenas M.1, Delgadillo R.1, Filonzi A.2 1 Department of Civil Works, Federico Santa María Technical University 2 Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, University of Texas at Austin

RESUMEN

ABSTRACT

El ligante asfáltico es un material visco-elástico que puede ser caracterizado mediante sus funciones fundamentales, las cuales son en el dominio del tiempo, la flexibilidad en fluencia y el módulo de relajación. Actualmente es posible determinar la curva de la flexibilidad en fluencia de un betún asfáltico utilizando un equipo denominado DSR. Se han realizados estudios previos los cuales sugieren la posibilidad de obtener la flexibilidad en fluencia del material mediante ensayos de indentación. Estos ensayos corresponden a un ensayo de penetración modificado en donde se reemplaza la aguja por una geometría ya sea cilíndrica, esférica o cónica ya que poseen una solución analítica para el problema en cuestión. Debido a que dicha solución analítica asume que se está indentando sobre un medio semi-infinito, es necesario determinar factores de corrección para las dimensiones finitas de las probetas que se ensayan. Se han realizado trabajos teóricos que demuestran que el efecto del tamaño de las probetas y confeccionando curvas de factores de corrección para probetas cilíndricas de asfalto. En este trabajo de investigación se busca comprobar la validez de dichos factores de corrección a través de ensayos reales realizados en laboratorio y haciendo uso de simulaciones de modelos computacionales resueltos por el método de elementos finitos. De los resultados obtenidos se ha comprobado que los factores de corrección basales son bastante aceptables mientras que los factores de corrección laterales son muy inferiores a lo que en realidad ocurre en los ensayos de laboratorio. Por ende, se ha confeccionado una nueva curva para estos factores de corrección laterales utilizando modelos computacionales, logrando resultados bastante similares a los obtenidos en ensayos reales.

Asphaltic binding agent is a visco-elastic material that can be characterized through its main functions, namely, time control, fluency flexibility and relaxation modulus. Currently, it is possible to determine the fluency flexibility curve for asphaltic bitumen using an equipment called DSR. Previous studies have suggested the possibility of obtaining material fluency flexibility from indentation assays. These correspond to modified penetration tests where the needle is replaced by a cylindrical, spherical or conical geometry, because they possess analytical solutions for the problem. Since said solution assume the indentation of a semi-infinite medium, the determination of correction factors for the finite dimensions of the analyzed specimens are needed. Previous theoretical work has shown the effect of sample dimensions and manufacturing curves on the correction factors for asphalt cylindrical specimens. The work herein seeks to check the validity of these correction factors through laboratory tests and computational model simulations solved through finite element method. The obtained results suggest that basal correction factors are acceptable, while lateral correction factors underestimate what is observed in the laboratory tests. Therefore, a new curve was prepared for these correction factors using computational models, achieving similar results to real tests.

154 / III Congreso de Estudiantes de Ingeniería

Vulnerabilidad sísmica de puentes chilenos considerando el efecto de la duración de los registros Seismic vulnerability of Chilean bridges considering length of records Vega A.1, Bazáez R.1 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María.

Vega A.1, Bazáez R.1 1 Departamento de Obras Civiles, Universidad Técnica Federico Santa María.

RESUMEN

ABSTRACT

Es reconocido que los puentes son los elementos más vulnerables de una red vial, por lo que estudiar el desempeño sísmico de estas estructuras es primordial para asegurar la continuidad de conexión entre comunidades, y mantener niveles de servicio óptimos. En los últimos años, terremotos subductivos interplaca, como el del Maule del 2010, han afectado severamente a los puentes chilenos, interrumpiendo la conectividad del país y generando un alto impacto socioeconómico. Este tipo de terremoto subductivo se asocia generalmente a altas magnitudes y largas duraciones de movimiento fuerte. Por tal motivo, es que este estudio pretende cuantificar el efecto de la duración de los registros en los niveles de daño alcanzados por diversos componentes estructurales de un puente chileno. El puente analizado corresponde a una de las tipologías más comunes en Chile, y consiste en un puente esviado de 3 vanos con vigas longitudinales de hormigón presforzado, las cuales están soportadas por placas de apoyo elastoméricas, cepas de hormigón armado y estribos independientes auto-estables. Para llevar a cabo el estudio, se generan modelos no lineales del puente utilizando el software Opensees. Con el objetivo de poder aislar el efecto de la duración de los registros, se utilizan sets de registros de corta y larga duración, escalados de a pares utilizando la técnica de espectros equivalentes. Finalmente, se realizan análisis dinámicos incrementales (IDA) con el objetivo de obtener curvas de fragilidad que permitan cuantificar la influencia de la duración de los registros para diversos estados de daño. El estudio mejorará la comprensión sobre el desempeño sísmico de puentes viales sometidos a registros sísmicos con distintas duraciones. Se espera que los resultados de este documento sean de gran ayuda para los ingenieros de puentes interesados en la evaluación sísmica de puentes viales en regiones propensas a sufrir terremotos de larga duración.

It is accepted that bridges are the most vulnerable elements of a road network; thus, studying their seismic performance is of paramount importance to ensure the continuity of connectivity between communities and to keep optimal service level. In the last years, interplate subductive earthquakes, such as Maule 2010, have severely affected Chilean bridges, interrupting national connectivity with great socio-economic impact.

These types of earthquakes are generally associated to strong movements of large magnitudes and long durations. Therefore, this study aims at quantifying the effect of earthquake length on damage at different structural components of a Chilean bridge.

The analyzed bridge corresponds to one of the three most common typologies in Chile, and consists of a three-span bent bridge with longitudinal pretensed reinforced concrete beams mounted on elastomeric supports, reinforced concrete and auto-stable independent braces. To carry out this study, nonlinear models were generated using the software Opensees. With the aim of isolating the effect of earthquake duration, registry sets of short and long duration were used in pairs using the equivalent spectrum technique. Finally, incremental dynamic analysis (IDA) was performed to obtain fragility curves that allow the quantification of earthquake duration influence on damage. This study will improve our understanding of bridge seismic performance subjected to seismic events of different duration. It is expected that the results herein will be of great help for bridge engineers’ interest on seismic evaluation of road bridges on regions prone to long duration earthquakes.

III Congress of Engineering Students / 155

¿Qué es lo que los start up tecnológicos requieren de los ingenieros?

What do technology startups require from engineers?

Miranda C.1, Goñi I.1, Yovanovic I.1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalurgia y DILAB, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile.

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Miranda C.1, Goñi I.1, Yovanovic I.1 1 Department of Mechanical Engineering and Metallurgy and DILAB, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile.

RESUMEN

ABSTRACT

El espacio de trabajo para los ingenieros se vuelve día a día más versátil. Los start up tecnológicos, por ejemplo, corresponden a una oportunidad para involucrarse más en el negocio como un todo, dejando de lado la burocracia por un ambiente de trabajo más flexible. Considerando esto, las habilidades y rasgos de personalidad que hicieron a los ingenieros exitosos en las carreras profesionales más tradicionales no son las que necesariamente motivarán a un start up para contratarlos.

La hipótesis es que las competencias necesarias no son realmente las que los ingenieros están aprendiendo con sus currículos. Por tanto, realizamos un estudio cualitativo para poder encontrar cuales son las competencias más valoradas por los emprendedores chilenos. Se entrevistaron start up tecnológicos en Chile para descubrir cómo los ingenieros priorizan el valor de cada competencia requerida. Los resultados muestran una gran discrepancia entre lo que es requerido y lo que es enseñado, sugiriendo que la formación en estas competencias para las start up, ya sea formal o informalmente, puede contribuir para mejorar el desempeño de los ingenieros. Es importante destacar la relevancia de esta información que puede alimentar decisiones educacionales en la enseñanza de ingeniería en Chile.

The workspace of an engineer, every day becomes more versatile. Technology startups, for example, provide an opportunity to be more involved the overall business, as well as less bureaucracy and a more flexible work environment.

That said, engineering skills and personality traits that made engineers successful in a more traditional career path, are not necessarily the ones that will entice a startup to hire them. The hypothesis is that the competencies needed are not really being learned in an engineer's curriculum. In order to find out the most valuable startup competencies in Chilean entrepreneurs is that a qualitative study was carried out. Chilean technology startups were interviewed to discover trends in how engineers prioritize the value of every necessary competency. The results showed and important discrepancy between what is required and what is taught, and the belief that the formation of these startup competencies, whether formally or informally, can contribute to a better performance. It is important to highlight the relevance of this information that can feed educational decisions in Chilean engineering education.

La version digital de la revista se encuentra en el portal del programa de InvestigaciĂłn en Pregrado de la Escuela de IngenierĂ­a http:// ipre.investigacion.ing.uc.cl/. Contacto equipo editorial en journali3@ing.puc.cl.