Journal i3 n°8 Ingeniería UC by Ingenieria UC

Journal de Investigaciรณn en Pregrado

Nยบ8

I³

Journal de Investigación en Pregrado

Nº 8 | Junio 2017

Editor Académico / Academic Editor César Sáez Editor Ejecutivo / Executive Editor Jovan Kuzmicic Comité Honorario / Honorary Comitee Claudio Gelmi Esteban Sáez Hernán Santa-María Isabel Hilliger Matías Hube Equipo Editorial / Editorial Board Daniela Cid Enzo Leiva Felipe Castillo Leonardo Rodríguez Paula Llanquileo Soledad Ferrer Valentina Achondo Verónica Morales

Contenidos 02

Editorial

Pasión por la Investigación

Ph.D. en la empresa

Investigación con impacto social

Innovación en sus inicios

Proyectos de la Escuela

En foco

INVESTIGACIONES DE LOS ALUMNOS 44

Modelación de Vigas Reforzadas a Corte con CFRP en ATENA 3D

Diseño y Diagramación / Design and Layout Andrea Saavedra

Microbial Fuel Cells como alternativa para la remediación de drenaje ácido de mina

Traducción / Translation BioPub Ltda. Emilio Schulder

Modelación de la acumulación del material particulado (2,5 µm) en la superficie de musgo -técnica moss bag- aplicado al caso de fundiciones

ING1004 – Desafíos de la Ingeniería: Desarrollo y evolución de un curso cornerstone de diseño en ingeniería.

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.

02 / Editorial

Innovación, propiedad intelectual y globalización, una mirada hacia el futuro Innovation, intellectual property and globalization, a look towards the future

Nuestro país ha incrementado sostenidamente el número de patentes concedidas en la última década. En particular, los sectores químico y mecánico son los más destacados.

The number of patents granted in the last decade has steadily increased in our country. In particular, the chemical and mechanical sectors are the most outstanding, although many other areas have also developed in the same period. Global communications, cooperation treaties, an environment in need

a propiedad intelectual dice relación con toda creación que produce la mente humana. patentes, modelos de utilidad, diseños industriales, variedades vegetales, marcas, nombres de dominios, secretos industriales, libros, artículos, software, obras musicales, mapas, planos, entre otros, y representan elementos de protección cuyos privilegios de explotación obedecen a la creatividad del hombre y la observación de su entorno. Dichos privilegios poseen características bien definidas en cuanto a su territorialidad, temporalidad y a las figuras de los inventores y solicitantes. Las patentes, por ejemplo, representan un privilegio que le es otorgado a los inventores en la forma de un reconocimiento por el esfuerzo material e inmaterial realizado para lograr una solución técnica que le aporte beneficios a la humanidad.

ntellectual property relates to all creations produced by the human mind. Patents, utility models, industrial designs, plant varieties, trademarks, domain names, industrial secrets, books, articles, software, musical works, maps, blueprints, among others, and represents protection elements whose privileges of use arise from man´s creativity and the care of his environment. Said privileges have well defined characteristics in terms of their territoriality, temporary nature and their inventors and applicants. Patents, for example, represent a privilege granted to inventors, in the form of recognition for the material and immaterial effort made to achieve a technical solution that brings benefits to humanity.

Editorial / 03

Aunque muchas otras áreas también se han desarrollado en el mismo periodo. Las comunicaciones globales, los tratados de cooperación, un entorno necesitado de nuevas y mejores oportunidades, y el desarrollo y disponibilidad de nuevos materiales y tecnologías redundará en un avance sostenido de la expresión de la creatividad humana. Se requerirá entonces reforzar todos aquellos elementos que permitan el aprovechamiento de todo este capital intelectual creciente y acumulado, con un enfoque ético que permita la valorización justa y razonable de estas innovaciones y que facilite y catalice su escalamiento y comercialización. Solo una vez salvada esta etapa será posible proyectarnos hacia el futuro con todas las oportunidades que representa nuestra gran geografía, y con toda la humildad y alegría que representa a su gente. Solo nos queda convencernos profundamente que la innovación de base científica y tecnológica constituirá los cimientos para un desarrollo económico y social justo, responsable y sostenible. Estimados lectores, me es muy grato presentarles la 8va edición de nuestra revista I3, Investigación, Interdisciplina e Innovación. Este nuevo ejemplar es el resultado del trabajo dedicado y generoso de profesionales, alumnos y profesores, en un nuevo esfuerzo para seguir mostrando a nuestra comunidad y al mundo el quehacer de nuestros alumnos en investigación interdisciplinaria de pregrado y las actividades de nuestros profesores.

of new and better opportunities and the development and availability of new materials and technologies will result in sustained advance in the expression of human creativity. It will then be necessary to reinforce all those elements that allow the use of all this accumulated and growing intellectual capital, with an ethical approach that allows fair and reasonable valorization of these innovations that facilitates and acts as a catalyst for its escalation and commercialization. Only once this stage is past, will it be possible to project ourselves towards the future with all the opportunities represented by our great geography and with all the humility and joy characteristic of its people. We just have to be convinced that science and technology-based innovation will be the foundations for just, responsible and sustainable economic and social development. Dear readers, I am very pleased to present you with the 8th edition of our I3 Journal, Research, Interdiscipline and Innovation. This new delivery is the result of the dedicated and generous work of professionals, students and teachers, in a new effort to continue showing our community and the world the work of our students in interdisciplinary undergraduate research and the activities of our professors. Enjoy it!

¡Que la disfruten!

César Sáez Editor Académico

04 / Pasión por la Investigación

Entrevista con Ranganatha Sitaram

Si uno es capaz de mantenerse motivado, entonces se vive esta pasión y uno hace las cosas porque encantan Interview with Ranganatha Sitaram

If you are able to keep yourself motivated, then you live this passion and you do things because you love it

“La Interfaz Cerebro-Computadora o Interfaz Cerebro-Máquina es un método para adquirir, procesar y decodificar señales del cerebro en tiempo real, y luego enviar comandos para controlar dispositivos externos.” Es esencialmente, un método científico para leer la mente. ‘Brain-Computer Interface or Brain-Machine Interface is a method to acquire, process and decode brain signals in real time, and send commands to control external devices.’ It is essentially, a scientific method to read the mind.

El profesor del Instituto de Ingeniería Biológica y Médica nos habla de su pasión y motivación por la investigación y su viaje desde la ingeniería aplicada a los nuevos y excitantes campos de la Interfaz Cerebro-Computadora (BCI), Interfaces Cerebro-Máquina, Neurorehabilitación y Neurociencia Cognitiva. Por Jovan Kuzmicic

l Dr. Ranganatha Sitaram, Profesor asociado del Instituto de Ingeniería Biológica y Médica, y del Departamento de Psiquiatría y de la División de Neurociencia de las Escuelas de Ingeniería, Medicina y

The professor of the Institute for Biological and Medical Engineering tells us about his passion and motivation for research, and his journey from applied engineering into the new and exciting fields of Brain-Computer Interface (BCI), Brain-Machine Interfaces, Neurorehabilitation and Cognitive Neuroscience. By Jovan Kuzmicic

ssociate professor at the Institute for Biological and Medical Engineering, and the Department of Psychiatry and the Division of Neuroscience from the Schools of Engineering, Medicine and Biological

Passion for research / 05

Ciencias Biológicas, ha viajado por todo el mundo antes de convertirse en el Director del Laboratorio de Interfaces Cerebro-Máquina y Neuromodulación en nuestra universidad.

Sciences, Dr. Ranganatha Sitaram has travelled all over the world before becoming the Director of the Laboratory for Brain-Machine Interfaces and Neuromodulation in our university.

El Profesor Sitaram estudió Licenciatura en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Mysore en India, obtuvo una maestría en Diseño de Ingeniería en el Colegio de Tecnología de PSG en la India. Más tarde completó un doctorado en neurociencia en la Universidad de Tüebingen en Alemania. Trabajó en Singapur, Alemania y Estados Unidos en diferentes ambientes de laboratorio, en diversas áreas, incluyendo inteligencia artificial, robótica, sistemas inteligentes de transporte, sistemas conscientes y neuroinformática. También fue fundamental en la fundación de una empresa en Singapur.

Professor Sitaram studied Bachelor of Mechanical Engineering at the Mysore University in India, did a Master degree in Engineering Design at the PSG College of Technology in India. Later he completed a Ph.D. in neuroscience at the University of Tüebingen in Germany. He worked in Singapore, Germany and the United States in different laboratory environments, in various fields including artificial intelligence, robotics, intelligent transportation systems, sentient systems and neuroinformatics. He was also instrumental in founding a spin-off company in Singapore.

El Dr. Sitaram se unió a nuestra universidad en 2015 como Profesor Asociado, tras lo cual inició un nuevo Laboratorio en colaboración con el Dr. Sergio Ruiz. Juntos, son pioneros en el campo de las Interfaces Cerebro-Computadoras en Chile, y fundaron uno de los pocos laboratorios en América del Sur para investigar en este tema.

Dr. Sitaram joined our university in 2015 as Associate Professor, after which he started a new Laboratory in collaboration with Dr. Sergio Ruiz. Together, they are pioneers in the field of Brain-Computer Interfaces in Chile, and founded one of the few labs in South America to do research in this topic.

¿Es la investigación una pasión para Ud.? “¡Mucho, lo es mucho! Siempre me he interesado en la investigación y la he conducido en muchos campos. Empece la investigación en ingeniería y ciencias computacionales por muchos años, y constantemente estábamos creando ideas nuevas y, a veces, locas que afortunadamente recibían fondos. Incluso construimos pequeñas computadoras conscientes que podían comunicarse, interactuar y trabajar entre sí; llamamos SmartEdge a esta tecnología, a la que se otorgó 7 patentes en total.”

Is research a passion for you? ‘Very much so! Very much so! I have always been interested in research and have conducted it in many fields. I started research in engineering and computational sciences for many years, and we were constantly coming up with new, and sometimes crazy, ideas that fortunately received funding. We even built small sentient computers that could communicate, interact and work with each other; we called this technology SmartEdge to which was granted 7 patents in all.’

¿Cómo se interesó en su tema de investigación? “Comencé a trabajar en el campo de la inteligencia artificial y la robótica; desarrollamos muchos proyectos e incluso generamos empresas derivadas. Durante este período de innovación en nuevas formas de integrar la inteligencia en computadoras y dispositivos, comencé a profundizar en la literatura sobre psicología, neurociencia e interfaces cerebro-computadora. Me interesé tanto en el cerebro humano que decidí iniciar un grupo de investigación llamado Neuroinformática, el que por primera vez en Singapur comenzó a aplicar el procesamiento de señales y algoritmos computacionales a las señales cerebrales. Publicamos estos estudios y nos pusimos en contacto con investigadores

How did you become interested in your research topic? ‘I started working in the field of artificial intelligence and robotics; we developed many projects and even spun off companies. During this period of innovation in new ways of embedding intelligence into computers and devices, I started delving deeper into the literature on psychology, neuroscience and brain-computer interfaces. I became so interested in the human brain that I decided to start a research group called Neuroinformatics, which for the first time in Singapore started applying signal processing and computational algorithms on brain signals. We published on these studies, and got in touch with researchers in the field

06 / Pasión por la Investigación

Dr. Ranganatha Sitaram, profesor asociado en las Escuelas de Ingeniería, Medicina y Ciencias Biológicas. Dr. Ranganatha Sitaram, associate professor at the Schools of Engineering, Medicine and Biological Sciences.

en el campo para organizar un simposio sobre este tema en Singapur. Invitamos a los pioneros en el campo a dar charlas, incluyendo al muy famoso Prof. Niels Birbaumer de la Universidad de Tüebingen, quien iba a convertirse en mi futuro profesor guía de doctorado más tarde en Alemania.” ¿Cómo logró pasar de la ingeniería a la neurociencia? “Después de la conferencia, fui a Alemania, a la Universidad de Tüebingen, para dar una charla, invitado por Niels Birbaumer, y me enamoré del ambiente allí; así, decidí que era hora de hacer un cambio. Vendimos nuestro departamento en Singapur, nos mudamos a Alemania para seguir mi pasión y volví a ser estudiante, para hacer un doctorado en neurociencia. En ese momento, nuestros dos hijos eran muy pequeños, y vivir como estudiante de nuevo hizo que mi familia y yo volviéramos a cosas básicas; era bastante difícil vivir así inicialmente, pero fue bueno para nosotros en el largo plazo.” ¿Por qué eligió a Chile para continuar su carrera?? “Se produjo debido a circunstancias de azar en los últimos años. Me convertí en el profesor guía de doctorado del Dr. Sergio Ruiz, un psiquiatra que fue a Tüebingen para su investigación doctoral sobre la esquizofrenia utilizando las

to organize a symposium in Singapore. We invited pioneers in the field to give talks, including the very famous Prof. Niels Birbaumer from the University of Tüebingen, who was going to become my future Ph.D. advisor later in Germany.’ How did you manage to move from engineering to neuroscience? ‘After the conference, I went to Germany, to the University of Tüebingen, to give a talk on Niels Birbaumer’s invitation, and fell in love with the environment there; thus, I decided it was time for a change. We, sold our apartment in Singapore, moved to Germany to follow my passion and started being a student again, to do a Ph.D. in neuroscience. At that time, our two children were very small, and living as a student again made me and my family go back to basic things; it was quite hard to live like that initially but was good for us in the long-term.’ Why did you choose Chile to continue your career? ‘It came about due to chance circumstances over the last few years. I became the Ph.D. advisor of Dr. Sergio Ruiz, a psychiatrist who went to Tüebingen for his doctoral research on Schizophrenia using BrainComputer Interfaces. After he completed his

Passion for research / 07

Interfases Cerebro-Computadora. Después de completar su trabajo, regresó a esta universidad [UC] para convertirse en miembro de la facultad y continuamos nuestras colaboraciones de investigación a través de muchos proyectos. Viajé constantemente a Chile para establecer experimentos y equipo experimental; así es como llegué a conocer Chile. Me gustó el vino, los paisajes y su gente. Afortunadamente, en 2014 se abrió un llamado a concurso para profesor, por lo que fue una gran oportunidad para iniciar un centro de investigación para Interfaces CerebroMáquina y Neuromodulación. Me mudé con mi familia aquí en septiembre de 2015 y me uní a nuestra Universidad. Aquí, hemos iniciado un laboratorio agradable y progresivamente creciente con Sergio Ruiz. Ahora tenemos dos estudiantes de posdoctorado, un par de estudiantes de doctorado y un grupo de colaboradores nacionales e internacionales que trabajan principalmente en el área de neurociencia. Los fondos son difíciles de conseguir, pero hemos tenido éxito con dos FONDECYT y muchos otros concursos más pequeños.” ¿Puede contarnos acerca de la interfaz cerebro-computadora (BCI) o interfaz cerebro-máquina (BMI)? “Los nombres se usan indistintamente cuando se refieren principalmente a estudios en seres humanos, y las interfaces cerebro-máquina cuando se refieren a la investigación en animales. Esencialmente, se registran señales del cerebro, luego se procesan y después se aplican algoritmos para el reconocimiento de patrones y de aprendizaje de máquinas para decodificar la función cerebral de las señales registradas. Para ello, se pueden aplicar diferentes tipos de análisis estadísticos y algoritmos computacionales para decodificar esta señal. La función asociada a la señal varía dependiendo de la región del cerebro que se esté registrando, porque el cerebro tiene áreas específicas y conexiones funcionales para diferentes tareas. De esta manera, podemos predecir si el sujeto quiere mover un brazo, levantarse o hablar. Hace unos años, esto no era posible, pero el campo ha avanzado rápidamente y se han desarrollado nuevos algoritmos para realizar una decodificación altamente certera de la función cerebral.” ¿Qué aplicaciones tiene BCI? “Nosotros y otros laboratorios aplicamos esto constantemente a seres humanos; de hecho, hemos desarrollado una serie de herramientas para su uso con seres humanos. Lo que hacemos es decodificar pensamientos, luego usar esa

work, he returned to this university [UC] to become a faculty member and we continued our research collaborations through many projects. I traveled constantly to Chile to set experimental experiments and equipment; that is how I got to know Chile. I liked the wine, the landscape and its people. Fortunately, in 2014 a professorship opened here, so it was a great opportunity to start a research center for Brain-Machine Interface and Neuromodulation. I moved with my family here in September 2015 and joined our University. Here, we have a started a nice and gradually growing laboratory with Sergio Ruiz. We now have two postdocs, a couple Ph.D. students and a group of national and international collaborators that work mostly in the area of neuroscience. Funds are difficult to come by but we have been successful with two FONDECYTs and many other smaller grants.’ Can you tell us about brain-computer interface (BCI) or brain-machine interface (BMI)? ‘The names are used interchangeably when referring mostly to human studies, and brain-machine interfaces when referring to animal research. Essentially, you acquire signals from the brain and then you do signal processing, apply pattern recognition and machine-learning algorithms in order to decode brain function from brain signals. For this, you can apply different types of statistical analyses and computational algorithms to decode this signal. The function associated to the signal varies depending with the region of the brain you are mapping, because the brain has specific areas and functional connections for different tasks. In this way, we can predict whether the subject wants to move an arm, stand up or speak. A few years ago, this was not possible but the field has advanced rapidly and new algorithms were developed to perform highly accurate decoding of brain function.’ What applications does BCI have? ‘We and other labs apply this in humans constantly; in fact, we have developed a number of toolboxes for human application. What we do is to decode thoughts, then use that information to activate a device or computer. We can describe the whole process as “turning thoughts into action”. For

08 / Pasión por la Investigación

información para activar un dispositivo o una computadora. Podemos describir todo el proceso como ‘convertir los pensamientos en acción.’ Por ejemplo, en pacientes con parálisis motora que quieren hablar o moverse, pero no pueden, podemos decodificar sus señales cerebrales y transferirlas a una computadora o dispositivo que sintetiza el habla, permitiendo a los pacientes comunicarse; pero también podemos decodificar emociones y lenguaje en pacientes con trastornos emocionales o psiquiátricos.” Dr. Sitaram agrega, “Con estos sistemas, en última instancia se puede complementar o incluso mejorar las funciones cerebrales, como las capacidades cognitivas, la memoria, la atención o la percepción. Para hacer esto se necesita entender cómo funciona el cerebro desde la perspectiva de la neurociencia, y luego aplicar métodos computacionales y enfoques de ingeniería.” ¿Cómo funciona el BCI? “La forma en que estudiamos esto permite trabajar con pacientes saludables, porque nuestro sistema no es invasivo. Capacitamos a los pacientes a través de refuerzos para el aprendizaje y luego los sometemos a diferentes tipos de tareas cognitivas y emocionales. De esta manera, podemos estudiar el comportamiento o incluso la conciencia. Estos sistemas de trabajo funcionan mediante el registro de un EEG (electroencefalograma); entonces una computadora recoge y analiza los datos en tiempo real para coordinar y activar diferentes tipos de actuadores. Hay equipos más sofisticados que permiten registrar la actividad cerebral durante el movimiento. Incluso se puede andar en bicicleta con ellos.” ¿Cuáles son sus líneas principales de investigación actual? “Hemos estado trabajando en muchos proyectos y líneas de investigación. Actualmente estamos estudiando la rehabilitación en casos de accidentes cerebrovasculares y la recuperación del movimiento mediante la neuromodulación, usando BCIs. También hemos trabajado con pacientes con ELA (esclerosis lateral amiotrófica) para ayudarles a moverse y comunicarse, ya que su enfermedad los mantiene atrapados en sus cuerpos. Otra área en la que trabajo junto con Sergio Ruiz es la autorregulación del cerebro emocional en pacientes con esquizofrenia. El campo de los BMI y su uso en neuromodulación es nuevo, pero nuevos resultados prometedores pueden conducir a terapias no invasivas en un futuro próximo. También nos adjudicamos otro

example, in patients with motor paralysis who want to speak or move–but cannot–, we can decode their brain signals and transfer them to a computer or device that synthesizes speech, allowing the patients to communicate, but we can also decode emotions and language in patients with emotional or psychiatric disorders.’ Dr. Sitaram adds, ‘With these systems, you can ultimately supplement or even improve brain functions like cognitive abilities, memory, attention or perception. To do this you need to understand how the brain functions from the neuroscience perspective, and then apply computational methods and engineering approaches.’ How does a BCI work? ‘The way we study this allows working with healthy patients, because our system is noninvasive. We train patients through reinforcement learning, and then we subject them to different types of cognitive and emotional tasks. In this way, we can study behavior or even consciousness. These systems work by using an EEG (electroencephalogram) recording; then, a computer collects and analyzes the data in real time to coordinate and activate different types of actuators. There are more sophisticated equipment that allows recording brain activity while moving. You can even ride a bike with them.’ What are your principal lines of current research? ‘We have been working on many projects and lines of research. Currently we are looking at stroke rehabilitation and recovery of movement by neuromodulation using BCIs. We have also worked with ALS (amyotrophic lateral sclerosis) patients to help them move and communicate, since their disease traps them in their bodies. Another area I work together with Sergio Ruiz is the self-regulation of the emotional brain in patients with schizophrenia. The field of BMIs and its use in neuromodualtion is new, but promising new results may lead to noninvasive therapies in the near future. We also received another FONDECYT grant for applying this approach to treat chronic depression.’ How do you think BCI will develop in the future and what role can Chile have in this? ‘I think the field is very much in its young days here, and this is certainly the first lab that does BCI research in Chile (…) and one of the

Passion for research / 09

Dr. Mohit Rana, un postdoc del laboratorio, preparando a un sujeto para la conexión a una Interfaz Cerebro-Computadora. Dr. Mohit Rana, a postdoc in the laboratory, preparing a subject for connection to a Brain-Computer Interface.

proyecto FONDECYT para aplicar este enfoque en el tratamiento de la depresión crónica.” ¿Cómo cree que BCI se desarrollará en el futuro y qué papel puede tener Chile en esto? “Creo que el campo está en su infancia aquí, y este es sin duda el primer laboratorio que efectúa investigación en BCI en Chile (…) y uno de los pocos, o incluso el único, en América del Sur, que aplica esta tecnología para estudiar las funciones cognitivas superiores y los trastornos psiquiátricos en los seres humanos.” En cuanto al papel de Chile en esta investigación, el profesor Sitaram dice: “Muchas de las aplicaciones que estamos estudiando son importantes para Chile; una es la depresión. Chile tiene el mayor índice de depresión en América del Sur. La otra es la adicción a la nicotina; todo el campo de investigación sobre el abuso de sustancias aún está abierto para nosotros. Esperamos ayudar a los fumadores con sus compulsiones, reduciendo la actividad cerebral en una región específica denominada la ínsula, en un proyecto colaborativo dirigido por el Dr. Mohit Rana, uno de nuestros estudiantes de posdoctorado, con la Clínica Alemana. Hay otras áreas también, como el campo del trastorno de hiperactividad con déficit

few, or even the only one, in South America that applies this technology to study higher cognitive functions and psychiatric disorders in humans.’ Regarding the role of Chile in this research, Professor Sitaram says, ‘Many of the applications we are studying are important for Chile, one is depression; Chile has the highest incidence of depression in South America. The other one is nicotine addiction; the whole field of research regarding substance abuse is still open to us. We hope to help heavy smokers with their cravings by reducing brain activity in a specific region called the insula, in a collaborative project conducted by Dr. Mohit Rana, a postdoc in our lab with Clínica Alemana. There are other areas too, as the field of attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) where BCI, in the form of neuro-feedback, has seen success in 6-7 randomized clinical trials with positive results in children.’ Professor Sitaram mentions that his group is working with this approach, which could be potentially used to treat and rehabilitate neuropsychiatry patients (such as depression. Additionally, he mentions, ‘stroke rehabilitation is another of the major research fields currently being studied by one of the postdocs of our laboratory.’

10 / Pasión por la Investigación

La tecnología utilizada en el laboratorio captura las señales de actividad cerebral registrando cambios en el contenido sanguíneo de oxígeno mediante luz infrarroja. The technology used at the laboratory acquires brain activity signals by measuring changes in blood oxygen content using infrared light.

de atención (THDA), donde BCI, bajo la forma de la neuroretroalimentación, ha visto éxito en 6-7 ensayos clínicos aleatorios, con resultados positivos en niños.” El profesor Sitaram menciona que su grupo está trabajando en este enfoque, que podría usarse potencialmente para tratar y rehabilitar a pacientes neuropsiquiátricos (como la depresión), y menciona que “La rehabilitación de los accidentes cerebrovasculares es otro de los principales campos de investigación en la actualidad, estudiado por uno de los posdoctorados de nuestro laboratorio.” ¿Tiene algún consejo para los estudiantes interesados en BCI? “Creo que tener pasión e interés son las cosas más importantes, el resto viene sólo. Si no se sabe mucho acerca de un tema específico, se puede aprender sobre ello si se tiene el interés y la motivación para crear o descubrir algo nuevo. Si se tiene la pasión por hacer investigación, también significa que se ha leído sobre el tema de su interés. Yo le diría a cualquiera que quiera trabajar en este campo que pensara en forma amplia y que se involucrara con personas que compartan su motivación. Este campo es muy multidisciplinario y además de pensar como ingeniero, se necesita la curiosidad de un científico, para interesarse en cómo funcionan las cosas.”

Do you have any advice for the students interested in BCI? ‘I think that having passion and interest are the most important things, the rest just comes along. If you do not know much about a specific topic, you can learn about it if you have the interest and motivation to create or discover something new. If you have the passion to do research, it also means that you have read about the topic of your interest. I would say to anyone that wants to work in this field to think widely and to involve himself with people that share your motivation. This field is very multidisciplinary and in addition to thinking as an engineer, you need the curiosity of a scientist, to become interested in how things work.’ Regarding the courses and classes the students should take, Dr. Sitaram states, ‘A solid background in mathematical and logic way of thinking, good programming skills and signal processing knowledge is needed. The other part is that you should be open to learning and enquiring about biology and derive inspiration from it because some of the most astonishing systems in the world are of biological origin, such as the brain.’ Additionally, Professor Sitaram leaves the invitation open for students join his lab to do research with him and his group. The only requirement is a passion for science, engineering and neurobiology.

Passion for research / 11

En cuanto a los cursos y las clases que los estudiantes deben tomar, el Dr. Sitaram afirma: “Se necesita una base sólida en pensamiento matemático y lógico, buenas habilidades de programación y conocimiento en procesamiento de señales. La otra parte es que se debe estar abierto a aprender y preguntar acerca de biología y obtener inspiración de esta disciplina, porque algunos de los sistemas más sorprendentes en el mundo son de origen biológico, como el cerebro.” Además, el Profesor Sitaram deja la invitación abierta para que los estudiantes se unan a su laboratorio para hacer investigación con él y su grupo. El único requisito es pasión por la ciencia, la ingeniería y la neurobiología. Para los estudiantes que quieran dedicarse a la investigación como una opción de carrera, el Dr. Sitaram añade, “Más allá de todo esto que he mencionado, se tiene que ser capaz de mantener una cierta motivación e interés durante períodos prolongados, debido a que la carrera académica es larga. Pero si se es capaz de mantenerse motivado, entonces se vive esta pasión y se hacen cosas porque encantan, se piensa en ello día y noche, y se disfruta. No se hacen las cosas porque se tengan que hacer, sino porque satisfacen.” ¿Tiene un consejo o comentario general para los estudiantes? “Creo que mantener viva la pasión por lo que se hace, ya sea ciencia o algo más, es lo más importante. Conseguir un trabajo para pagar las cuentas o apoyar a la familia es muy importante, pero no dejen que eso les impida encender y mantener la llama de interés ardiendo en sus actividades de ingeniería y ciencia, y extender sus intereses a otros campos también.” El Dr. Sitaram agrega, “Estar en un campo específico es importante porque esa es la manera de hacer contribuciones importantes, pero se necesita permanecer el tiempo suficiente. Sin embargo, si se permanece en el mismo grupo durante demasiado tiempo, entonces las ideas se estancan. Por lo tanto, mi mensaje sería tener profundidad en un campo para contribuir, pero ser lo suficientemente amplio e inspirarse en otros campos también, mediante la lectura y la discusión, y participar en otras áreas todo el tiempo. No hay que tener miedo de moverse.”

For students that want to pursue research as a career option, Dr. Sitaram adds, ‘Beyond all this I have mentioned, you have to be able to maintain a certain motivation and interest for prolonged periods because the research path is long. But if you are able to keep yourself motivated, then you live this passion and you do things because you love it, you think about it day and night, and you enjoy it. You do not do things because you have to, but because it fulfills you.’ Do you have a general advice or comment for students? ‘I think that keeping your passion alive for what you do, either science or something else is the most important. Getting a job to pay your bills or support your family is very important too, but do not let that prevent you from kindling and keeping the flame of interest burning in your engineering and science activities, and to spread interests to other fields too’. Dr. Sitaram adds, ‘Being in a particular field is important because that is the way to make important contributions, but you need to stay long enough. However, if you stay in the same group for too long, then your ideas become stagnant. So, my message would be to have depth in a field to contribute, but be broad enough and take inspiration from other fields too, by reading and discussing, and become involved in other areas all the time. Do not fear to move around.’

12 / Ph.D. en la empresa

Entrevista a Marcial Peña y Lillo

La formación, experiencia y habilidades blandas, son los 3 pilares básicos para el desarrollo profesional y liderazgo Interview with Marcial Peña y Lillo

Training, experience and soft skills are the 3 basic pillars for professional development and leadership

“Para mí los pilares que te preparan para el desarrollo profesional van en tres dimensiones: la formación, la experiencia y tus habilidades blandas.” ‘For me the pillars that prepare you for professional development lie in three dimensions: training, experience and your soft skills.’

El grado no te garantiza una posición, pero si te puede ayudar a complementar tus habilidades y deseos. En esta entrevista, Marcial nos comenta su recorrido por el mundo científico y empresarial y como tu formación, experiencia y motivación pueden ser un importante motor para el desarrollo profesional.

Por Verónica E. Morales C.

a vertiginosa expansión y crecimiento del mundo empresarial en los últimos años, ha obligado a las empresas a buscar líderes con aptitudes y formación específicas, que ayuden a potenciar su misión y visión. Esta fue nuestra motivación para entrevistar a Marcial

A degree does not guarantee you a position, but it can help you complement your skills and desires. In this interview, Marcial tells us about his journey through the scientific and business world and how training, experience and motivation can be an important driver for professional development. By Verónica E. Morales C.

he giddy expansion and growth of the business world in recent years, has forced companies to look for leaders with specific skills and training, who will help enhance their mission and vision. This was our motivation to interview Marcial Peña

Ph.D. in the industry / 13

Peña y Lillo, Ingeniero Civil Industrial UC, magíster y doble Ph.D. del Institut Nationale Agronomique Paris Grignon (Francia) y de la Pontificia Universidad Católica de Chile. Marcial trabajó durante 9 años en Unilever UK (Inglaterra) como director de ciencia y tecnología, como global portfolio Manager de la categoría bebidas y, desde el 2011, se encuentra en Nestlé Chile donde se ha desempeñado como Wellness Manager y actualmente se desempeña en ventas corporativas. Marcial nos cuenta su testimonio de como un Ph.D. también puede incursionar en el mundo del liderazgo empresarial, aportando a la sociedad desde un rol más práctico y conectado a los desafíos de la industria.

y Lillo, UC Industrial Civil Engineer, master and double Ph.D. at the Institut Nationale Agronomique Paris Grignon (France) and the Pontificia Universidad Católica de Chile. Marcial worked for 9 years at Unilever UK (England) as director of science and technology, as global portfolio Manager of the beverages category and, since 2011, is with Nestlé Chile where he has been a Wellness Manager and currently works in corporate sales. Marcial tells us his testimony of how a Ph.D. can also participate in the world of business leadership, contributing to society from a more practical role, one that is connected to the challenges of industry.

¿Cómo comenzó tu experiencia en liderazgo? “Para mí el liderazgo tiene que ver con ser capaz de tomar una dirección y enfocar las acciones personales y del equipo para alcanzar los objetivos.”

How did your leadership experience begin? ‘For me, leadership has to do with being able to adopt a direction and focus on personal and team actions in order to achieve goals.’

“Durante mi Ph.D. me enfrenté al desafío de encontrar la dirección que permitiera aportar nuevos conocimientos en el área de la calidad sensorial y aromática de bebidas. Tuve diversas experiencias de dirigir otros alumnos y profesionales tanto en Chile como en Francia. Pero en el 2004, cuando entré a trabajar en Unilever UK, es cuando me hice cargo de un grupo de manera más formal y permanente. Este era un grupo de investigación encargado de mejorar la calidad sensorial de los productos Lipton a nivel global. Otra experiencia gratificante fue dirigir un grupo en el área de innovación, incluyendo gente de marketing, finanzas y área técnica. Después, de vuelta en Chile, en Nestlé estuve a cargo de potenciar la misión de la empresa: Nutrición, Salud y Bienestar, un área multidisciplinaria. Entré como Wellness Manager, dirigiendo el área que vela por la calidad nutricional de los productos de la empresa, tanto en la parte técnica como en su comunicación.” ¿Qué cualidades crees que te ayudaron en esta transición multidisciplinaria? “Lo central ha sido mi motivación para tomar desafíos distintos. Esto se tradujo en una formación mixta en el área de ingeniería industrial y en el área científica. Y luego en mi experiencia profesional, me ha permitido aprender y desarrollar habilidades en distintas áreas incluyendo la innovación, nutrición, y área comercial. Me apasiona generar conexiones entre distintas áreas y trato de enfrentar los desafíos desde un punto de vista multidiscplinario.”

‘During my Ph.D. I faced the challenge of finding the direction that would allow me to contribute new knowledge in the area of sensory and aromatic quality of drinks. I had several experiences directing other students and professionals, both in Chile and in France. But it was in 2004, when I joined Unilever UK, when I took over a group in a more formal and permanent way. This was a research group in charge of improving the sensory quality of Lipton products at a global level. Another rewarding experience was directing a group in the innovation area, including people from marketing, finance and the technical area. Then, back in Chile, at Nestlé, I was in charge of promoting the mission of the company: Nutrition, Health and Welfare, a multidisciplinary area. I joined as Wellness Manager, directing the area that watches over the nutritional quality of the company’s products, both in the technical part as well as in its communication.’ What skills do you think helped you in this multidisciplinary transition? ‘What has been central is my motivation to take on different challenges. This resulted in mixed training in the area of industrial engineering and in the scientific area. And then in my professional experience, they have allowed me to learn and develop skills in different areas including innovation, nutrition, and the commercial areas. I am passionate about generating connections between different areas and I try to face the challenges from a multidisciplinary point of view.’

14 / Ph.D. en la empresa

Marcial Peña y Lillo, Ingeniero Civil Industrial UC, magíster y doble Ph.D. (UC y Francia), actual Wellness Unit Manager de Nestlé Chile. Marcial Peña y Lillo, UC Civil Industrial Engineer, Master and double Ph.D. (UC and France), currently Wellness Unit Manager at Nestlé Chile.

Entonces ¿tu formación como Ph.D. te ayudó a enfrentar desafíos en alta gerencia? “Para mí los pilares que te preparan para el desarrollo profesional van en tres dimensiones: la formación, obviamente, la experiencia, y tus habilidades blandas. El doctorado me ayudó a desarrollar curiosidad, a meterme en áreas diferentes a las que inicialmente manejaba y a desarrollar el sentido de aprender constantemente. Con el interesante desafío de lograr comprender hasta el nivel en que uno pueda aportar al desarrollo del conocimiento en esa área. En este sentido me ayudo a desarrollar la búsqueda de la excelencia.” En cuanto a la experiencia en la industria, Marcial señala, “Mi primer cargo estuvo directamente relacionado a mi área de Ph.D., lo que me facilitó la entrada. Sin embargo, continué tomando desafíos distintos que me permitieron ir expandiendo mis horizontes. Tanto formación, como experiencia laboral van acompañadas en gran manera por las habilidades blandas. Creo que éstas se escriben y se desafían diariamente. Se reflejan en el hambre por lograr los objetivos, el buscar el beneficio de los equipos por sobre el individual, entre otras cosas. Todas estas son virtudes que he intentado no olvidar en mis distintas experiencias profesionales.” ¿Cuánto aportó la visión de interdisciplina para tu cargo? “En mi caso, la mirada multidisciplinaria es algo que me ha movido en toda mi carrera, y es el enfoque con que me enfrento a los desafíos. Esto tiene que ver con preferencias personales

Then your training as Ph.D. helped you face challenges in top management? ‘For me the pillars that prepare you for professional development lie in three dimensions: training obviously, experience and soft skills. The doctorate helped me develop curiosity, get into different areas than those I initially handled and develop a sense of constant learning. With the interesting challenge of understanding the level in which one can contribute to the development of knowledge in that area. In this sense, it helped me develop the quest for excellence.’ As for experience in the industry, Marcial points out, ‘My first position was directly related to my Ph.D. area, which facilitated my entry. However, I continued taking on different challenges that allowed me to expand my horizons. Both training and work experience are largely accompanied by soft skills. I think these are written and challenged daily. They are reflected in the hunger to achieve objectives, seek the benefit of the team over that of the individual, among other things. All these are virtues that I have tried not to forget in my different professional experiences.’ How much did the interdisciplinary vision contribute to your position? ‘In my case, the multidisciplinary view is something that has moved me throughout my career, and it is the approach I use to face challenges. This has to do with personal preferences and not with a recipe that works for all people. For me, one of the interest and learning motors in everything I do is

Ph.D. in the industry / 15

y no con una receta que funcione para toda la gente. Para mí uno de los motores de interés y aprendizaje en todo lo que hago, es entender cómo se unen distintas disciplinas. Un proceso interesante que viví, es que a medida que fui teniendo más y distintas experiencias, me di cuenta que la definición de interdisciplina se fue expandiendo. En un principio en mi carrera conocí la interdisciplina entre distintas especialidades científicas. Pero luego vi cómo se ampliaba frente a desafíos de la industria como la innovación, con áreas de comunicación, marketing, finanzas y en general con las áreas comerciales.” En Chile se suele pensar que un Ph.D. debe enfocarse principalmente a actividades de investigación o a la academia ¿qué piensas al respecto? “No creo que deba haber un estigma respecto a esto, pero tampoco se puede eliminar la historia. La mayoría de la gente que ha hecho un Ph.D. en Chile se mantiene en la Academia, parte por motivación personal, parte por falta de oportunidades en la industria. Pero esto no tiene por qué mantenerse igual. Como mencionaba anteriormente, pienso que en cualquier desafío profesional o personal el factor decisivo son las habilidades blandas de la persona y las ganas de querer hacer algo. Por eso es que un Ph.D. puede aportar mucho en la industria, en el emprendimiento o en el área académica según la preferencia de la persona. Uno tiene que hacer las cosas por convencimiento de lo que quiere aportar. Yo sentía que mi aporte podía ser mayor desde la industria que desde la Academia, y he podido aportar en distintos escenarios, desde la nutrición hasta el área comercial.” ¿Qué piensas del papel de la investigación en la innovación? “La innovación puede impulsarse desde distintos ámbitos, desde el conocimiento o desde el emprendimiento. Lo que no se puede comprometer es la velocidad ni la efectividad del producto o solución final. Para que haya innovación se debe poder entregar un nuevo beneficio al consumidor, con una solución exitosa a nivel comercial. Un gran invento que no se traduce en este éxito, simplemente muere y no es una verdadera innovación. Por eso, si se pretende hacer innovación sólo con el conocimiento a una velocidad más lenta que la que se mueve el mundo, el éxito se vuelve muy difícil. Para llevar la investigación a la verdadera innovación se necesita entregar soluciones de negocio. Creo que este es el gran

to understand how different disciplines come together. An interesting process that I experienced, is that as I was having more and different experiences, I realized that the interdisciplinary definition was expanding. At first in my career, I met interdisciplinary situations between different scientific specialties. But then I saw how it expanded in the face of industry challenges such as innovation, with areas of communication, marketing, finance and in general with the commercial areas.’ In Chile, it is often thought that a Ph.D. should be focused primarily on research activities or academia; what do you think about that? ‘I do not think there should be a stigma about this, but neither can history be forgotten. Most people who have obtained a Ph.D. in Chile, remain in the Academy, partly because of personal motivation, partly because of lack of opportunities in the industry. But this does not have to stay the same. As I mentioned before, I think that in any personal or professional challenge, the decisive factor are the soft skills of a person and the desire to do something. That is why a Ph.D. can contribute a lot in industry, in entrepreneurship or in the academic area, in accordance with a person’s preferences. One has to do things by being sure what it is he wants to contribute. I felt that my contribution could be greater from the industry than from the Academy, and I have been able to contribute in different scenarios, from nutrition to the commercial area.’ What do you think of the role of research in innovation? ‘Innovation can be driven from different fields, from knowledge or from entrepreneurship. What cannot be compromised is speed or effectiveness of the product or final solution. For innovation to exist, a new benefit with a successful solution, at the commercial level, must be provided to the consumer. A great invention that does not translate into this success, simply dies and is not a true innovation. That is why, if innovation is sought only with knowledge at a slower speed than that in which the world moves, success becomes very difficult. In order to bring research to true innovation business solutions need to be delivered. I believe that this is the great step, the challenge we have, in a country where there are still significant deficiencies,

16 / Ph.D. en la empresa

paso, el desafío que tenemos, en un país, donde todavía existen deficiencias significativas para considerarnos un país desarrollado, sobretodo en el área de manufactura. Me parece que la UC ya empezó hace rato a orientarse no solo a la generación de conocimiento, sino que también a fomentar el emprendimiento y las soluciones para el mercado. Me parece enormemente valioso.” ¿Cuál es tu recomendación para los alumnos de Ph.D. que desean en algún momento incursionar en actividades de gerencia o liderazgo? “Que lo hagan. Y que se preparen para ello, tanto a través de capacitación, como en experiencias que les permitan desarrollar sus habilidades de liderazgo. Planificar los roles que te permitan ir tomando nuevos desafíos y experiencias es muy importante. A medida que incursioné en distintas áreas de la industria, me ayudó la base que me entregó Ingeniería, pero el conocimiento más importante lo obtuve haciendo.” “La gente que quiere ampliar sus horizontes, en cualquier tipo de carrera, tiene que buscar oportunidades para tener nuevas experiencias y poder desafiarse. Es la esencia del aprendizaje.” Un último mensaje que desees dejar a la comunidad UC. “A mí me ha impresionado, y me ha da mucho gusto ver cómo se está desarrollando la UC específicamente en el área de ingeniería. Me refiero a la modernización del currículo (majors y minors), y a la mirada multidisciplinaria. Con el talento de los alumnos y experiencia de los profesores, ojalá potencien aún más el enfoque al emprendimiento y la innovación. Creo que podrían marcar la diferencia en el desafío de traer soluciones y oportunidades al mercado/ industria nacional. Creo que pueden jugar un rol importante a nivel país.”

in order to consider ourselves a developed country, especially in the manufacturing area. It seems to me that the UC already began a long time ago to orient itself not only to the generation of knowledge, but also to foster entrepreneurship and solutions for the market. I find it enormously valuable.’ What is your recommendation for Ph.D. students who wish at some point to enter into management or leadership activities? ‘To do it; and to prepare for it, both through training as well as experiences that enable them to develop their leadership skills. Planning roles that allow you to take on new challenges and experiences is very important. As I entered different areas of industry, the foundation provided by Engineering helped me, but the most important knowledge I got was from doing.’ ‘People who want to broaden their horizons, in any type of career, have to look for opportunities in order to have new experiences and be challenged. It is the essence of learning.’ One last message you want to leave to the UC community. ‘I am impressed and very pleased to see how the UC is developing, specifically in the engineering area. I am referring to the curriculum modernization (majors and minors), and to the multidisciplinary view. With the students’ talents and the experience of the teachers, they will hopefully leverage even more the focus on entrepreneurship and innovation. I think they could make the difference in the challenge of bringing solutions and opportunities to the domestic market/industry. I think they can play an important role in our nation.’

Investigación con impacto social / 17

Investigación social impulsada desde la Dirección de Responsabilidad Social de Ingeniería UC Social research driven by the Social Responsibility Office of the School of Engineering

El programa BalloonU está especialmente diseñado para apoyar el desarrollo universitario de emprendimiento e innovación social, con investigaciones novedosas, en comunidades rurales de Chile. The BalloonU program is specially designed to support university development of entrepreneurship and social innovation, with novel research, in rural communities in Chile.

El año 2016 fue un año importante para el desarrollo de grandes proyectos con impacto real en nuestra sociedad impulsados por la Escuela de Ingeniería. En estas iniciativas participaron desde alumnos tesistas hasta la Dirección de Responsabilidad Social. Los proyectos más destacados incluyen estudios sobre la inversión de impacto social y su desarrollo en Chile, la primera “Medición de Accesibilidad Universal en Transporte Público” para personas con discapacidad y el primer programa BalloonU. Por Valentina Achondo

a Escuela de Ingeniería de la Universidad Católica es la única facultad que cuenta con una Dirección de Responsabilidad Social. Esta dirección se preocupa de formar a los Ingenieros como

The year 2016 was an important year for the development of large projects with real impact in our society, driven by the School of Engineering. Thesis students and the Social Responsibility Office participated in these initiatives. The most outstanding projects include studies on social impact investment and its development in Chile, the first ‘Universal Accessibility Public Transport Measurement’ for handicapped people and the first BalloonU program. By Valentina Achondo

he School of Engineering of the Catholic University is the only faculty with a Social Responsibility Office, which is concerned with training Engineers as agents of change that

18 / Investigación con impacto social

agentes de cambio que aporten, ahora y en el futuro, a las problemáticas del país.

contribute, now and in the future, to the country’s problems.

Desde esta dirección, nace la Subdirección de Emprendimiento Social, la cual busca que los alumnos se interesen en crear proyectos que solucionen problemáticas sociales. Desde esta área se promueve, entre varias cosas, la investigación social en temas que tienen una repercusión en la sociedad y permiten proponer soluciones para disminuir índices de pobreza y desigualdad, entre otros. En este artículo contaremos sobre tres experiencias que se realizaron el año 2016, donde alumnos de nuestra Escuela han aportado al país gracias a su trabajo.

From this Office, the Social Entrepreneurship Division is born, which aims to involve and engage in the creation of projects that solve social problems. This area promotes social research on issues that have an impact on society and allow the proposal of solutions aimed to reduce poverty and inequality, among other things. In this article, we will present three experiences that took place in 2016, in which students from our School have contributed to the country through their work.

El primer caso es Omar Seguel, ex alumno de la Escuela de Ingeniería UC, doble título con el Politecnico di Milano, quien presentó a final del 2016 su tesis llamada: “Impedimentos y desafíos para la inversión de impacto en países en desarrollo: Evidencia desde Chile” (Impediments and Challenges to Impact Investing in Developing Countries: Evidence from Chile), donde se estudia un set de cuatro actores claves del ecosistema: empresas sociales, inversionistas, facilitadores y metodologías y procesos. Su interés por este tema surgió luego de que fue a trabajar 3 meses a Cape Town en un Impact Investing Fund, donde le llamó la atención el concepto de finanzas para emprendimiento social. Luego, mientras realizaba un master en Milán, tomó un curso de Emprendimiento Social donde una de las clases fue impartida por el fundador del primer Impact Investing Fund en Italia. Desde ahí comenzó a trabajar e investigar sobre el tema y lo que existía en Chile. De este trabajo se crearon dos investigaciones de pregrado, con la profesora Patricia Galilea. La primera sobre características de emprendimientos sociales en Chile, y la segunda sobre oportunidades de financiamiento para empresas sociales, los cuales continuarán durante este año, con los alumnos Marco del Lago y Natalia Schnitzler. Como parte de las conclusiones de su trabajo se realizó una descripción cualitativa de los principales desafíos que presenta la inversión de impacto en Chile. Entre éstos, los más importantes se mencionan la falta de escala de las empresas sociales para recibir inversión, el alto grado de complejidad de los problemas sociales en Chile y la posibilidad de generar oportunidades de mercado desde

The first case is that of Omar Seguel, former student of the School of Engineering, holding a double degree with the Politecnico di Milano. Omar presented his thesis by the end of 2016, entitled ‘Impediments and Challenges to Impact Investing in Developing Countries: Evidence from Chile’, in which a set of four key ecosystem actors were studied: social enterprises, investors, facilitators and methodologies and processes. His interest in this topic came after he went to work in Cape Town for 3 months in an Impact Investing Fund. There, he was struck by the concept of finance for social entrepreneurship. Then, while doing a master’s degree in Milan, he took a Social Entrepreneurship course, in which one of the classes was taught by the founder of the first Impact Investing Fund in Italy. From there he began to work and research on the subject and on what existed in Chile. Two undergraduate researches were created from this work, with Professor Patricia Galilea. The first on social entrepreneurship characteristics in Chile, and the second on financing opportunities for social enterprises, which will continue during this year, with students Marco del Lago and Natalia Schnitzler. As part of the conclusions of their work, a qualitative description of the main challenges presented by impact investment in Chile was made. Among these, the most important are the lack of scale of social enterprises in order to receive investments, the high degree of complexity of social problems in Chile and the possibility of generating market opportunities from them, the lack of coordination and potential perverse incentives in entrepreneurship promotion policies

Research with social impact / 19

Participantes de la Medición Universal de Transporte. Participants in the Transportation Universal Measurement.

ellos, la falta de coordinación y potenciales incentivos perversos en las políticas de promoción del emprendimiento y la falta de un marco regulatorio que establezca las responsabilidades y derechos de las empresas e inversionistas. En segundo lugar, tenemos el caso de la primera versión de la “Medición de Accesibilidad Universal en Transporte Público”, realizada en conjunto con el departamento de Transporte y Logística de la Escuela, donde participaron 12 alumnos. La iniciativa fue liderada por los profesores Patricia Galilea y Sebastián Raveau, el alumno Clemente Mundi y la Corporación Incluye 360. Esta iniciativa buscó levantar información para evidenciar las dificultades que viven a diario las personas con discapacidad en sus trayectos, que no solo se traducen en mayores tiempos de viaje, sino también en una peor experiencia de viaje que afecta la calidad de vida. La medición consistió en que personas con y sin discapacidad realicen viajes desde distintos puntos de Santiago en el horario de mayor flujo vehicular (07:00 a 09:00) hacia un lugar en común: la Unidad Operativa de Control de Tránsito (UOCT), ubicada en Providencia. Estos desplazamientos fueron realizados en diferentes modos de transporte: auto, bicicleta, metro, bus y caminata. Los alumnos participaron en diferentes modalidades. Como corredores, debiendo tomar el tiempo que demoraron en ir desde el punto de partida al punto de llegada. Otros participaron como sombra, siguiendo la trayectoria de algunas personas con

and the lack of a regulatory framework that establishes the responsibilities and rights of companies and investors. Secondly, we have the case of the first version of the ‘Measurement of Universal Accessibility in Public Transport’, carried out in conjunction with the Department of Transportation and Logistics of the School, in which 12 students participated. The initiative was led by Professors Patricia Galilea and Sebastián Raveau, the student Clemente Mundi and the ‘Incluye 360’ Corporation. This initiative sought to gather information in order to highlight the difficulties experienced daily by handicapped persons on their journeys, which not only translate into longer travel times, but also into a worse travel experience that affects the quality of life. The measurement consisted of people with disabilities and those without, traveling from different points of Santiago during peak traffic times (07:00 to 09:00), to a common place, the Traffic Operational Control Unit (UOCT), located in Providencia. These trips were carried out in different transport modes: car, bicycle, metro, bus and walk. Students participated in different modalities. As runners, measuring the time they took to go from the point of departure to the point of arrival. Others participated as shadows, following the trajectory of some handicapped persons, but without intervening, and keeping a record of the difficulties encountered. Others participated at starting and arrival points, and in logistics

20 / Investigación con impacto social

discapacidad, pero sin intervenir, y llevando un registro de las dificultades que se presentaron. Otros participaron en los puntos de partida, llegada, y en la logística en general, ayudando a las personas que tenían dificultad en llegar a los puntos de partida. El estudio arrojó que los tiempos de viaje de personas con discapacidad en sus trayectos diarios suben a un 60% en promedio. Esto significa 25 minutos más en relación a usuarios sin discapacidad, en el horario considerado que se caracteriza por un alto flujo vehicular. Se espera que esta medición se realice todos los años y que vaya presentando datos relevantes para el desarrollo de políticas públicas. Por último, cabe mencionar el trabajo realizado en conjunto con la Empresa B Balloon Latam, con la cual se trabaja en conjunto desde el año 2013, enfocados en emprendimiento e innovación social. El año pasado se realizó, en conjunto con el centro de Innovación Social de la Universidad del Desarrollo y la Universidad Técnica Federico Santa María, el programa BalloonU, especialmente diseñado para 18 alumnos universitarios, entre ellos 7 de la UC. Durante diciembre, este programa trabajó con 40 emprendedores de la IX Región por medio de acompañamiento y reforzamiento de conocimientos, y también ayudaron a organizar sus emprendimientos, revisando costos, posibles mercados, redes de contacto, herramientas financieras, modelo de negocio y formulación de proyectos. Finalmente se hizo un levantamiento de problemáticas a trabajar

Medición Universal de Transporte. Transportation Universal Measurement.

in general, helping people who had difficulty reaching the starting points. The study found that travel times of handicapped persons–in their daily journeys– are 60% greater on average. This means 25 minutes more as compared to users without disabilities, in the time slot that was considered, that is characterized by high vehicular flow. This measurement is expected to be carried out every year and present relevant data for the development of public policies. Finally, mention should be made of the work carried out jointly with the Balloon Latam B Company, since 2013, focused on entrepreneurship and social innovation. Last year, the BalloonU program was carried out jointly with the Social Innovation Center at the Universidad del Desarrollo and the Universidad Técnica Federico Santa María; the program was specially designed for 18 university students, including 7 belonging to our University. During December, 40 entrepreneurs in Region IX participated in the program, providing accompaniment and reinforcement of knowledge, and also helped to organize their ventures, reviewing costs, potential markets, contact networks, financial tools, the business model and project formulation. Finally, problems to be worked on in future research were documented, in order to improve local conditions. This activity is part of the second year of the Balloon Chile program, which previously

Research with social impact / 21 Escuderos UC (Vicente Viel, Bernardita González, Daniela Montenero, Carlos Barros José Pablo Montégu, Rosario Contesse, Paul Potin), Florencia Mesa, directora de Balloon Chile, Sole Ferrer, Directora de Responsabilidad Social Ingeniería UC, y Francisca Lemaitre, exalumna y Fellow Balloon. UC Squires (Vicente Viel, Bernardita González, Daniela Montenero, Carlos Barros José Pablo Montégu, Rosario Contesse, Paul Potin), Florencia Mesa, Balloon Chile Director, Sole Ferrer, Director of Engineering Social Responsibility Office, and Francisca Lemaitre, alumni and Fellow Balloon.

en futuras investigaciones para mejorar la realidad local. Esta actividad es parte del segundo año del programa Balloon Chile, que previamente en 2015 trabajó en la misma zona potenciando 140 emprendedores. Parte de los objetivos de este nuevo programa es darles a los jóvenes una experiencia de formación a través del trabajo con comunidades rurales mientras se buscar formarlos como líderes estudiantiles y agentes de cambio en materias de emprendimiento e innovación. Daniela Montenero, quien vivió la experiencia, nos cuenta “BalloonU fue descubrir, descubrir a jóvenes apasionados por cambiar el mundo, descubrir a personas de lugares muy alejados con muchas ganas de emprender y darles mejor vida a sus familias y vecinos; y descubrir que el desarrollo social y humano depende de nosotros, de las nuevas generaciones de estudiantes y de las nuevas generaciones de profesionales”. Otro de los alumnos de la UC que participaron, Vicente Viel, nos cuenta “BalloonU es de esas experiencias que sirven como un cable a tierra para una carrera que muy pocas veces aterriza la teoría en su aplicación con la gente y, en especial, con la de menores recursos. Personalmente, cada día, cada conversación y cada experiencia fueron un aprendizaje en sí mismos. Nos falta mucho por hacer para construir un país con igualdad de oportunidades, pero los emprendedores nos han servido como un ejemplo de superación,

operated in the same area in 2015, empowering 140 entrepreneurs. Part of the objectives of this new program are to give young people a training experience by working with rural communities while seeking to train them as student leaders and agents of change in matters of entrepreneurship and innovation. Daniela Montenero, who lived the experience, tells us ‘BalloonU was about discovering; discovering young people passionate about changing the world, discovering people from faraway places with a desire to undertake and provide a better life for their families and neighbors, and discover that social and human development depend on us, on the new generations of students and on the new generations of professionals.’ Another of the UC students who participated, Vicente Viel, tells us ‘BalloonU is one of those experiences that serves as a ground wire for a career that very rarely lands theory in its application to people and, in particular, those with the lowest resources. Personally, every day, every conversation and every experience were a learning in themselves. We have a lot to do to build a country with equal opportunities, but the entrepreneurs have served as an example of improvement, and showed us that the drive exists and is much more powerful than that of many people we admire today. Moreover, they are able to say that they are deeply happy with what they do, because they turned their dream into a venture. I do not know if we can all say the same thing.’

22 / Investigación con impacto social

y nos demostraron que el empuje existe y es mucho más potente que el de mucha gente que hoy en día admiramos. Más encima, son capaces de decir que son profundamente felices con lo que hacen, porque convirtieron su sueño en un emprendimiento. No sé si todos podemos decir lo mismo.” Este año se realizarán dos versiones del programa, una en Julio con alumnos UC, y luego otra versión en diciembre, con las mismas Universidades. En ese contexto se lanzó el programa Balloon Research, el cual es un programa internacional que investiga el emprendimiento en comunidades rurales y su desarrollo en Latinoamérica. Este programa busca recolectar antecedentes, procesos de trabajo y resultados que sean un aporte real para las comunidades de emprendedores que vivan en zonas rurales. El programa está pensado para investigadores independientes y/o universidades interesadas en entender y promover el espíritu emprendedor en localidades rurales, de forma que integrantes de la comunidad universitaria entreguen orientación y asesoramiento a Balloon Latam en asuntos relacionados con la empresa, el desarrollo local y la sustentabilidad, al mismo tiempo que podrán trabajar con profesores de reconocidas Universidades en Inglaterra y Finlandia. La Subdirección de Emprendimiento Social espera tener cada año más alumnos, funcionarios y profesores dispuestos a seguir desarrollando proyectos relacionados con la investigación de impacto social, proponiendo nuevas problemáticas y desafíos.

This year there will be two versions of the program, one in July with UC students, and then another version in December, with the same Universities. In this context, the Balloon Research program was launched, which is an international program that investigates entrepreneurship in rural communities and their development in Latin America. This program seeks to collect background, work processes and results that are a real contribution to communities of entrepreneurs living in rural areas. The program is designed for independent researchers and/ or universities interested in understanding and promoting entrepreneurship in rural locations, so that members of the university community provide guidance and advice to Balloon Latam in matters related to business, local development and sustainability, and at the same time they will be able to work with professors of recognized Universities in England and Finland. The Social Entrepreneurship Section expects to have more students, staff and teachers every year, who are willing to continue developing projects related to social impact research, proposing new problems and challenges.

Innovación en sus inicios / 23

BEhealth‑SOMNO, innovación que no tiene límites BEhealth‑SOMNO, innovation that has no limits

El equipo de emprendedoras de BEhealth-SOMNO. De izquierda a derecha: Camila Amengual, Javiera Rivera y Catalina Lizama. BEhealth-SOMNO team. From left to right: Camila Amengual, Javiera Rivera and Catalina Lizama.

“Fuimos conociendo gente que tenía distintos emprendimientos y, desde su experiencia, nos orientaban de acuerdo a los obstáculos que ellos tuvieron” Por Felipe Castillo Placencia

Ehealth-SOMNO es un equipo de ingenieras dedicadas al desarrollo de un algoritmo que permite predecir episodios de apnea, un trastorno del sueño que afecta a millones de personas con graves consecuencias en su salud. Javiera Rivera, Camila Amengual y Catalina Lizama comenzaron su trabajo como alumnas del curso de la Escuela de Ingeniería ‘Investigación, Innovación y Emprendimiento’, más conocido

‘We began meeting people who had undertaken different ventures and, based on their experience, guided us in accordance with the obstacles they had met’ By Felipe Castillo Placencia

Ehealth-SOMNO is a team of engineers dedicated to the development of an algorithm that allows the prediction of apnea episodes, a sleep disorder that affects millions of people with serious consequences to their health. Javiera Rivera, Camila Amengual and Catalina Lizama began their work as students of the School of Engineering course ‘Research, Innovation and Entrepreneurship’, better known by its acronym ING2030, which

24 / Innovación en sus inicios

por su sigla ING2030, que busca acercar a sus estudiantes al emprendimiento y la búsqueda de soluciones. ¿Cómo se inspiraron para desarrollar esta idea? Camila, Javiera y Catalina señalan que siempre les apasionó el área de la salud para desempeñarse, pero en sus inicios la idea fue otra. No pasó mucho tiempo hasta que encontraron una nueva oportunidad, “Mi papá sufre de apnea (del sueño) hace años y nos dimos cuenta que la oportunidad estaba al lado; tomamos la idea partiendo por el dolor mismo que sufren los cercanos (…) empezamos por averiguar los tratamientos actuales que seguía mi papá también hasta llegar a una solución cómoda y funcional para él” señala Javiera. ¿Cuán relevante fue el curso ING2030 para llevar a cabo la idea? ¿Cómo ha sido la experiencia de trabajo en equipo durante y después del curso? Javiera y Catalina afirman que el curso fue muy relevante desde sus inicios. Camila señala que “Sin el curso no estaríamos acá, no hubiésemos ido a Bridge con el proyecto (…) el curso fue como la piedra de inicio que tuvimos, donde nos conocimos todo el equipo. Si bien éramos todas compañeras de generación, nunca habíamos trabajado juntas”. Con gran entusiasmo, comentan que su equipo de trabajo inicial compuesto por más estudiantes del curso se esforzó en conjunto para enfrentar las evaluaciones que tiene la asignatura. Sin embargo, al terminar el curso, las prioridades personales y de tiempo fueron claves para saber quienes continuarían desarrollando la idea. ¿Cómo se dieron cuenta que podían continuar desarrollando el producto fuera del curso? Javiera señala que obtener el primer lugar en la competencia de ideas al interior de la asignatura, compitiendo contra otros grupos que desarrollaron proyectos distintos, fue un impulso para continuar. Las tres estudiantes concuerdan que la retroalimentación positiva obtenida en el curso, el impacto en el diario “Las últimas noticias” y los mensajes en aplicaciones como Facebook: “muchas gracias por invertir tiempo y ganas en solucionar este problema, lo tengo hace tantos años y no he podido vivir tranquilo” fueron lo que las motivó a continuar con su emprendimiento.

seeks to bring its students to entrepreneurship and to the search for solutions. Where did you get the inspiration to develop this idea? Camila, Javiera and Catalina point out that they were always passionate about working in the health area, but in the beginning the idea was different. It was not long before they found a new opportunity, ‘My father has suffered from (sleep) apnea for years and we realized that the opportunity was alongside; we developed the idea starting from the pain itself of those close to us (…) we also began by studying the current treatment that my father was following until arriving at a comfortable and functional solution for him’, points out Javiera. How relevant was the ING2030 course to the execution of the idea? How has the teamwork experience been during the course and after it? Javiera and Catalina assert that the course was very relevant from its beginning. Camila points out that ‘Without the course we would not be here, we would not have gone to Bridge with the project (…), the course was like the foundation stone we had, where the entire team met. We were all in the same generation, but we had never worked together’. With great enthusiasm, they comment that their initial work team, composed of other class students, strived together in order to face the class tests. However, at the end of the course, personal and time priorities were key in order to define who would continue developing the idea. How did you realize you could continue to develop the product after the course? Javiera points out that obtaining the first place in the course competition of ideas, competing against other groups that developed different projects, was a drive to continue. The three students agree that positive feedback obtained in the course, the impact of the newspaper Las Últimas Noticias and messages in applications such as Facebook: ‘thank you very much for investing time and the desire to solve this problem - I have had it for so many years and I have not been able to live peacefully’ were the reasons that motivated them to continue their enterprise. You have won some contests and obtained financing. How has that experience been for you? What lessons did you gain from your

Innovation at its beginning / 25

Camila y Javiera presentando en la “Pitch competition night” en Boston representando a la Escuela de Ingeniería en el Programa The Bridge 2017. Camila and Javiera presenting in the Pitch competition night in Boston, representing the Engineering School in The Bridge 2017 Program.

Han ganado algunos concursos y obtenido financiamiento ¿Cómo ha sido esa experiencia para ustedes? ¿Qué aprendizajes obtuvieron en su viaje a Boston? El equipo relata que participó en Brain Chile, un proyecto que impulsa proyectos de emprendimiento con base científica y tecnológica, en el cual llegaron a la tercera etapa. Javiera señala que “Boston, para mí, fue madurez en cuanto a la investigación, nos dimos cuenta que estábamos en un proyectoun poco-en pañales y al llegar nos golpeamos un poco contra la pared y maduramos la información de la forma más rápida posible”. Para Camila, fue un proceso de observación de un ecosistema distinto al que conocía: “Boston está súper desarrollado en el área de trabajo en que estamos nosotros (…) es ecosistema que te está apoyando todo el rato y que es algo que no teníamos durante ese año acá en Chile.” ¿Podrían haber obtenido esto aquí en Chile? “No, la colaboración en Boston es impresionante; buscábamos un experto y estaba en la cuadra de al lado y muy dispuesto a ayudarnos”, comenta Javiera quién añade que la disposición de quienes las rodeaban y la obtención de opiniones o experiencia fue rápida y con interés en ayudar. Destaca además que “si tu mandabas un mail a un doctor especialista en un tema estaba dispuesto a escucharte o ver que tenías para proponer.” ¿Cuál es el próximo paso? Camila describe que actualmente están

trip to Boston? The team describes that they participated in Brain Chile, a project that promotes entrepreneurial projects with a scientific and technological base, in which they reached the third stage. Javiera points out that ‘Boston meant maturity in terms of research, for me, we realized that we were in a project–somewhat wet behind the ears–and when we arrived we ran into a wall a bit, and assimilated the information as quickly as possible.’ For Camila, it was a process of observing an ecosystem that was different from the one she knew: ‘Boston is super developed in the area of work we are in (...) it is an ecosystem that supports you all the time and that is something that we did not have during that year here in Chile.’ Could you have obtained this here in Chile? ‘No, the collaboration in Boston is impressive; we were searching for an expert and he was in the next block and very willing to help us’ comments Javiera, adding that the willingness of those around them and obtaining opinions or experience, was quick and they were interested in helping. She also emphasizes that ‘if you sent an email to a doctor who was a specialist in a subject, he was willing to listen or see what you had to propose.’ What is the next step? Camila describes that they are currently developing an algorithm to predict apnea episodes, by observing indicators such as vital signs, before beginning to create a

26 / Innovación en sus inicios

desarrollando un algoritmo para predecir los episodios de apnea, mediante la observación de indicadores como los signos vitales, antes de empezar a crear un producto para tratar la enfermedad. Esto, debido a que resulta más fácil atacar la enfermedad desde su origen. Luego de terminar esta etapa, decidirán si desarrollar un producto nuevo o crear una alternativa de mejora para los tratamientos ya existentes. Adicionalmente, destacan que la reevaluación del equipo, ya que requieren de personas capacitadas en el área de Medicina que participen y se involucren en el proyecto. Ha pasado un año desde el curso y algunos meses del viaje ¿Qué barreras han encontrado para lanzar su producto? Camila y Javiera concuerdan que el acceso a la información fue una barrera ya que inicialmente no contaban con ciertos datos. Sin embargo, luego de su experiencia en Boston han logrado acceder a más información, afirman: “En Boston tuvimos un mentor Chileno en el área médica, que nos dio contactos acá en Chile y que nos permitió conocer más casos clínicos, pacientes y sus historiales.” “Otra barrera es la organización tanto personal como grupal, tuvimos un año de poco trabajo y baja motivación del equipo; costaba mucho organizarnos para trabajar todas juntas. Las prioridades de tiempo pueden ser una barrera”, señala Catalina. “Lo importante es seguir las pasiones y que uno puede solucionar problemas de alto impacto teniendo solo las ganas” ¿Han recibido guía de familiares o amigos emprendedores? ¿Ha sido un proceso que han tenido que aprender desde cero? “Junto a Javiera accedimos a este apoyo cuando estuvimos en Boston. Nos vimos forzadas a adaptarnos y hablar con las personas que teníamos al lado, fuimos conociendo gente que tenía distintos emprendimientos y, desde su experiencia, nos orientaban de acuerdo a los obstáculos que ellos tuvieron; pero esto fue después de haber terminado el curso”, afirma Camila. Mientras que para Catalina el curso fue esencial como también los testimonios de personas que se entregaron en el transcurso del ramo. ¿Cómo mejorarían el ecosistema de innovación y emprendimiento de la Escuela y la Universidad? Camila enfatiza que “Creemos que–y está dentro de los principales pilares de lo que estamos desarrollando–lo que le falta al Ecosistema de

product to treat the disease. This because it is easier to attack the disease from its origin. After completing this stage, they will decide whether to develop a new product or create an improvement alternative for existing treatments. Additionally, they emphasize in team renovation, since they require the participation of people trained in the Medical area and their involvement in the project. A year has passed since the course and some months after the trip. What barriers have you found in order to launch your product? Camila and Javiera agree that access to information was a barrier, since they did not have certain initial data. However, after their Boston experience, they have gained access to more information, they claim: ‘In Boston we had a Chilean mentor in the medical field, who provided us with contacts here in Chile and allowed us to access more clinical cases, patients and their history.’ ‘Another barrier is personal and group organization; we had a year of slow work and low team motivation and it was hard to get organized in order to work together. Time priorities can be a barrier’ says Catalina. ‘The important thing is to follow one’s passions and realize that one can solve high-impact problems if only one wants to.’ Have you received guidance from family or entrepreneurial friends? Has it been a process that you had to learn from scratch? ‘Together with Javiera we had access to this support when we were in Boston. We were forced to adapt and talk to people next to us, we met people who had different ventures and, based on their experience, guided us in accordance with the obstacles they had met; but this was after finishing the course’, Camila affirms. While the course was essential for Catalina as well as the testimonies provided by people during the course. How would you improve the innovation and entrepreneurship ecosystem of the School and of the University? Camila emphasizes that ‘We believe–and this is among the main pillars of what we are developing–that what the entrepreneurship Ecosystem lacks in Chile is collaboration (…) because here one (the entrepreneurs) is still scared and afraid to go and explain “hey, I’m developing this area”, because it can be stolen by someone who is next to you; but there (comparing with Boston) the ecosystem is oriented to the person listening to you, giving

Innovation at its beginning / 27

emprendimiento en Chile es colaboración (…) pues acá a uno (los emprendedores) todavía le da susto ir y explicar ‘hey, estoy desarrollando este asunto’ porque te lo puede robar quien esté a tu lado; pero allá (en comparación a Boston) el ecosistema se orienta a que la persona te va escuchar, entregará feedback y verá cómo te puede ayudar. Acá falta la cultura de la colaboración.” Para este equipo de ingenieras, el cambio cultural también radica en lo importante de darle un espacio al emprendimiento, especialmente al compararlo contra el valor que se asocia con la obtención de un título universitario, reforzando que “la experiencia de pasar por todas las etapas del emprendimiento es demasiado enriquecedor para cualquier trabajo que uno decida dedicarse”, destaca Javiera. ¿Qué mensaje les dejarían para aquellas personas o estudiantes que quieren emprender? Las emprendedoras coinciden que la motivación es importante para este proceso, lo que Camila describe como “Dar el salto, tirarse a la piscina y probar.” Javiera responde “Lo importante es seguir las pasiones y que uno puede solucionar problemas de alto impacto teniendo solamente las ganas, formar un equipo correcto con la motivación correcta” alentando a aquellos alumnos que deben cursar ING2030 para que le den una oportunidad al emprendimiento como una opción de vida. Independiente de si les termina gustando o no, sin duda el aprendizaje durante ese camino es valioso.

you feedback and seeing how he can help you. A culture of collaboration is lacking here’. For this team of engineers, cultural change also lies in the importance of providing a space for entrepreneurship, especially when compared to the value associated with obtaining a university degree, reinforcing that ‘the experience of going through all stages of the enterprise is tremendously enriching for any work that one decides to devote oneself to’, emphasizes Javiera. What message would you leave for those people or students who want to undertake a venture? The entrepreneurs agree that motivation is important for this process, which Camila describes as ‘Taking the plunge, diving into the pool and trying’. Javiera responds ‘The important thing is to follow one’s passions and believe that one can solve high-impact problems if one only wants to do it, while forming a correct team with the right motivation’ encouraging those students who must attend ING2030 to give entrepreneurship an opportunity as a life option. Whether in the long run they like it or not, undoubtedly learning during the way is valuable.

28 / Proyectos de la Escuela

Como hacer tangible la innovación: Taller Mecánico DIMM How to make innovation tangible: DIMM Mechanical Workshop

La innovación será más que una epifanía, siempre que pueda ser llevada a lo tangible y concreto. Innovation will be more than an epiphany, as long as it can be brought to the tangible and concrete.

La investigación e innovación requieren ir más allá de las simples ideas, mostrando tangiblemente un mockup, maqueta, modelo o prototipo en diversas escalas para probar la funcionalidad de la solución propuesta y comprobar aspectos clave de diseño. En el ámbito profesional, muchas veces se requiere reemplazar piezas de maquinarias antiguas, adaptar mecanismos de acuerdo a las necesidades de producción, o simplemente construir una réplica funcional de maquinarias no disponibles en el mercado. Por esto, la disponibilidad de servicios de fabricación de partes y piezas adquiere real importancia. Por Paula Llanquileo M. y Leonardo Rodríguez C.

uando profesores o alumnos de la Escuela de Ingeniería UC requieren soluciones para el diseño o confección de piezas o equipos, uno de los lugares más visitados es el Taller Mecánico, ubicado

Research and innovation need to go beyond simple ideas, tangibly showing a mockup, model or prototype at various scales in order to test the functionality of the proposed solution and check key aspects of design. In the professional field, it is often necessary to replace parts of old machinery, adapt mechanisms according to production needs, or simply build a functional replica of machines no longer available in the market. For this reason, the availability of manufacturing services for parts and pieces is of real importance. By Paula Llanquileo M. and Leonardo Rodríguez C.

hen professors or students of the UC School of Engineering require solutions for the design or manufacture of pieces or equipment, one of the most visited places is the Mechanical Workshop,

School’s projects / 29

a un costado del taller de Desafíos de la Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalurgia (DIMM). Luis Valdés, jefe del taller y con 44 años de labor en la UC, recibe diversas solicitudes que van desde simples piezas a escala hasta prototipos funcionales. Durante el año académico, es común ver piezas a medio terminar de los más diversos materiales, junto a alumnos, profesores y personal técnico del taller probando estas verdaderas “obras de arte mecánico”, realizando ajustes y revisando cada detalle de los modelos. Las piezas creadas en el Taller son destinadas principalmente a la investigación y al desarrollo de Tesis dentro de la UC. Las áreas que requieren estos servicios son diversas, desde la Astronomía, con piezas para telescopios, hasta la simple réplica de un vástago de bicicleta para el curso Desafíos de la Ingeniería de la Escuela de Ingeniería. Sin embargo, el Taller también recibe solicitudes externas de servicios requeridos por ex alumnos que conocen las capacidades de manufactura, “Muchas veces, los ex alumnos confían más en nosotros que en talleres establecidos. El Taller está al servicio de quien necesite alguna solución que requiera la manufactura de partes y piezas que, por lo general, no están disponibles en el comercio. Muchas veces las solicitudes llegan sin planos ni maquetas, y tenemos que esforzarnos en poder traducir la idea, que nos llega en forma de bosquejo, a algo más elaborado” comenta Luis Valdés. Además, agrega, “También fabricamos aparatos o maquinarias a escala pequeña según las necesidades de los usuarios y nuestra capacidad instalada en el taller. Hemos fabricado soportes de paneles solares, moledoras de carne, sistemas eólicos, turbinas, recicladoras para plásticos, y un sin fin de sistemas complejos para alumnos y profesores.” La variedad de equipos convencionales disponibles también es una característica importante, según indica Luis Valdés, “El taller cuenta con un set muy completo de equipos, máquinas y herramientas. Además, cuenta con equipos de soldadura especiales para realizar trabajos con aluminio, acero inoxidable y otras aleaciones específicas. La capacidad instalada nos permite hacer piezas de precisión, que han sido solicitadas y utilizadas por profesores de astronomía. Estos

located next to the Engineering Challenges workshop in the Department of Mechanical Engineering and Metallurgy (DIMM in Spanish). Luis Valdés, head of the workshop, has 44 years of work at the UC and receives various requests ranging from simple pieces-to-scale to functional prototypes. During the academic year, it is common to see half-finished pieces of the most diverse materials, alongside students, teachers and workshop technical staff, testing these true ‘works of mechanical art’, making adjustments and checking every detail of the models. The pieces created at the Workshop are intended mainly for research and Theses projects within the UC. The areas that require these services are diverse, from Astronomy, with pieces for telescopes, to simple replicas of a bicycle stem for the Engineering Challenges course of the Engineering School. However, the Workshop also receives outside requests for services required by alumni who are familiar with the manufacturing capabilities. ‘Often, alumni rely more on us than on established workshops. The Workshop is at the service of those who need a solution that requires the manufacture of parts and pieces that are generally not available in the market. Many times the requests arrive without plans or models, and we have to try to translate the idea, which comes in the form of a draft, to something more elaborate’ comments Luis Valdés. In addition, he adds, ‘We also manufacture equipment or machinery on a small scale according to the needs of users and our installed capacity in the Workshop. We have manufactured solar panel supports, meat grinders, wind systems, turbines, plastic recyclers, and endless complex systems for students and teachers.’ The variety of conventional equipment available is also an important feature, according to Luis Valdés. ‘The Workshop has a very complete set of equipment, machines and tools. In addition, it has special welding equipment to perform work with aluminum, stainless steel and other specific alloys. The installed capacity allows us to make precision parts, which have been requested and used by professors of astronomy. These elements are very demanding in terms of precision, and our manufactures have been well received for the most part.’ Workshop officials also have an opinion about the work being done. Marcelo

30 / Proyectos de la Escuela

Equipo del Taller mecánico del DIMM. De izquierda a derecha: Christopher Ballart, Luis Valdés, Roberto Salgado, Marcelo Gutiérrez e Ignacio Lagos. DIMM mechanical workshop team. From left to right: Christopher Ballart, Luis Valdés, Roberto Salgado, Marcelo Gutiérrez and Ignacio Lagos.

elementos son muy exigentes en términos de precisión, y nuestras fabricaciones han sido mayoritariamente recibidas conforme.” Los funcionarios del taller también tienen una opinión respecto del trabajo que se realiza. Marcelo Gutiérrez nos comenta, “A veces las solicitudes no son muy convencionales, lo que nos ha hecho ganar experiencia para afrontar nuevos desafíos. Es un aprendizaje continuo que nunca termina.” Roberto Salgado nos cuenta su experiencia “El trabajo en el Taller es muy gratificante. Los ‘cachitos’ [trabajos solicitados por alumnos sin especificación rigurosa] nos obligan a esforzarnos y dar lo mejor de nosotros. A veces el trabajo se acumula, sobre todo los fines de semestre. Pero nunca dejamos una solicitud sin recibir.” Programa de prácticas profesionales El Taller también ha incorporado a alumnos de pregrado a través de un programa de prácticas profesionales impulsado por Luis Valdés. Este programa ha servido para que los alumnos conozcan las nociones básicas sobre el trabajo en Taller, el lenguaje propio en el uso de herramientas y piezas, y–por supuesto– la importancia del trabajo en equipo. Un ejemplo de este programa son los alumnos de 4 año de Ingeniería Mecánica UC: Catalina Lizama, Jennyfer Martínez, Ignacio Jeria y Manuel Guerrero. Los alumnos coinciden en destacar la importancia del trabajo en el Taller: “Me dijeron que acá nunca habían trabajado mujeres, pero a pesar de eso Don Luis me

Gutiérrez comments: ‘Sometimes the requests are not very conventional, which has given us experience in order to face new challenges. It is a continuous learning process that never ends.’ Roberto Salgado tells us his experience ‘The work in the Workshop is very rewarding. The “cachitos” [works requested by students without rigorous specification] compel us to strive and give the best of ourselves. Sometimes work accumulates, especially at the end of the semester. But we never leave unattended requests.’ Professional Internship Program The Workshop has also incorporated undergraduate students through a professional internship program promoted by Luis Valdés. This program has helped students to get to know the basics of workshop work, the proper language in the use of tools and parts, and– of course–the importance of teamwork. An example of this program are the UC 4th year Mechanical Engineering students: Catalina Lizama, Jennyfer Martínez, Ignacio Jeria and Manuel Guerrero. The students agree on emphasizing the importance of the work done in the Workshop: ‘They told me that women had never worked here. But, in spite of that, Mr. Luis took me in without problems and I was able to learn what a washer and other elements are, and it has served me in the courses that I am now taking’ comments Catalina. ‘One has the possibility of working with the machines, the experience was very good,’ adds Jennyfer.

School’s projects / 31

aceptó sin problemas y pude aprender qué era una golilla y otros elementos que me han servido en los cursos que ahora estoy tomando” comenta Catalina. “Uno tiene la posibilidad de trabajar con las máquinas, la experiencia fue muy buena”, agrega Jennyfer. Ignacio y Manuel por su parte coinciden en la importancia de trabajar en ambientes reales para su formación como ingenieros civiles “Es necesario tener los conocimientos que te entrega el Taller para luego aplicar Ingeniería a los procesos posteriores, aprendí la mecánica real”, indica Ignacio. Para el Taller, recibir alumnos en práctica ha sido una muy buena experiencia. Luis Valdés nos dice que “Recibimos generalmente alumnos de Liceos Técnico profesionales que vienen a realizar su trabajo de graduación o su práctica. Pero últimamente hemos recibido alumnos de la Escuela que vienen a trabajar en su práctica I y II con muy buenos resultados. Para nosotros, es importante que nuestros alumnos conozcan lo que hacemos, para que nos puedan aprovechar durante su formación e incluso en su vida profesional.” El programa, inicialmente enfocado en alumnos del DIMM, está abierto para cualquier alumno de la escuela que tenga ganas de aprender y mucho entusiasmo. El Taller Mecánico del DIMM está abierto a toda la comunidad, tanto de la Escuela de Ingeniería como al público general, que requiera de trabajos especializados. Luis Valdés

Ignacio and Manuel, for their part, agree on the importance of working in real environments for their training as civil engineers ‘It is necessary to have the knowledge that the Workshop gives you and then apply Engineering to subsequent processes; I learned real mechanics’, says Ignacio. For the Workshop, receiving practicing students has been a very good experience. Luis Valdés tells us that ‘We generally receive students from technical high schools who come to carry out their graduation work or their practice. But lately we have received students from the School, who come to work in their practice I and II with very good results. For us, it is important that our students know what we do, so that they can make the best use of us during their training and even in their professional life.’ The program, initially focused on DIMM students, is open to any student of the school who wants to learn and has a lot of enthusiasm. The DIMM Mechanical Workshop is open to the entire community, both from the Engineering School and the general public, when specialized work is required. Luis Valdés and his team receive and attend the requirements with the greatest enthusiasm and they give the best advice so that the final product fulfills the request. If a student of the Engineering School wants to perform his professional practice, he will be welcome with open arms and will

Roberto Salgado trabajando una pieza en madera. El Taller tiene la capacidad de trabajar con diversos materiales, como aceros, plásticos y maderas. Roberto Salgado working a piece in wood. The Workshop has the capacity to work with different materials, such as steel, plastics and wood.

32 / Proyectos de la Escuela

De izquierda a derecha: Las alumnas de Ingeniería UC Jennyfer Martínez y Catalina Lizama realizando su práctica profesional. From left to right: UC Engineering students Jennyfer Martinez and Catalina Lizama performing their professional practice.

y su equipo reciben y atienden con el mayor entusiasmo los requerimientos y entregan la mejor asesoría para que el producto final cumpla con lo solicitado. Si algún alumno de la Escuela de Ingeniería quiere realizar su práctica profesional, será recibido con los brazos abiertos y vivirá una experiencia enriquecedora. Para consultas relacionadas con el programa de prácticas o los servicios del taller, pueden comunicarse directamente con Luis Valdés al correo lvaldes@ing.puc.cl o visitarlo en el Taller.

experience an enriching experience. For questions regarding the internship program or workshop services, please contact Luis Valdés directly at lvaldes@ing.puc.cl or visit him at the Workshop.

Foco // 37 33 Proyectos de laEn Escuela

En Foco:

Departamento de Ciencia de la Computación In Focus:

Department of Computer Science

Nacido al alero de la Facultad de Matemáticas y del Departamento de Ingeniería Eléctrica, en 34 años de historia, el DCC UC ha sabido forjar una identidad propia, más allá de los datos. Born under the wing of the Faculty of Mathematics and the Department of Electrical Engineering, UC DCC has been able, in 34 years of history, to forge its own identity, beyond the data.

Fundado en 1983, el DCC UC es responsable de tres títulos de la escuela de Ingeniería, siete concentraciones de cursos de licenciatura, actividades de investigación en cinco áreas de la Ciencia de la Computación, transferencia con la industria y colaboración con más de 30 países. Por Enzo Leiva y Daniela Cid M.

l Departamento de Ciencia de la Computación UC (DCC UC) nace formalmente al interior de la Escuela de Ingeniería, según un decreto de Rectoría del 16 de mayo de 1983. Sin embargo, sus orígenes

Founded in 1983, UC DCC is responsible for three engineering school titles, seven concentrations of undergraduate courses, research activities in five areas of Computer Science, transfer with industry and collaboration with more than 30 countries. By Enzo Leiva and Daniela Cid M.

he UC Department of Computer Science (UC DCC) was born formally within the School of Engineering, in accordance with a Rectory decree, in May 16, 1983. However, its origins date back to 1970,

34 / En foco

datan de 1970, cuando la UC crea el Centro de Ciencia de la Computación (CECICO) para realizar docencia, investigación y servicios. En 1981, el CECICO, dependiente de la facultad de Matemáticas, es separado en dos: la unidad de Servicios de Computación para Administración UC (SECICO) y el Departamento de Ciencia de la Computación. Finalmente, a comienzos de 1982, un grupo de profesores liderados por Ignacio Casas, se traslada a Ingeniería para formalizar al DCC UC como el noveno departamento de la Escuela de Ingeniería UC. Actualmente, el DCC UC es responsable de tres títulos de la escuela: Ingeniería Civil de Industrias, Diploma en Ingeniería en Tecnologías de la Información; Ingeniería Civil de Industrias, Diploma en Ingeniería de Computación; e Ingeniería Civil de Computación. Para la obtención de estos títulos los alumnos de pregrado tienen a disposición siete concentraciones de cursos ofrecidas por el DCC UC: un major en Computación con tres líneas de especialización o tracks: Computación, Ingeniería de Software y Tecnologías de Información; dos minors de amplitud, en Programación y en Tecnologías de Información; y dos minors de profundidad, en Fundamentos Científicos y Tecnológicos de la Computación y en Analítica y Ciencia de Datos (Data Science and Analytics). A la fecha, más de 1.300 estudiantes se han graduado con los títulos ofrecidos por el DCC UC. Hoy, estos profesionales se desempeñan en áreas que abarcan desde la realización de postgrados hasta el desarrollo de carreras profesionales y emprendimientos tecnológicos, tanto en Chile como en el extranjero. Innovación en la frontera Actualmente, el DCC UC cuenta con 20 académicos de jornada completa, 29 profesores de jornada parcial y más de 12 investigadores para llevar a cabo sus labores de educación, extensión e investigación, esta última, en cinco áreas: (1) Ingeniería de Software, (2) Inteligencia de Máquina, Robótica y Visión por Computador, (3) Laboratorio de Datos, (4) Tecnologías de Información, (5) Informática Educativa y Sistemas Colaborativos. 1. Ingeniería de software La investigación se centra en el desarrollo de métodos y herramientas que permitan

when the UC created the Computer Science Center (CECICO) to provide teaching, research and services. In 1981, CECICO, dependent on the faculty of Mathematics, is separated in two: the Computer Services Unit for UC Administration (SECICO) and the Computer Science Department. Finally, in early 1982, a group of teachers led by Ignacio Casas, moved to the Engineering Campus, to formalize the UC DCC as the ninth department of the UC School of Engineering. The UC DCC is currently responsible for three school degrees: Civil Industrial Engineering, Diploma in Information Technology Engineering, Civil Industrial Engineering, and Diploma in Computer Engineering and Civil Engineering in Computing. In order to obtain these degrees, undergraduate students can choose from seven course tracks, namely: a major in Computing with three specialization lines or tracks: Computing, Software Engineering and Information Technology; two extended minors, in Programming and in Information Technologies; and two in-depth minors, in Scientific and Technological Foundations of Computing and in Data Science and Analytics. To date, more than 1,300 students have graduated with degrees offered by the UC DCC. Today, these professionals work in areas ranging from postgraduate studies to the development of professional careers and technological ventures, both in Chile and abroad. Innovation at the border At present, the UC DCC has 20 full-time faculties, 29 part-time professors and more than 12 researchers to carry out education, extension and research activities; the latter take place in five areas: (1) Software Engineering, (2) Machine Intelligence, Robotics and Computer Vision, (3) Data Laboratory, (4) Information Technologies, (5) Educational Informatics and Collaborative Systems. 1. Software engineering Research focuses on the development of methods and tools that allow construction of high quality, low cost and agile management software. To this end, development processes,

In Focus / 35

La aplicación Moodplay contempla una interfaz gráfica que permite a los usuarios descubrir nuevos solistas y grupos a partir de las emociones generadas por su música, gracias a la aplicación de algoritmos en sistemas de recomendación. The Moodplay application includes a graphical interface that allows users to discover new soloists and groups based on the emotions generated by their music, thanks to the application of recommendation systems’ algorithms.

construir software de alta calidad, de bajo costo y ágil gestión. Para ello se estudian procesos de desarrollo, mecanismos de especificación y arquitecturas de software para aplicaciones robustas, extensibles y confiables de acuerdo a un presupuesto asignado, en los plazos estipulados. En la actualidad el esfuerzo está enfocado tanto en aplicaciones para dispositivos móviles desarrolladas en lenguajes de programación nativos (como Java, Objective C y Swift) y a partir de herramientas para desarrollo web en la nube. En este contexto, destaca el trabajo de investigación MobiCOP (Mobile Computation Offloading Platform) que explora arquitecturas que permitan optimizar el uso de energía o minimizar el uso de redes de datos migrando código desde dispositivos móviles a la nube. A él se suman colaboraciones con el Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN)—en la línea de estudios sobre Información, Comunicación y Tecnologías para la Gestión de Desastres—; y con el proyecto Fondef IDeA, “Prosección Anatómica en Réplicas y Reconstrucciones 3D de Secciones Corporales Humanas”. Los

specification mechanisms and software architectures are studied, for robust, extensible and reliable applications, in line with a budget allocated within stipulated deadlines. At present the effort is focused on applications for mobile devices developed in native programming languages (such as Java, Objective C and Swift) and tools for cloud web development. Within this context, MobiCOP (Mobile Computation Offloading Platform) research stands out; it explores architectures that optimize the use of energy or minimize the use of data networks, by migrating code from mobile devices to the cloud. It is complemented by collaborations from the National Research Center for Integrated Management of Natural Disasters (CIGIDEN)—in line with studies on Disaster Management Information, Communication and Technologies—and with the Fondef IDeA project ‘Anatomical Prospection in Replicas and 3D Reconstruction of Human Body Sections.’ The professors who work in this line are Yadran Eterovic, Jaime Navón, Andrés Neyem and Cristian Ruz.

36 / En foco

profesores que se desempeñan en esta línea son Yadran Eterovic, Jaime Navón, Andrés Neyem y Cristian Ruz. 2. Inteligencia de Máquina, Robótica y Visión por Computador Las aplicaciones computacionales emergentes buscan desarrollar tareas como conducir automóviles en forma autónoma o responder a consultas de usuarios utilizando lenguaje natural. Este tipo de tecnología, que cada día se acerca más a ser parte de nuestra cotidianeidad, revolucionará la forma en que se opera e interactúa con los sistemas computacionales y máquinas que nos rodean. Esta área de investigación del DCC UC se desarrolla a través de dos grupos de trabajo: GRIMA (Grupo de Investigación en Inteligencia de Máquina), dedicado a la investigación teórica y aplicada en Inteligencia de Máquina, Visión por Computador y Robótica para incrementar el grado de flexibilidad y autonomía de las aplicaciones computacionales actuales; y SocVis (Social Computing & Visualization Group), dedicado a aplicar Inteligencia de Máquina y Ciencia de la Información para el desarrollo de tres áreas: análisis de redes sociales, interacción humano-computador (HCI, por su sigla en inglés) y personalización. Por una parte, GRIMA trabaja en aplicaciones para la industria y la academia en áreas como: inspección automática con rayos X; biometría; detección de acciones humanas complejas; búsqueda en tiempo real; aprendizaje de máquina aplicado a problemas relacionados con ciudades y sistemas inteligentes de transporte, en colaboración con el Departamento de Ingeniería de Transporte y Logística UC; y análisis de datos astronómicos, en colaboración con el Instituto Milenio de Astrofísica UC (MAS). Por otra parte, SocVis está dedicado a aplicar Inteligencia de Máquina y Ciencia de la Información para el desarrollo de tres áreas: análisis de redes sociales, interacción humano-computador y personalización. Entre los principales avances desarrollados por este grupo se cuentan colaboraciones en proyectos como “Observatorio Digital de Delincuencia en Chile: Un sistema inteligente de apoyo a la industria automotriz”, financiado por Fondef IDeA; y el sistema recomendador de música en línea, Moodplay, desarrollado con

2. Machine Intelligence, Robotics and Computer Vision Emerging computing applications seek to develop tasks such as driving automobiles autonomously or responding to user queries using natural language. This type of technology, which each day is closer to being part of our daily lives, will revolutionize the way we operate and interacts with the computer systems and machines that surround us. This research is developed by two working groups at the UC DCC. GRIMA (Machine Intelligence Research Group), dedicated to theoretical and applied research in Machine Intelligence, Computer Vision and Robotics in order to increase the degree of flexibility and autonomy of current computer applications; and SocVis (Social Computing & Visualization Group), dedicated to applying Machine Intelligence and Information Science to the development of three areas: social network analysis, humancomputer interaction (HCI) and customization. GRIMA works in applications for industry and academia: The areas covered include: automatic inspection by means of X-rays; biometry; detection of complex human actions; real-time searching; machine learning applied to problems related to cities and intelligent transport systems, in collaboration with the UC Department of Transportation Engineering and Logistics; and astronomical data analysis, in collaboration with the UC Astrophysics Millennium Institute (MAS). SocVis is dedicated to applying Machine Intelligence and Information Science in the development of three areas: social network analysis, human-computer interaction and customization. Among the main advances developed by this group are collaborations in projects such as ‘Digital Crime Observatory in Chile: An intelligent support system for the automotive industry’, financed by Fondef IDeA; and Moodplay, the online music recommending system, developed by researchers at the University of California, Santa Barbara. The professors who work in this research area are Jorge Baier, Hans Löbel, Domingo Mery, Denis Parra, Karim Pichara, Cristian Ruz and Álvaro Soto. 3. Data Laboratory This line investigates

theoretical

and

In Focus / 37

investigadores de la Universidad de California, Santa Barbara. Los profesores que trabajan en esta área de investigación son Jorge Baier, Hans Löbel, Domingo Mery, Denis Parra, Karim Pichara, Cristian Ruz y Álvaro Soto. 3. Laboratorio de Datos En esta línea se investigan aspectos teóricos y prácticos relacionados con el almacenamiento y manejo de información en áreas como, poder expresivo de distintos lenguajes de consulta, manejo de restricciones de integridad de información inconsistente, integración e intercambio de datos, estudio de lenguajes de esquemas para traducir información, comunicación y manejo de metainformación; procedencia de los datos; y aspectos de la Web Semántica relacionados con el manejo de información. Adicionalmente, se realiza investigación en áreas que juegan un papel fundamental en el estudio teórico del manejo de datos, tales como lógica matemática, teoría de autómatas, lenguajes formales y complejidad computacional. En esta última destaca el trabajo desarrollado en colaboración con la Universidad de Chile en el Núcleo Milenio Centro de Investigación de la Web Semántica. Los profesores dedicados a esta línea de investigación son Marcelo Arenas, Juan Reutter, Cristian Riveros y Domagoj Vrgoč. 4. Tecnologías de Información Las Tecnologías de Información (TI) combinan conocimiento de hardware, software y telecomunicaciones con el objetivo de crear, almacenar, intercambiar y usar información para contribuir a la generación de valor en las organizaciones. En esta línea de investigación se estudian y diseñan soluciones efectivas para el correcto uso de sistemas de información y la gestión de áreas de TI, tanto en organizaciones públicas como privadas. Con este fin se investigan distintos tipos de sistemas de información: sistemas colaborativos, sistemas para análisis y automatización de procesos, minería de procesos, tecnologías para inteligencia de negocios e interacción humano-computador. En el DCC UC, destaca el trabajo de los grupos de investigación en Minería de Procesos (Process Mining UC, PMUC), e Interacción Humano-Computador (Human-Centered Computer Research Lab, HumaLab) con iniciativas de apoyo a las áreas de educación

practical aspects related to the storage and management of information in areas such as, expressive power of different query languages, handling inconsistent information integrity constraints, data integration and exchange, study of schema languages in order to translate information, communication and metadata management; origin of data; and Semantic web aspects related to information handling. In addition, research is carried out in areas that play a fundamental role in the theoretical study of data management, such as mathematical logic, automation theory, formal languages and computational complexity. In the latter, work developed in collaboration with the University of Chile at the Semantycs Web Research Millenium Nucleus Center stands out. The professors dedicated to this line of research are Marcelo Arenas, Juan Reutter, Cristian Riveros and Domagoj Vrgoč. 4. Information Technology Information Technology (IT) combines hardware, software and telecommunications knowledge with the objective of creating, storing, exchanging and using information in order to contribute to the generation of value in organizations. In this line of research study and design take place related to effective solutions for the correct use of information systems and management of IT areas, both in public and private organizations. To this end, different types of information systems are investigated: collaborative systems, systems for analysis and process automation, process mining, business intelligence technologies and humancomputer interaction. Standing out at the UC DCC is the work of research groups in Process Mining (PMUC), and Human-Computer Interaction (Human-Centered Computer Research Lab, HumaLab) with initiatives to support the education and health areas. An example of these is the project ‘Analysis of multidisciplinary collaboration in primary care using process mining’ currently funded by the National Fund for Scientific and Technological Development (Fondecyt). The professors who work in this area of research are Roberto Gejman, Valeria Herskovic, Jorge Muñoz Gama and Marcos Sepúlveda.

38 / En foco

Grupos como Technologies for Digital Learning (T4DL) dedican su quehacer a la integración de la educación con la tecnología para apoyar, motivar y enriquecer nuevos ambientes educativos virtuales. Groups such as Technologies for Digital Learning (T4DL) dedicate their work to the integration of education with technology, in order to support, motivate and enrich new virtual educational environments.

y salud. Un ejemplo de estas es el proyecto “Análisis de colaboración multidisciplinaria en cuidados de atención primaria usando minería de procesos” actualmente financiado por el Fondo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (Fondecyt). Los profesores que se desempeñan en esta área de investigación son Roberto Gejman, Valeria Herskovic, Jorge Muñoz Gama y Marcos Sepúlveda. 5. Informática Educativa y Sistemas Colaborativos El DCC UC tiene una larga y destacada trayectoria en la investigación y el desarrollo de tecnologías informáticas para el apoyo de procesos de aprendizaje grupales e individuales, tanto a nivel escolar como universitario. Para llevar a cabo este trabajo, el punto de partida es estudiar cómo se desarrollan estos procesos y de qué manera su integración con la tecnología permite apoyar, motivar y enriquecer nuevos ambientes educativos virtuales. La actividad del área de Informática Educativa y Sistemas Colaborativos es llevada a cabo en forma conjunta por estudiantes de pre y postgrado, académicos y profesionales de disciplinas como Educación,

5. Educational Informatics and Collaborative Systems The UC DCC has a long and outstanding track record in the research and development of computer technologies to support group and individual learning processes, both at the school and university level. In order to carry out this work, the starting point is to study how these processes are developed and how their integration with technology allows to support, motivate and enrich new virtual educational environments. The activity of the Educational Informatics and Collaborative Systems area is carried out jointly by pre and postgraduate students, academics and professionals in disciplines such as Education, Psychology and Engineering. Technological tools to support the work include systems with mobile devices, interactive multimedia applications to support collaborative work, multi-mouse systems, educational game software, personalized cognitive tutorials, video-conferences, e-learning (MOOCs) and blended-learning. Standing out in this area is the work of the research groups Technologies for Digital Learning (T4DL) and Intelligent Tutor Systems, as well as collaborative work with the Center for Studies of Policies and Practices in Education (CEPPE) in the

In Focus / 39

Psicología e Ingeniería. Las herramientas tecnológicas para apoyar el trabajo incluyen sistemas con dispositivos móviles, aplicaciones multimedia interactivas para el apoyo al trabajo colaborativo, sistemas multimouse, softwares de juegos didácticos, tutorías cognitivas personalizadas, videoconferencias, e-learning (MOOCs) y blendedlearning. En esta área destaca el trabajo de los grupos de investigación Technologies for Digital Learning (T4DL) y Sistemas de Tutoría Inteligente (Intelligent Tutor), además del trabajo colaborativo con el Centro de Estudios de Políticas y Prácticas en Educación (CEPPE) en el área de uso educativo de las tecnologías de información y comunicación (TIC). Los profesores que trabajan en esta línea son Ignacio Casas, Miguel Nussbaum y Mar Pérez Sanagustín.

area of educational use of information and communication technologies (TIC). The professors working in this line are Ignacio Casas, Miguel Nussbaum and Mar Pérez Sanagustín.

DCC UC inserto en el mundo

In addition to research, the UC DCC has interesting links in the business and technology fields. In this context, the Technological Services company in Corporate Computing (COMCORDICTUC), led by Professor Ignacio Casas stands out; it is dedicated to the development of computer programs for small and medium companies, As well as to consulting in systems for information management, purchasing, development, operation, quality control and others.

Un total de 105 instituciones en cuatro continentes forman parte de la red de colaboración internacional del Departamento de Ciencia de la Computación de la Escuela de Ingeniería UC. El trabajo de intercambio, en el que participan académicos y estudiantes, incluye actividades como desarrollo de proyectos interdisciplinarios, estadías de investigación, edición de revistas indexadas; participación en comités editoriales y grupos de investigación; y organización de conferencias. Transferencia: del DCC UC a la industria Además de la investigación, el DCC UC cuenta con lazos interesantes en ámbito de los negocios y la tecnología. En este contexto, destaca la empresa de Servicios Tecnológicos en Computación Corporativa (COMCORDICTUC), liderada por el profesor Ignacio Casas y dedicada tanto al desarrollo de programas computacionales para pequeñas y medianas empresas, como a la realización de asesorías en gestión de sistemas de información, compra, desarrollo, operación, control de calidad y otros. Por otra parte, el Centro de Estudios de Tecnologías de Información de la UC (CETIUC), a cargo del profesor Marcos Sepúlveda, está orientado a estudiar y difundir el uso estratégico de tecnologías de la información en organizaciones públicas y privadas. Algunas de sus iniciativas más destacadas son el Estudio

UC DCC a part of the world A total of 105 institutions in four different continents conform the international collaboration network of the UC DCC. Faculties and students carry out the collaborative activities, including interdisciplinary projects, research stays, indexed journal editorial work, participation in editorial committees and research groups, and conference organization, among others. Since UC DCC transfer to industry

On the other hand, the UC Center for Information Technologies Studies (CETIUC), led by Professor Marcos Sepúlveda, is oriented to the study and dissemination of the strategic use of information technologies in public and private organizations. Some of its most outstanding initiatives are the National Study on Information Technologies (ENTI), the study of Information Technology user satisfaction (ESUTI), and consulting services such as the Information Technologies Service Management (ITSM) or the Smart IT Scan tool. In Education, the System of Cognitive Tutoring-DICTUC stands out, in charge of Professor Casas, originally developed by Carnegie Learning Inc. (Pittsburgh, USA) and considered as the first Artificial Intelligence project implanted in Chile in order to support the learning of Mathematics. In addition, the initiative known as K-12, led by Professor Jaime

40 / En foco

In Focus / 41

Desde sus inicios la investigación del DCC UC ha traspasado las fronteras del país. Hoy, los vínculos de colaboración científica involucran a más de 30 instituciones en cuatro continentes. From its beginnings, research at the UC DCC has gone beyond our national borders. Nowadays, the scientific collaboration links involve more than 30 institutions in 4 continents.

42 / En foco

The Not Company propone recrear el sabor de alimentos tradicionales, a través de la combinación de ingredientes vegetales que imitan su sabor y textura. The Not Company aims to recreat the taste of traditional food through the comnination of vegetable ingredients to imitate the original flavors and textures.

Nacional sobre Tecnologías de Información (ENTI), el estudio de satisfacción de usuarios de Tecnologías de Información (ESUTI), y asesorías como el Programa de Transformación hacia itSM (Information Technologies Service Management) o la herramienta Smart IT Scan.

Navón can be found, an educational administration tool whose functionality includes online evaluations with automatic delivery of results and statistics; A task box for digital deliveries and feedback; and space for the publication of pedagogical as well as communicational content.

En Educación, destaca el Sistema de Tutoría Cognitiva-DICTUC, a cargo del profesor Casas, desarrollado originalmente por Carnegie Learning Inc. (Pittsburgh, USA) y considerado como el primer proyecto de Inteligencia Artificial implantado en Chile para apoyar el aprendizaje de Matemáticas. Adicionalmente, se encuentra la iniciativa conocida como K-12, liderada por el profesor Jaime Navón: una herramienta de administración educativa cuya funcionalidad incluye: evaluaciones en línea con entrega automática de resultados y estadísticas; un buzón de tareas para realizar las entregas y la retroalimentación de manera digital; y espacio para la publicación de contenidos tanto de carácter pedagógico como comunicacional.

Finally, entrepreneurship should be noted; the Not Company, co-funded by UC DCC faculty, Karim Pichara. It is a company dedicated to the recreation of the molecular formation of traditional food, in order to produce healthy versions, from combinations of vegetable ingredients proposed by a machine-learning algorithm called Giuseppe. The knowledge transfer model, based on the conviction that it is possible to produce food without the need for large tracts of land, water and animals, was recognized with the Avonni award as one of the most innovative projects in 2016 in the field of applied technology to the development of food.

Por último, cabe destacar el emprendimiento, The Not Company, cofundado por el académico del DCC UC, Karim Pichara. Se trata de una empresa dedicada a recrear la formación molecular de alimentos tradicionales para producir versiones saludables, a partir de combinaciones de ingredientes vegetales propuestas por un algoritmo de aprendizaje de máquina llamado Giuseppe. El modelo

For more information on the initiatives developed by the UC DCC, contact the student chapters supported by the MECOLAB UC department, (http://www. mecolab.cl/), oriented to support the development of applications for mobile and embedded devices, and ACM PUC (https:// www.facebook.com/acm.puc/), whose aim is to promote a spirit of integration among students, teachers and administrative staff.

In Focus / 43

de transferencia de conocimiento sustentado en la convicción de que es posible producir alimentos sin necesidad de contar con grandes extensiones de terreno, agua y animales fue reconocido con el premio Avonni como uno de los emprendimientos más innovadores de 2016 en el área de tecnología aplicada al desarrollo de alimentos. Para más información sobre las iniciativas desarrolladas por el DCC UC contacte a los capítulos estudiantiles apoyados por el departamento: MECOLAB UC (http://www. mecolab.cl/) orientado a apoyar el desarrollo de aplicaciones para dispositivos móviles y embebidos, y ACM PUC (https://www. facebook.com/acm.puc/), cuyo objetivo es promover un espíritu de integración entre estudiantes, profesores y funcionarios administrativos. También se recomienda visitar el sitio web del Departamento de Ciencia de la Computación UC (http:// www.ing.uc.cl/ciencia-de-la-computacion/), escribir al Jefe de Proyectos y Gestión del DCC UC, Rodolfo Molina (rvmolina@ing.puc.cl) y acercarse a las dependencias del departamento ubicado en el piso 4 del edificio San Agustín del campus San Joaquín.

A visit to the UC Department of Computer Science website is also recommended ( ht t p : / / w w w. i n g . u c . c l / c i e n c i a - d e - l a computacion/), writing to the UC DCC Head of Projects and Management, Rodolfo Molina (rvmolina@ing.puc.cl) and visiting the premises of the Department, located on the 4th floor of the San Agustín building at the San Joaquín campus.

04 Investigaciones de alumnos Studentsâ&#x20AC;&#x2122; research

“El día que la ciencia comience a estudiar los fenómenos no-físicos, realizará más progreso en una década que en todos los siglos previos de su existencia.” “The day science begins to study non-physical phenomena, it will make more progress in one decade than in all the previous centuries of its existence.” - Nikola Tesla

46 / Investigaciones de los alumnos

28 / Investigaciones de los alumnos

Modelación de Vigas Reforzadas a Corte con CFRP en ATENA 3D Modeling of Reinforced Beams under Shear with CFRP in ATENA 3D

José Luis Jiménez Ulloa1, alumno de magíster. Wassim M. Ghannoum2, profesor asistente. Hernán Santa María1, profesor titular.

José Luis Jiménez Ulloa1, master’s student. Wassim M. Ghannoum2, assistant professor. Hernán Santa María1, full professor.

Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. 2 Departmento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, The University of Texas at Austin. *Autor para correspondencia: hsm@uc.cl.

Departament of Structural and Geotechnical Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. 2 Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering, School of Engineering, The University of Texas at Austin. *Correspondence author: hsm@uc.cl.

Students’ research / 47

RESUMEN

ABSTRACT

Debido a daños durante terremotos, errores de construcción o diseño, las vigas de hormigón armado suelen necesitar ser reforzadas para resistir esfuerzos de corte. Para este refuerzo, una alternativa cada vez más atractiva es el uso de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP, por sus siglas en inglés). Un modelo computacional basado en elementos finitos tridimensionales no lineales fue desarrollado para simular el comportamiento de vigas de hormigón armado reforzadas al corte con bandas ancladas de CFRP. Los resultados del modelo fueron comparados con ensayos experimentales, mostrando un buen nivel de correlación en los parámetros estudiados y probando al modelo computacional como una herramienta útil para estudiar mecanismos difíciles de observar con ensayos experimentales.

Due to damage during earthquakes, construction or design problems, reinforced concrete beams usually need to be retrofitted in order to resist shear stresses. For this retrofit, an increasingly attractive alternative is the use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP). A computational model based on 3D non-linear finite elements was developed to simulate the behavior of reinforced concrete beams retrofitted with anchored CFRP strips. The model results were compared with experimental tests, showing good correlation in the parameters studied and proving the computational model to be a useful tool to study mechanisms hardly observed with experimental tests.

Palabras clave: CFRP, refuerzo de corte, vigas de hormigón armado, ATENA 3D

Key words: CFRP, shear reinforcement, reinforced concrete beams, ATENA 3D

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) son un material compuesto, conformado por un tejido de fibras de carbono embebidas en una matriz de polímero estructural de alta resistencia. Sus propiedades mecánicas los convierten en un material ideal para la reparación de estructuras de hormigón armado (HA). Cuentan con características como: alta tensión ultima a tracción (8 a 10 veces la tensión de fluencia de un acero A 630 – 420 H), módulo de elasticidad similar al del acero (120-250 GPa), baja densidad (1.600 kg/m3 – 1.900 kg/m3) y alta versatilidad de aplicación a superficies curvas [1]. Son capaces de incrementar la rigidez, resistencia y/o ductilidad de variedad de estructuras de HA sin alterar la geometría de los elementos gracias a su pequeño espesor. A pesar de que el costo de los CFRP es relativamente mayor a otros materiales de construcción, el costo de los equipos de instalación y mano de obra suelen ser menores a los de otros sistemas de reparación.

Carbon fiber-reinforced polymers (CFRP) are composite materials, made of a fabric of carbon fibers embedded in a high-strength structural polymer matrix. Their mechanical properties make them an ideal material for the repair of reinforced concrete structures (RC). They have characteristics such as: maximum tensile strength under traction (8 to 10 times the creep stress of A 630 - 420 H steel), elasticity module similar to that of steel (120-250 GPa), low density (1,600 kg/m3 – 1,900 kg/ m3) and high application versatility to curved surfaces [1]. They are capable of increasing the rigidity, strength and/or the ductility of a variety of RC structures without altering the geometry of the elements, thanks to their small thickness. Although CFRP cost is relatively higher than that of other building materials, the cost of installation equipment and labor are often lower than those of other repair systems.

En las últimas décadas, el uso sistemas de reparación basados en CFRP se ha incrementado progresivamente, muestra de ello es la gran cantidad reportes técnicos y normativa que distintos países han generado [2-9]. Particularmente en el área de reparación al corte de vigas, se han realizado numerosas investigaciones experimentales y se han creado variedad de modelos; en [10] se presenta una revisión de los modelos más conocidos y una evaluación de los mismos con una base de datos de más de 200 experimentos.

In the last decades, the use of CFRP-based repair systems has increased progressively, as demonstrated by the great number of technical reports and regulations that different countries have generated [2-9]. Particularly in the area of shear repairs of beams, numerous experimental investigations have been carried out and a variety of models have been created. In [10], a review of the most well-known models is presented, as well as their evaluation using a database of more than 200 experiments.

Las vigas reforzadas al corte típicamente presentan bandas de CFRP espaciadas a cierta distancia, envolviendo el alma de forma completa o parcial (llamada tipo-U), con

Shear-reinforced beams typically have CFRP strips spaced at a certain distance, completely or partially wrapping the web (called U-type), arranged perpendicularly to the axis

48 / Investigaciones de los alumnos

Figura 1. Disposición de vigas reforzadas con CFRP ensayadas en [11, 12]. Figure 1. Arrangement of CFRP-reinforced beams tested in [11, 12].

una disposición perpendicular al eje o inclinadas con cierto ángulo. El esquema de envoltura completa logra aprovechar de forma más eficiente las propiedades del CFRP, aun así, una envoltura tipo U suele ser necesaria debido a impedimentos geométricos de la estructura (e.g. losas de piso, cubiertas de puentes). Kim et al. [11, 12] estudiaron experimentalmente la contribución de refuerzos de CFRP a la resistencia al corte en vigas tipo T de hormigón armado. El sistema de anclajes de CFRP propuesto en los ensayos experimentales de [11, 12] permite el desarrollo la resistencia máxima de las bandas de CFRP (Figura 1). Estos ensayos fueron realizados en vigas simplemente apoyadas de escala real, diseñadas para fallar por corte antes que flexión, a las cuales se les aplico una carga puntual monotónica creciente en el centro del vano. Solo el extremo izquierdo de la viga (Figura 1) fue estudiado ya que el extremo derecho fue reforzado con mordazas pretensadas para prevenir cualquier tipo de falla por corte. Las deformaciones en las bandas de CFRP fueron capturadas con un sistema de Correlación Digital de Imágenes (DIC, por sus siglas en ingles) de alta resolución y por medio de STRAIN GAGES ubicados a lo largo de los estribos. El objetivo de este trabajo es modelar con elementos finitos no-lineales el comportamiento de las vigas ensayadas, para entender los mecanismos de resistencia al corte de vigas reforzadas con fibras de CFRP. A continuación, se presentan y discuten los resultados de la modelación y análisis.

or inclined at a certain angle. The complete wrapping scheme achieves a more efficient use of CFRP properties; even so, a U-shaped wrap is often required due to geometrical impediments of the structure (i.e. floor slabs, bridge decks). Kim et al. [11, 12] studied experimentally the contribution of CFRP reinforcements to the shear strength of reinforced concrete T-beams. The CFRP anchoring system proposed in the experimental trials in [11, 12] allows the development of maximum resistance of the CFRP strips (Figure 1). These tests were carried out on real-scale simply supported beams, designed for shear faults before bending, to which an increasing monotonic point load in the center of the bay was applied. Only the left end of the beam (Figure 1) was studied since the right end was reinforced with pre-stressed clamps in order to prevent any type of shear failure. Deformations in the CFRP strips were captured with a high resolution Digital Image Correlation (DIC) system and by means of STRAIN GAGES located along the stirrups. The objective of this work is to model the behavior of the tested beams using non-linear finite elements, in order to understand the mechanisms of the beams’ shear strength when reinforced with CFRP fibers. The modeling and analysis results are presented and discussed in what follows.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

El modelo computacional propuesto en este estudio fue desarrollado con el programa ATENA 3D y busca replicar los resultados experimentales capturados en vigas reforzadas con envolturas ancladas del tipo U de CFRP desarrollados por el Centro de Investigación en Transporte (CTR, por sus siglas en ingles) de la Universidad de Texas en Austin [11, 12]. En particular se buscó: (a) evaluar las herramientas

The computational model proposed in this study was developed using the ATENA 3D program and seeks to replicate the experimental results captured on reinforced beams with CFRP U-type anchored sheaths developed by the Transport Research Center (CTR) at the University of Texas at Austin [11, 12]. In particular, we sought to: (a) evaluate the tools provided by ATENA 3D in order

Students’ research / 49

que proporciona ATENA 3D para modelar conexiones ancladas de CFRP, (b) obtener curvas carga vs deflexión, curvas de contribución de esfuerzo de corte y el patrón de agrietamiento, (c) comparar los resultados obtenidos del modelo computacional con los resultados experimentales reportados.

ATENA 3D es un programa de análisis estructural basado en el método de elementos finitos, lineales y no lineales, especializado en elementos de hormigón armado. Cuenta con una interfaz gráfica completa y eficiente, lo que permite dibujar de forma rápida modelos detallados de estructuras complejas. Tiene implementados gran cantidad de modelos constitutivos (SBETA, modelos constitutivos del tipo FRACTUREPLASTIC, Microplanos M4 y M7, Drucker Prager 3D, Von Mises 3D Bilineal, modelos Bond-Slip para barras de acero, modelos cíclicos para barras de acero y modelos de interfaz para superficies en contacto) lo que permite su uso inmediato en cualquier tipo de estructura [13]. El modelo computacional (Figura 2) involucró el uso de hormigón (igual a 27 MPa), barras de refuerzo grado 75 (barras longitudinales en tracción), barras de refuerzo grado 60 (estribos y barras longitudinales en compresión), resina epoxi y fibras de carbono. El hormigón se modeló con el material CC3DNonLinCementitious2 [13] correspondiente a la categoría de constitutivas del tipo Fracture-Plastic que utiliza una formulación de agrietamiento ortotrópico del tipo smeared y un modelo de banda de agrietamiento. Se utilizó ELEMENTOS BRICK de 8 nodos con funciones

Figura 2. Configuración de elementos del modelo ATENA 3D. Figure 2. Configuration of the ATHENA 3D model elements.

to model anchored CFRP connections, (b) obtain loaddeflection curves, shear stress contribution curves and the cracking pattern, (c) compare the results obtained from the computational model with the experimental results reported. ATENA 3D is a structural analysis program based on the finite-elements method, linear and nonlinear, which specializes in reinforced concrete elements. It has a complete and efficient graphical interface, allowing quick drawing of complex structures’ detailed models. It has a large number of constitutive models implemented (SBETA, constitutive models of the FRACTURE-PLASTIC type, M4 and M7 Microplanes, Drucker Prager 3D, Von Mises 3D Bilinear, Bond-Slip models for steel rods, cyclic models for steel rods and interface models for surfaces in contact) which allows its immediate use in any type of structure [13]. The computational model (Figure 2) involved the use of concrete (igual a 27 MPa), grade-75 reinforcement bars (longitudinal rods under compression), grade-60 reinforcement bars (stirrups and longitudinal bars under compression), and epoxy resin and carbon fibers. The concrete was modeled using CC3DNonLinCementitious2 [13] material, corresponding to the constitutive category of the Fracture-Plastic type using an orthotropic cracking formulation of the smeared type and a cracking band model. We used 8-node BRICK ELEMENTS with linear interpolation functions and an approximate 60-mm edge size. The concrete is defined by the properties reported in [12]: a uniaxial compressive strength after 28 days in a 27-MPa cylindrical test tube

50 / Investigaciones de los alumnos

de interpolación lineales de un tamaño aproximado de arista de 60 mm. El hormigón se encuentra definido por las propiedades reportadas en [12]: una resistencia a la compresión uniaxial a los 28 días en probeta cilíndrica de 27 MPa y una resistencia a la tensión de 3,05 MPa. Para los demás parámetros necesarios se utilizó modelos experimentales en función de y [13]. Las barras de refuerzo, ya sean grado 60 o grado 75, se modelaron con el material CCReinforcement [13] considerando a un constitutiva bilineal en base a las propiedades de tensión de fluencia, tensión de ruptura y elongación máxima hallados en [14]. Se utilizaron elementos uniaxiales embebidos en la matriz de hormigón. La unión entre las barras y el hormigón fue considerada perfecta, sin desplazamientos relativos posibles. El CFRP se lo dividió en dos materiales: resina epoxi y fibras de carbono discretas, es decir, se optó por modelar por separado sus dos componentes siguiendo las recomendaciones del manual ATENA 3D [15]. Las propiedades de ambos materiales fueron tomadas de Tyfo® SCH-11UP Composite indicadas en [16], mismo material que fue utilizado en los ensayos. Para el caso de la resina epoxi se utilizó el material CC3DElastIsotropic [13] correspondiente a una constitutiva elastica y lineal. Se utilizaron ELEMENTOS SHELL del tipo Ahmad de 9 nodos con funciones de interpolación cuadráticas y un tamaño aproximado de arista de 60 mm. Estos elementos se ubicaron en la superficie del alma de la viga (Figura 2). Para el caso de las fibras de carbono discretas se utilizó el material CCReinforcement [13] considerando una

and a stress strength of 3.05 MPa. For the other necessary parameters, experimental models were used as a function of y (13). The reinforcement bars, either grade 60 or grade 75, were modeled with CCReinforcement [13] material considering a bilinear constitutive based on the properties of yield stress, rupture stress and maximum elongation found in [14]. Uniaxial elements embedded in the concrete matrix were used. The union between bars and concrete was considered perfect, with no possible relative displacements. The CFRP was divided into two materials: epoxy resin and discrete carbon fibers, i.e. it was chosen to model its two components separately, following recommendations of the ATENA 3D manual [15]. The properties of both materials were taken from Tyfo® SCH-11UP Composite indicated in [16], the same material that was used in the tests. In the case of epoxy resin, the CC3DElastIsotropic material [13] corresponding to an elastic and linear constitutive was used. We used 9-node Ahmad-type SHELL ELEMENTS with quadratic interpolation functions and an approximate 60-mm edge size. These elements were located on the surface of the beam’s web (Figure 2). In the case of discrete carbon fibers, CCReinforcement material [13] was used considering a linear elastic constitutive. The carbon fibers were explicitly modeled as uniaxial elements and were placed in the same plane as the

Figura 3. Comparación de patrones de agrietamiento de viga control: (a) Fotografía al final del ensayo experimental, (b) Deformaciones normales principales ε_11 obtenidas del modelo ATENA 3D, (c) Ubicación de puntos de monitoreo en estribos. Figure 3. Comparison of control beam cracking patterns: (a) Photograph at the end of the experimental trial, (b) Major normal ε_11 deformations obtained from the ATENA 3D model, (c) Location of monitoring points in stirrups.

Students’ research / 51

constitutiva lineal elastica. Las fibras de carbono fueron modeladas explícitamente como elementos uniaxiales y fueron ubicadas en el mismo plano del elemento shell que representa la resina epoxi (Figura 2). Se aplicó un numero arbitrario de fibras, pero el área de cada fibra fue determinada tal que produzca una rigidez en el elemento compuesto igual a la rigidez compuesta especificada en Tyfo® SCH-11UP [16]. Se realizó un análisis del tipo PUSHOVER estático con incrementos de desplazamiento. El análisis consideró no linealidad geométrica y fue del tipo ARC LENGTH donde se utilizó los parámetros recomendados por defecto en ATENA 3D.

shell element that represents the epoxy resin (Figure 2). An arbitrary number of fibers was applied, but the area of each fiber was determined so that it produced a rigidity in the composite element equal to the composite rigidity specified in Tyfo® SCH-11UP [16]. A static PUSHOVER-type analysis was performed with displacement increments. The analysis considered geometric non-linearity and was of the ARC LENGTHtype, and recommended ATENA 3D default parameters were used.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Patrones de agrietamiento

3.1 Cracking patterns

El agrietamiento diagonal observado en los experimentos al nivel de carga final y las deformaciones calculadas con el modelo de elementos finitos, se muestran: en la Figura 3 para la viga control (no reforzada) y en la Figura 4 para la viga reforzada con CFRP. Se observa que ATENA 3D logra capturar zonas de agrietamiento similares a las vistas en los ensayos experimentales. Los modelos ATENA 3D muestran una mayor concentración de deformaciones en una zona cercana a donde se observa agrietamiento en los modelos experimentales. Los estribos y bandas de CFRP ubicados al centro de la zona ensayada experimentan una mayor solicitación; pero, independiente del tipo de refuerzo de la

The diagonal cracking observed in the experiments at the final load level and the deformations calculated with the finite-element model are shown in Figure 3 for the control beam (not reinforced) and in Figure 4 for the CFRPreinforced beam. It is observed that ATENA 3D manages to capture cracking areas similar to the ones observed in the experimental tests. The ATENA 3D models show a higher concentration of deformation in an area close to where cracking is observed in the experimental models. CFRP stirrups and strips located at the center of the tested area experience increased stress; but independently of the beam reinforcement type, the crack retains its shape and crosses

Figura 4. Comparación de patrones de agrietamiento de viga reforzada con CFRP: (a) Fotografía al final del ensayo experimental, (b) Deformaciones normales principales obtenidas del modelo ATENA 3D, (c) Ubicación de puntos de monitoreo en estribos y fibras de carbono. Figure 4. Comparison of CFRP-reinforced beam cracking patterns: (a) Photograph at the end of the experimental trial, (b) Major normal deformations obtained from the ATENA 3D model, (c) Location of monitoring points on stirrups and carbon fibers.

52 / Investigaciones de los alumnos

viga, la grieta conserva su forma y atraviesa todos los estribos y bandas de CFRP de la zona estudiada. El modelo computacional logra identificar una mayor dispersión en la concentración de deformaciones en la viga no reforzada tal como ocurre en el ensayo experimental, donde se observa varias grietas de poco espesor (Figura 6). Al mismo tiempo, la concentración de deformaciones en la viga reforzada está claramente demarcada en un área definida tal como ocurre en el ensayo experimental, donde se observa una grieta de gran espesor (Figura 7).

all CFRP stirrups and strips in the area that was studied. The computational model manages to identify greater dispersion in the concentration of deformations in the control beam, just like the experimental test, in which several cracks of small thickness are observed (Figure 6). At the same time, the concentration of deformations in the reinforced beam is clearly delimited to a defined area, just like the experimental test, where a crack of great thickness is observed (Figure 7).

3.2 Curvas Carga Deformación

3.2 Load-Deformation Curves

En la Figura 5 se presentan las curvas deflexión vs carga, tanto medidas como calculadas, para la viga control (no reforzada) y la viga reforzada con CFRP. La carga máxima medida en la viga control fue 1,0 MN, mientras que en la viga reforzada se llegó hasta aproximadamente 1,9 MN. La respuesta de la viga control tiene una primera parte aproximadamente lineal hasta 0,2 MN, mientras que para cargas mayores la rigidez se va degradando. Por otro lado, la viga reforzada tiene una respuesta lineal hasta una carga mayor, 0,6 MN. Para cargas mayores la viga mantiene comportamiento lineal hasta aproximadamente 1,6 MN.

Figure 5 shows deflection vs. load curves, both measured and calculated, for the control beam (not reinforced) and for the CFRP-reinforced beam. The maximum load measured in the control beam was 1.0 MN, while in the reinforced beam it reached approximately 1.9 MN. The response of the control beam has an approximately linear first part up to 0.2 MN, whereas the rigidity degrades at greater loads. On the other hand, the reinforced beam has a linear response up to a larger load, 0.6 MN. For greater loads the beam maintains linear behavior up to approximately 1.6 MN.

Se observa que la curva obtenida de ATENA 3D correspondiente a la viga no reforzada es muy cercana a la curva experimental, capturando la rigidez inicial, la carga para la que se pierde comportamiento lineal, y la resistencia máxima y deformación ultima. Por otro lado, la curva ATENA 3D reproduce muy bien la rigidez inicial, el punto de cambio de rigidez y la rigidez posterior. No es capaz de estimar bien la resistencia máxima ni la deformación ultima ya que falla a 1,4 MN. En los modelos de ATENA 3D, se consideró finalizado el ensayo cuando el programa detectaba problemas de convergencia en la respuesta. Estos

It is observed that the curve obtained from ATENA 3D corresponding to the beam that was not reinforced is very close to the experimental curve, capturing the initial rigidity, the load at which linear behavior is lost, and maximum resistance and ultimate deformation. On the other hand, the ATENA 3D curve reproduces very well the initial rigidity, the point at which rigidity changes and subsequent rigidity. It is not able to estimate either the maximum strength or the ultimate deformation, since it fails at 1.4 MN. In the ATENA 3D models, the test was considered finished when the program detected convergence problems in the response. These convergence problems occurred in

Figura 5. Curvas Carga Deformación: (a) Viga Control, (b) Viga Reforzada con CFRP. Figure 5. Load-Deformation Curves: (a) Control Girder, (b) CFRP-Reinforced Girder.

Students’ research / 53

Figura 6. Curvas de Contribución de Corte. Viga Control: (a) Modelo Experimental, (b) Modelo ATENA 3D. Figure 6. Shear Contribution Curves. Control Beam: (a) Experimental Model, (b) ATENA 3D Model.

problemas de convergencia ocurrieron en los elementos relacionados con la resina epoxi y la fibra de carbono.

elements related to epoxy resin and carbon fiber.

3.3 Curvas de Contribución de Corte

3.3 Shear Contribution Curves

Al ser una viga simplemente apoyada con una carga puntual, el corte total aplicado se puede obtener estáticamente. Dadas las dimensiones de la probeta (Figura 1) se tiene un corte de V(x)=0,554P, donde P es la carga puntual aplicada. Tanto para la viga control como para la viga reforzada, la contribución de los estribos y de las bandas de CFRP fue obtenida por medio de puntos de monitoreo de deformación ubicados en la zona de concentración de deformaciones observada en ATENA 3D (Figuras 3-4), mientras que la contribución del hormigón se obtuvo como la resta entre el corte total y el aporte de los estribos y bandas de CFRP (Vccontrol=V-Vs,Vcreforzada=V-Vs-VCFRP).

Being a simply supported beam with a point load, the applied total shear can be obtained statically. Given the dimensions of the test tube (Figure 1) we have a shear of V(x)=0.554P, where P is the applied point load. For both, control and reinforced beams, the contribution of the stirrups and the CFRP strips was obtained by means of deformation monitoring points located in the area of concentration of the deformations observed in ATENA 3D (Figures 3-4), while the concrete’s contribution was obtained as the subtraction between total shear and the contribution of the stirrups and CFRP strips (Vccontrol=VVs,Vcreinforced=V-Vs-VCFRP).

En la Figura 6 se muestra el aporte de resistencia al corte del hormigón y de los estribos de acero en la viga control, medido en el experimento y calculados con ATENA 3D. Se observa la gran similitud entre las curvas de contribución al corte en la viga control. Las curvas calculadas logran capturar un instante de agrietamiento similar al de las curvas experimentales (cerca de P=0,6 MN), que corresponde al punto en el que aumenta bruscamente la fuerza en los estribos. También captura de forma cercana la evolución de los esfuerzos de corte, tanto en los estribos como en el hormigón, antes y después del agrietamiento. Se observa que el aporte de los estribos es nulo antes del agrietamiento, crece repentinamente durante el agrietamiento y llega a ser muy cercano al aporte del hormigón para el final del ensayo.

Figure 6 shows the contribution of shear strength for the concrete and steel stirrups in the control beam, measured in the experiment and calculated with ATENA 3D. Great similarity between the shear contribution curves in the control beam can be observed. The calculated curves manage to capture an instant of cracking similar to that of the experimental curves (around P=0.6 MN), which corresponds to the point in which the force on the stirrups increases abruptly. They also capture closely the evolution of shear efforts, both in the stirrups and concrete, before and after cracking. It is observed that the contribution of the stirrups is null before cracking, grows suddenly during cracking and becomes very close to the contribution of the concrete at the end of the test.

En la Figura 7 se muestran curvas de contribución de corte para la viga reforzada con CFRP. Se observa que las curvas calculadas logran capturar una contribución a corte de los estribos, bandas de CFRP y hormigón similar a las curvas

Figure 7 shows shear contribution curves for the CFRPreinforced beam. It is observed that the calculated curves are able to capture a contribution to shear of the stirrups, CFRP strips and concrete, similar to the experimental

54 / Investigaciones de los alumnos

Figura 7. Curvas de Contribución de Corte. Viga Reforzada con CFRP: (a) Modelo Experimental, (b) Modelo ATENA 3D. Figure 7. Shear Contribution Curves. CFRP-reinforced beam: (a) Experimental Model, (b) ATENA 3D Model.

experimentales hasta poco después del agrietamiento (aproximadamente 0,9 MN). El modelo computacional deja de converger a una carga por debajo de la resistencia final del ensayo experimental (1,3 MN). Aun así, ATENA 3D logra capturar un instante de agrietamiento muy cercano al de los experimentos (aproximadamente 0,8 MN), y también logra capturar la forma de las curvas durante el agrietamiento: la viga reforzada durante el agrietamiento no sufre una disminución de la carga total (Figura 7), mientras que la viga no reforzada si lo hace (ver Figura 6). Finalmente, el modelo ATENA 3D subestima el aporte de las bandas de CFRP ya que experimentalmente se observa que para el final del ensayo contribuyen con más del doble del aporte de los estribos y por encima del aporte del hormigón.

curves until shortly after cracking (approximately 0.9 MN). The computational model stops converging at a load below the final resistance of the experimental test (1.3 MN). Even so, ATENA 3D manages to capture an instant of cracking very close to the one of the experiments (approximately 0.8 MN), and also manages to capture the shape of the curves during cracking: the reinforced beam does not suffer a decrease in total load during cracking (Figure 7), while the non-reinforced beam does (see Figure 6). Finally, the ATENA 3D model underestimates the contribution of the CFRP strips, since it is observed experimentally that at the end of the test they contribute with more than double the contribution of the stirrups and more than the contribution of the concrete.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

Se creó un modelo computacional en ATENA 3D con el fin de replicar los resultados experimentales de vigas reforzadas con CFRP desarrollados por el CTR de la Universidad de Texas en Austin [9, 10]. Las observaciones y conclusiones obtenidas son las siguientes:

A computer model was created in ATENA 3D in order to replicate the experimental results of CFRP-reinforced beams, developed by the University of Texas at Austin CTR [9, 10]. The comments and conclusions obtained are the following:

1. ATENA 3D ofrece una amplia gama de modelos constitutivos, tipos de elementos, tipos de análisis y modelación para elementos de hormigón armado.

1. ATENA 3D offers a wide range of constitutive models, types of elements, types of analysis and modeling for reinforced concrete elements.

2. ATENA 3D no ofrece herramientas específicas para la modelar elementos de CFRP. Aun así, utilizando constitutivas generales fue posible capturar el comportamiento de la viga reforzada con CFRP por lo menos hasta un 70% de la carga máxima del experimento. Esto se debe a que el CFRP se encuentra dispuesto de tal forma que trabaja principalmente la dirección longitudinal de las fibras, dirección en donde el CFRP tiene un comportamiento considerablemente lineal y elástico.

2. ATENA 3D does not offer specific tools for modeling CFRP elements. However, using general constitutives it was possible to capture the behavior of the CFRPreinforced beam at least up to 70% of the maximum load of the experiment. This is because the CFRP is arranged in such a way that it mainly works on the longitudinal direction of the fibers, in which direction the CFRP has a considerably linear and elastic behavior.

Students’ research / 55

3. El modelo computacional logró capturar patrones de agrietamiento, curvas carga-deflexión y contribución de corte sin un costo computacional exagerado (los modelos demoraron en promedio 1 hora y media en concluir el análisis). ATENA 3D es una herramienta práctica de modelación que permite estudiar fenómenos difíciles de observar en ensayos experimentales.

3. The computational model was able to capture cracking patterns, load-deflection curves and shear contribution without an exaggerated computational cost (the models took an average of 1 and a half hours to complete the analysis). ATENA 3D is a practical modeling tool that allows the study of phenomena that are difficult to observe in experimental tests.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Los autores quisieran agradecer a Nawaf Alotaibi por proporcionar las curvas experimentales con las cuales se comparó el modelo computacional. También a William A. Shekarchi y Roya Abyaneh por la ayuda brindada en la modelación. Finalmente, a la Pontifica Universidad Católica de Chile por la ayuda brindada durante la estadía corta de investigación en la Universidad de Texas en Austin.

The authors would like to thank Nawaf Alotaibi for providing the experimental curves with which the computational model was compared. Also, thanks to William A. Shekarchi and Roya Abyaneh for help provided in the modeling. Finally, thanks to the Pontifical Catholic University of Chile for the assistance provided during for the short research stay at the University of Texas at Austin.

GLOSARIO

GLOSSARY

STRAIN GAGES: sensor de medición de deformaciones, consiste en un conductor eléctrico que cambia el valor de su resistencia conforme cambia su geometría debido a la deformación del material al que va adherido. MODELO FRACTURE-PLASTIC: modelo de comportamiento no lineal del hormigón que combina de modelos constitutivos de fractura en tensión y plasticidad en compresión. Puede detectar agrietamiento ELEMENTO BRICK: elemento finito tridimensional hexaédrico. ELEMENTO SHELL: elementos finito tridimensional hexaédricos donde su dimensión de espesor es mucho más pequeña que las otras dos dimensiones. PUSHOVER: proceso sucesivo de análisis estructural estático incremental donde se toma en cuenta la variación de rigidez de los elementos. ANÁLISIS ARC LENGTH: algoritmo incremental iterativo de resolución de ecuaciones o sistemas de ecuaciones no lineales.

STRAIN GAGES: deformation measurement sensors that consist of an electrical conductor that changes the value of its resistance as its geometry changes due to deformation of the material to which it is attached. FRACTURE-PLASTIC MODEL: concrete non-linear behavior model that combines constitutive models of stress fracture and plasticity under compression. It can detect cracking, crushing under high confinement and closing of cracks. BRICK ELEMENT: hexahedral three-dimensional finite element. SHELL ELEMENT: finite three-dimensional hexahedral elements such that their thickness is much smaller than the other two dimensions. PUSHOVER: successive incremental static and structural analysis in which the rigidity variation of the elements is taken into account. ARC LENGTH ANALYSIS: iterative incremental algorithm for solving equations or systems of equations that are non-linear.

56 / Investigaciones de los alumnos

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La Figura 8 muestra un esquema simplificado del mecanismo de un tipo de falla por esfuerzo de corte. A pesar de que los factores que influyen a la formación de grietas son numerosos y complejos, se ha observado experimentalmente que las grietas tienen una orientación vertical en la zona cercana al centro del vano y tienden a una orientación diagonal cerca de los apoyos (45° aproximadamente). Luego, para restringir el crecimiento de esas grietas es necesario utilizar una armadura de corte (estribos) al interior de la viga de HA, la que debe cruzar las grietas y estar bien ancladas a ambos lados de ellas. En casos donde esta armadura de corte ha sido sub dimensionada o las solicitaciones de corte tuvieron un incremento repentino, es necesario reforzar la viga externamente con materiales como el CFRP. De lo contrario la viga tendrá una falla frágil debida a corte mucho antes de desarrollar toda la capacidad a flexión para la que fue originalmente construida.

Figure 8 shows a simplified schematic of the mechanism corresponding to a type of failure caused by shear stress. Although the factors influencing the formation of cracks are numerous and complex, it has been experimentally observed that the cracks have a vertical orientation in the area near the center of the bay and tend towards a diagonal orientation near the supports (45° approximately). Therefore, in order to restrict the growth of these cracks, it is necessary to use a cutting armor (stirrups) inside the RC beam, which must cross the cracks and be well anchored on both sides of them. In cases in which this shear reinforcement has been undersized or in which the shear forces have increased suddenly, it is necessary to reinforce the beam externally with materials such as CFRP. Otherwise, the beam will undergo a brittle failure caused by shear, well before developing all the bending capacity for which it was originally built.

Figura 8. Mecanismos de transferencia de corte en una viga reforzada con CFRP. Figure 8. Shear transfer mechanisms in a CFRP-reinforced beam.

Students’ research / 57

REFERENCES [1] TENG, J., et al. FRP-strengthened RC Structures. Chichester, UK: John Wiley & Sons, LTD, 2002. ISBN 0-471-48706-6. [2] INTERNATIONAL FEDERATION FOR STRUCTURAL CONCRETE (fib). Bulletin 14: Externally bonded FRP reinforcement for RC structures. Lausanne, Switzerland, 2001. [3] AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI). Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures (ACI 440.2R-08). Farmington Hills, MI, 2008. [4] CANADIAN STANDARDS ASSOCIATION (CSA). Design and Construction of Building Components with FibreReinforced Polymers (CAN/CSA-S806-02). Ontario, Canada, 2002. [5] CONCRETE SOCIETY (CS). Design guidance on strengthening concrete structures using fibre composite materials (Technical Rep. No. 55). London, UK, 2004. [6] NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM (NCHRP). Design of FRP Systems for Strengthening Concrete Girders in Shear (NCHRP Report 678). Transportation Research Board. Washington, D.C., 2011. [7] NATIONAL RESEARCH COUNCIL (CNR) - Advisory Committee on Technical Recommendations for Construction. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures (CNR-DT 200/2004). Rome, Italy, 2004. [8] NATIONAL COOPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM (NCHRP). Recommended Guide Specification for the Design of Externally Bonded FRP Systems for Repair and Strengthening of Concrete Bridge Elements (NCHRP Report 655). Transportation Research Board. Washington, D.C., 2010. [9] CANADIAN NETWORK OF CENTERS OF EXCELLENCE ON INTELLIGENT SENSING FOR INNOVATIVE STRUCTURES (ISIS). Strengthening reinforced concrete structures with externally-bonded fibre reinforced polymers (ISIS Canada Design Manual no. 4). Ontario, Canada, 2001. [10] Are Available Models Reliable for Predicting the FRP Contribution to the Shear Resistance of RC Beams? Sas et al. 6, , 2009, Vol. 13, pp. 514-534. [11] Shear behavior of full-scale reinforced concrete T-beams strengthened with CFRP strips and anchors. Kim, Ghannoum & Jirsa. 2015, Construction and Building Materials, Vol. 94, pp. 1-9. [12] KIM, Y., et al. Shear Strengthening of Reinforced and Prestressed Concrete Beams Using Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Sheets and Anchors (FHWA/TX-12/0-6306-1). Texas Department of Transportation. Austin, TX : Center for Transportation Research, 2012. [13] CERVENKA, V., JENDELE, L., CERVENKA, J. ATENA Program Documentation. Part 1: Theory. Prague, Czech Republic: Cervenka Consulting, 2014. pp. 15-82. [14] Standard Specification for Deformed and Plain Carbon Steel Bars for Concrete Reinforcement (A615/A615M-16). American Society for Testing Materials (ASTM). West Conshohocken, PA, 2016. [15] PRYL, D., CERVENKA, J. ATENA Program Documentation. Part 11: Troubleshooting Manual. Prague, Czech Republic: Cervenka Consulting, 2014. [16] FYFE COMPANY. TYFO® SCH-11UP Composite using Tyfo® S Epoxy. [Online] 2015. [Cited: 8 9, 2016.] http://www. fyfeco.com/-/media/Files/Fyfe/2013-Products/Tyfo%20SCH%2011UP.ashx.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

José Luis Jiménez

Wassim M. Ghannoum

Hernán Santa María

58 / Investigaciones de los alumnos

Microbial Fuel Cells como alternativa para la remediación de drenaje ácido de mina Microbial Fuel Cells as an alternative for acid mine drainage remediation Enzo Leiva Aravena1, alumno 5to año. Eduardo Leiva Llantén2,3, profesor asistente. Ignacio Vargas Cucurella2, profesor asistente.

Enzo Leiva Aravena1, 5th year student. Eduardo Leiva Llantén2,3, assistant professor. Ignacio Vargas Cucurella2, assistant professor.

Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. 2 Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. 3 Departamento de Química Inorgánica, Facultad de Química, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: itvargas@ing.puc.cl.

Departament of Chemical Engineering and Bioprocesses, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. 2 Departament of Hydraulic and Ambient Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. 3 Departament of Inorganic Chemistry, College of Chemistry, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Correspondence author: itvargas@ing.puc.cl.

Students’ research / 59

RESUMEN

ABSTRACT

El Drenaje Ácido de Mina es un problema ambiental caracterizado por la generación de aguas con bajo pH y altas concentraciones de metales disueltos. Este trabajo evaluó el uso de Microbial Fuel Cells como alternativa de tratamiento, con foco en la neutralización de aguas. Dos reactores de cámara simple fueron operados en modo batch por ~5 meses, monitoreando su potencial de tratamiento y simultáneamente su potencial de generación de energía. Las máximas densidades de corriente obtenidas fueron de ~357 mA·m-2 y ~186 mA·m-2, mientras que el pH aumentó más de 4 unidades en cada reactor. Adicionalmente, se registró la dinámica del cambio de pH al interior de los reactores durante las primeras horas de operación, obteniendo un comportamiento similar para las condiciones de circuito abierto y cerrado. Posteriormente, uno de los reactores fue desmontado para evaluar la capacidad aislada de cada una de las comunidades microbianas presentes en el reactor para aumentar el pH. Si bien todas demostraron tener potencial de tratamiento, no se alcanzaron los niveles del efluente del reactor original. Estos resultados sugieren que la neutralización es un proceso independiente de la generación de corriente, causado por un efecto sinérgico de las comunidades del reactor. Si bien la operación de las Microbial Fuel Cells no influiría en la eficiencia de tratamiento, sí podría tener un rol en la selección de los microorganismos responsables de la neutralización.

Acid mine drainage is an environmental concern that generates low-pH water with high dissolved metal concentrations. This study evaluated the use of microbial fuel cells as a treatment alternative, focusing on water neutralization. Two single-chamber reactors were operated in batch mode for five months, a time over which treatment and energy generation potentials were simultaneously monitored. The maximum current densities obtained were ~357 mA m-2 and ~186 mA m-2, and the pH inside each reactor increased more than 4 pH units. Additionally, pH change dynamics inside reactors were recorded for the first hours of operation, and similar behaviors were obtained for open- and closed-circuit conditions. After operation, one of the reactors was dismantled to separately evaluate the ability of each microbial community to increase pH. While all communities demonstrated treatment potential, the pH levels of the effluent for the original reactor were not replicated. These results suggest that neutralization, inside the tested reactor, was independent from current generation and was caused by a synergistic effect between the different microbial biofilms of the reactor. While microbial fuel cell operation might not affect treatment efficiency, it could be related to the selection of neutralizing microorganisms.

Palabras clave: Microbial Fuel Cells, Drenaje Ácido de Mina, Tratamiento biológico de aguas, Microorganismos ácido-tolerantes.

Keywords: Microbial fuel cells, Acid mine drainage, Biological water treatment, Acid-tolerant microorganisms

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

La actividad minera, muy fructífera para nuestro país, es la responsable de problemas ambientales como el Drenaje Ácido de Mina (DAM). El DAM corresponde a aguas con bajo pH y altas concentraciones de iones metálicos (e.g. hierro y aluminio) y no metálicos (e.g., sulfato) [1]. Estas aguas pueden provenir de minas abandonadas, minas en operación, relaves y otras fuentes, donde ha tenido lugar la OXIDACIÓN de minerales provocada por su exposición a oxígeno y agua [2]. Un ejemplo de esto se presenta en el extremo norte de Chile, donde los yacimientos de azufre del volcán Tacora, abandonados hace algunas décadas, constituyen un foco de producción de DAM [3]. Esta contaminación hace muy difícil la existencia de cultivos

Mining, a prolific and important industry for Chile, causes certain environmental concerns, such as acid mine drainage (AMD). AMD is a mine-to-environment outflow of lowpH water with high metallic (e.g. iron and aluminum) and non-metallic (e.g. sulfate) ion concentrations [1]. This water is generated through mineral OXIDATION, specifically through the exposure of mineral ore in abandoned or operating mines, as well as tailings and other sources, to oxygen and water [2]. An example of this situation can be observed in northern Chile, where abandoned sulfur deposits from the Tacora Volcano are now a focal point for AMD production [3]. This pollution detrimentally affects crop production in the Lluta River Valley, in contrast with

60 / Investigaciones de los alumnos

en el valle del río Lluta, en contraste con la conocida fertilidad del vecino valle de Azapa [3]. Las soluciones convencionales para el problema de DAM consisten en medidas preventivas o estrategias de remediación [2]. Los esfuerzos preventivos incluyen métodos de sellado efectivo de minas o relaves, y utilización de toxinas para eliminar a microorganismos involucrados en la oxidación de minerales [2]. Por su parte, las estrategias de remediación se clasifican en dos tipos: i) procesos activos, asociados a la aplicación continua de soluciones básicas, lo que provoca tanto la NEUTRALIZACIÓN de las aguas como la precipitación de metales disueltos; y ii) procesos pasivos, basados en el uso de humedales naturales o artificiales que aprovechan procesos biológicos para cumplir los mismos objetivos. Las estrategias mencionadas poseen numerosas desventajas, tanto económicas como operacionales. Entre estas se encuentran: la duración transitoria del efecto de algunas medidas preventivas; la formación de precipitados indeseados, que pueden inducir la falla de sistemas de tratamiento; y los elevados costos de operación y mantención de los sistemas pasivos de remediación [2]. En este escenario, resulta interesante evaluar el uso de tecnologías emergentes y eventualmente más sustentables para remediar el problema de DAM. Como ejemplo de esto, la tecnología conocida como MICROBIAL FUEL CELL (MFC), que permite la obtención de energía eléctrica mediante el uso de microorganismos, ha sido reportada como una alternativa con potencial para el tratamiento de DAM [4]. Existen escasas incursiones previas en la remediación de DAM utilizando sistemas MFC. Un ejemplo es la MFC de doble cámara que usó un agua sintética tipo DAM como catolito (pH ~2,4, Fe3+ ~500 mg L-1) [1]. Sus resultados fueron bastante satisfactorios para el tratamiento de DAM, ya que se logró simultáneamente la neutralización del catolito y la precipitación de gran parte del ión Fe3+ inicial, luego de 6 días de operación BATCH. Otro caso destacable es el de una MFC de doble cámara cuyo ánodo fue INOCULADO con la BACTERIA ACIDÓFILA Acidiphilium cryptum [5]. Este sistema aprovechó la capacidad natural de A. cryptum para REDUCIR Fe3+ y transferir electrones al ánodo. Si bien este trabajo no se centró en la remediación de DAM (neutralización y remoción de metales), sí constituye un referente para la construcción de MFCs operando a pH ácido. Esto, debido a que el pH 4 de ambas cámaras aumentó la disponibilidad de protones para la REDUCCIÓN del ACEPTOR final de electrones (oxígeno) [5], además de aumentar la solubilidad del ión Fe2+, esencial para el traspaso de electrones al ánodo y por tanto para la generación de corriente. Gran cantidad de las MFCs reportadas usan oxígeno como aceptor final de electrones, suministrándolo a través del burbujeo de aire u oxígeno puro en un medio acuoso. Sin embargo, el uso de MFCs de una sola cámara, que usan un

the fertility of the neighboring Azapa Valley [3]. Conventional solutions for AMD consist in preventive measures or remediation strategies [2]. Preventive efforts include sealing techniques for mines and tailings, in addition to using toxins to kill microorganisms involved in mineral oxidation [2]. Remediation strategies are classified into two types: i) active processes, associated with the continuous application of basic solutions that neutralize water and dissolved metal precipitates; and (ii) passive processes, which use natural or artificial wetlands to leverage biological processes to achieve NEUTRALIZATION. The above strategies have various economic and operational disadvantages. These problems include: temporary effects for some preventive measures; the formation of unwanted precipitates, which may induce treatment system breakdowns; and high operation and maintenance costs, particularly for passive remediation systems [2]. Considering these limitations, emerging and possibly more sustainable technologies for solving the AMD problem should be explored. MICROBIAL FUEL CELL (MFC) technology, which obtains electrical energy from microorganisms, is one such potential alternative for AMD treatment [4]. There are few reported studies for AMD remediation using MFC technology. One study used a dual-chamber MFC with artificial AMD as the catholyte (~ 2.4 pH and ~ 500 mg L-1 Fe3 +) [1]. Lefebvre et al. [1] obtained promising results, as a large part of the initial Fe3+ ions were simultaneously neutralized and precipitated at the cathode after six days of BATCH operation. Another notable dual-chamber MFC used an anode INOCULATED with the ACIDOPHILIC BACTERIUM Acidiphilium cryptum [5]. This system used the natural capacity of A. cryptum to REDUCE Fe3 + and transfer electrons to the anode. Although Borole et al. [5] did not focus on AMD remediation (i.e. metal neutralization and removal), the described dual-chamber system serves as a reference point for constructing MFCs operational at an acidic pH. In particular, proton availability for the reduction of the final ELECTRON ACCEPTOR (i.e. oxygen) increased due to the pH in both chambers (pH 4) [5]. This acidic pH additionally increased Fe2+ solubility, which is essential for transferring electrons to the anode and, therefore, for current generation. Oxygen, as supplied through air or pure-oxygen bubbles in aqueous media, is often used as the final electron acceptor in MFCs. However, single-chamber MFCs can use a special cathode known as an AIR CATHODE, which can increase power generation and reduce operation costs [6]. One interesting example of this for AMD treatment research is the single-chamber MFC, which operates at pH 5 using acetate as the ELECTRON DONOR [7]. Although AMD treatment was not the focus of He et al. [7], it is worth noting that the ELECTROLYTE increased approximately 1 pH unit after two days of operation in batch mode.

Students’ research / 61

cátodo especial conocido como air-cathode, puede tanto aumentar la generación de corriente como reducir los costos de operación [6]. Una celda construida con esta tecnología, y además interesante en el estudio del tratamiento de DAM, corresponde a una MFC de cámara simple operando a pH 5 y con acetato como donante de electrones [7]. Si bien el foco de este último estudio tampoco estaba en el tratamiento de aguas ácidas, se observó un incremento de aproximadamente 1 unidad de pH en el electrolito, luego de dos días de operación en modo batch.

The present study evaluated the use of single-chamber MFCs built with air-cathode technology for remediating artificial AMD. Particular focus was placed on potential increases in water pH. The reactors used in this study were previously inoculated with microorganisms from extreme environments in northern Chile. The overall aims were to successfully neutralize the artificial AMD and to preliminarily characterize the most influential mechanisms of neutralization.

En el presente trabajo se evaluó el uso de MFCs de cámara única, construidas con la tecnología de air-cathode, para remediar aguas sintéticas tipo DAM. En concreto, el estudio se enfocó solo en la capacidad de incrementar el pH de estas aguas. Para ello se utilizaron reactores previamente inoculados con microorganismos provenientes de ambientes extremos del Norte de Chile. De este modo, los objetivos de este trabajo fueron lograr la neutralización de aguas sintéticas tipo DAM y caracterizar preliminarmente los mecanismos más influyentes en esta eventual neutralización. 2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

2.1 Construcción, operación y monitoreo de reactores MFC

2.1 MFC reactor construction, operation, and monitoring

Se trabajó con dos reactores tipo MFC de cámara única, de un volumen de ~25 mL (Figura 1). El inóculo consistió en microorganismos provenientes de un ENRIQUECIMIENTO de la comunidad microbiana presente en sedimentos de la cuenca del río Lluta (extremo norte de Chile). Estos sedimentos provienen de una zona afectada por DAM, caracterizada por las siguientes concentraciones: pH 3,7, SO42- 2.500 mg·L-1, Fe 543 mg·L-1 y As ~7 mg·L-1. El mencionado enriquecimiento fue realizado en un medio de cultivo idéntico al medio Lhet2 [5], con la salvedad de haber reemplazado su contenido de glucosa por 1,3 g·L-1 de piruvato.

Two single-chamber MFC reactors (~25 mL each) were used (Figure 1). After ENRICHMENT, The chambers were inoculated with microorganisms originally collected from microbial communities present in sediments from the Lluta River Basin (Northern Chile, between 17° 39´- 18° 30’ S and 70° 20› - 69° 22’ W). The specific sampling site is affected by AMD, with sediments registering the following approximate concentrations: pH 3.7; 2,500 mg·L-1 SO42-; 543 mg·L-1 Fe; and 7 mg·L-1As. The collected samples were enriched in a culture medium identical to the Lhet2 medium [5], except that glucose content was replaced with 1.3 g·L-1 pyruvate.

Las celdas (ver Principio Científico) se construyeron con un ánodo de fieltro de carbono, en el que se asentó la comunidad microbiana EXOELECTROGÉNICA y un cátodo configurado como air-cathode, esto es, fibra de carbono cubierta por el lado externo con PoliTetrafluoroetileno (PTFE) y por el interno con Platino (0,5 mg·cm-2), que actúa como catalizador de la reacción de reducción de oxígeno. Esta configuración permite la difusión de oxígeno desde el aire exterior hacia la celda, pero no la fuga del líquido interior [8]. Los reactores (réplicas) operaron en modo batch, con renovación completa del medio de cultivo cada ~2,5 días. El medio de cultivo estuvo compuesto por los siguientes reactivos: piruvato de sodio (1,3 g·L-1); NH4Cl (0,31 g·L-1); KCl (0,13 g·L-1); solución de vitaminas [9] 100X y solución de minerales traza [10] 1000X. Esta solución fue completada

The MFCs (see Scientific Principle) were constructed with a carbon-felt anode, where the EXOELECTROGENIC microbial community was settled. The air cathode consisted in carbon fiber externally covered with polytetrafluoroethylene (PTFE) and internally covered with platinum (0.5 mg·cm-2), which acts as a catalyst for oxygen reduction. This MFC configuration allows oxygen to diffuse into the cell from outside air, but does not permit the inner liquid to escape [8]. The reactors (replicates) were operated in batch mode, and the culture medium of each reactor was completely renewed every ~2.5 days. The culture medium was composed of the following reagents: sodium pyruvate (1.3 g·L-1); NH4Cl (0.31 g·L-1); KCl (0.13 g·L- 1); a 100X vitamin solution [9], and a 1000X trace mineral solution [10]. The trace mineral solution was completed with type 1 ultrapure water and

62 / Investigaciones de los alumnos

Figura 1. Fotografía de las MFCs operadas bajo condiciones ácidas, con Piruvato como donante de electrones y oxígeno como aceptor. Figure 1. MFC chambers operated under acidic conditions, using pyruvate as the electron donor and dissolved oxygen as the acceptor.

con agua ultra-pura tipo 1, y su pH fue ajustado a ~3,7, usando HCl 0,05 M. Cada celda estuvo conectada en todo momento a una resistencia externa de 100 Ω, excepto donde se indique. El potencial de generación de energía de los reactores fue evaluado a través de la generación de corriente eléctrica durante cerca de 5 meses. Para esto, se registró el valor de voltaje de las celdas cada 10 minutos, a través de un sistema de adquisición de datos 2.700 Multimeter (Keithley, Solon, OH, USA). Su operación fue llevada a cabo en condiciones controladas de temperatura (~25 °C). Por otra parte, al término de cada ciclo de operación se realizó un muestreo del medio saliente de cada MFC. Además se consideró una muestra de volumen equivalente de medio de cultivo de entrada. Todas estas muestras fueron destinadas a la medición de parámetros geoquímicos como conductividad eléctrica y pH. Las mediciones de pH (sonda PHC301), y conductividad eléctrica (sonda CDC401), fueron realizadas con un medidor multi-paramétrico Hq40d (Hach, Loveland, CO, USA).

adjusted to ~3.7 pH using 0.05 M HCl. Each MFC was connected to a 100 Ω external load, except where indicated. The potential power generation of each reactor was evaluated through electricity generation over five months. Electricity generation was recorded through cell voltage every ten minutes with a 2,700 Multimeter/ Data Acquisition System (Keithley, Solon, OH, USA). Reactors were operated at 25 °C. A sample of the output medium for each MFC was collected at the end of each operating cycle. An equivalent sample volume of the input culture medium was also collected. These input/output samples were used to measure electrical conductivity (CDC401 probe) and pH (PHC301 probe) (Hach, Loveland, CO, USA). These geochemical parameters were evaluated using an HQ40d multiparameter meter (Hach, Loveland, CO, USA).

2.2 Dinámica de pH al interior de los reactores

2.2 pH dynamics inside reactors

Se monitoreó el cambio de pH al interior de ambas celdas durante las primeras horas de operación. Luego de la renovación del medio de cultivo, se registró el valor de pH cada 15 minutos durante la primera hora de operación. Posteriormente, se midió el valor de pH cada 1 hora hasta completar 6 horas de funcionamiento. Este experimento fue realizado en dos condiciones: circuito cerrado, es decir, con el reactor conectado a la resistencia externa, y circuito abierto, desconectado de ella. De esta forma, se evaluó la influencia del sistema MFC propiamente tal (circuito cerrado, ver Principio Científico) en el cambio de pH al interior de los reactores.

pH changes inside each cell were monitored over the first few hours of operation. After culture medium renewal, the pH value was recorded every 15 minutes for the first hour of operation. Thereafter, pH values were measured every hour for six hours. Two experimental conditions were assessed: closed circuit, with the reactor connected to the external load; and open circuit, with the reactor disconnected from the external load. Evaluating both conditions established the direct influence of the MFC system (closed circuit, see Scientific Basis) on pH changes inside the reactor.

Students’ research / 63

Figura 2. Experimento para determinar la importancia de las distintas comunidades del reactor en el cambio de pH evidenciado en las MFCs. Para esto, se inocularon nuevos cultivos con cada una de las distintas biopelículas (provenientes del ánodo, cátodo y paredes), por separado. Figure 2. Experimental scheme for determining the importance of different reactor communities in MFC pH changes. New cultures were separately inoculated with each different biofilms from the anode, cathode, and cell walls.

2.3 Influencia de las biopelículas en el cambio de pH

2.3 Influence of biofilms on pH change

Transcurridos los 5 meses de operación en modo batch, uno de los reactores fue desmontado. A partir de esto se obtuvieron muestras (~1 cm2) de las BIOPELÍCULAS asentadas en ambos electrodos y en las paredes de la MFC. Estas muestras fueron destinadas a una segunda experiencia donde se evaluó la influencia aislada de cada comunidad microbiana en el cambio de pH evidenciado al interior de las celdas. Para esto se inocularon reactores con cada una de estas muestras, adicionando 20 mL de medio de cultivo y posteriormente ajustando su pH a un valor de ~3,7 (Figura 2). Los nuevos cultivos fueron dispuestos en una habitación con temperatura controlada (25 °C), en la que se procedió a la medición de pH al interior de cada reactor (sonda PHC301 y medidor Hq40d), cada 5 minutos por dos días.

After five months of batch-mode operation, one of the reactors was dismantled. BIOFILM samples (~ 1 cm2) were collected from electrodes and the MFC walls. These samples were used in a second experiment to establish the influence of each microbial community individually on pH changes within the cells. Reactors were inoculated with each sample and culture medium (20 mL). The pH was subsequently adjusted to ~3.7 (Figure 2). These new cultures were incubated at a controlled 25 °C, and the pH inside each reactor was measured with a PHC301 probe and HQ40d meter every five minutes for two days.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Generación de corriente

3.1 Current generation

Durante la operación de los reactores MFC en modo batch, se observó una diferencia en la generación de corriente entre ambos reactores (Figura 3). Las pérdidas de voltaje (y por tanto, de corriente), pueden ser clasificadas como: (i) pérdidas óhmicas, asociadas a la resistencia al flujo de electrones por parte de cables, electrodos y ELECTROLITOS; (ii) pérdidas de activación, asociadas al traspaso de electrones entre electrodos y moléculas, que pueden estar disueltas o presentes en la membrana de las bacterias; (iii) pérdidas metabólicas, determinadas

Current generation differed between the two MFC reactors during batch-mode operation (Figure 3). Voltage losses, and subsequent current losses, can be classified as: (i) ohmic losses, associated with electron-flow resistance from cables, electrodes, and electrolytes; (ii) activation losses, related to electron transfer between electrodes and molecules that may be dissolved or present in the bacterial membrane; (iii) metabolic losses, which result from possible spontaneous electron transfer and are determined by the difference in potential between electrodes of the involved electrochemical

64 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3. Ciclos representativos de densidad de corriente obtenida para el reactor A (izquierda) y el reactor B (derecha), en el mismo período de operación. Figure 3. Representative current density cycles from reactor A (left) and reactor B (right) over the same operating period.

por la diferencia de potencial entre electrodos y especies electroquímicas involucradas, que resultan en la espontaneidad o no del traspaso de electrones; y (iv) pérdidas de concentración, por limitaciones del transporte de masa de las especies químicas [8]. Si se comparan los valores obtenidos de densidad de corriente (valor de corriente normalizado por el área del ánodo) con valores de literatura, se observa una diferencia notable con MFCs operadas en condiciones de bajo pH. Las celdas de este estudio presentaron valores peak de ~357 mA·m-2 para el reactor A y ~186 mA·m-2 para el reactor B. Mientras que, por ejemplo, la MFC de doble cámara utilizada por Borole et al. tuvo una densidad de corriente de 19,2 mA·m-2 [5]. El bajo nivel de generación de corriente obtenido por Borole et al. se asocia a la dependencia de mediadores en suspensión, y por tanto, a las pérdidas de activación y de concentración respectivas. Por otra parte, la MFC de cámara simple de He et al., que funcionó a pH 5 y usó acetato como donante, registró un peak de 46,5 mA·m-2 [7]. En este último caso, su baja generación de corriente podría deberse meramente a que la comunidad anódica disminuye su actividad a ese pH, ya que los autores registraron una densidad de corriente tres a cuatro veces mayor para el mismo reactor operando a pH básico [7]. Por otro lado, si se compara la densidad de corriente con los máximos valores obtenidos en MFCs construidas de forma casi idéntica a las de este estudio (volumen de ~25 mL, aircathode y catalizador Pt 0,5 mg·cm-2), la generación de las celdas de este estudio aún se encuentra muy por debajo de valores como ~490 [6] y ~750 mA·m-2 [11]. Sin embargo, estas últimas celdas presentaron diferencias significativas de operación con respecto a las nuestras, ya que utilizaron inóculos de bacterias exoelectrogénicas provenientes de aguas residuales, además de ocupar medios de cultivo con pH cercano al neutro y donantes de electrones como glucosa y acetato, respectivamente.

species; and, finally, (iv) concentration losses, due to mass limitations for chemical species transport [8]. Comparisons of the presently obtained density values (i.e. current value normalized by the anode area) with those in the literature reveal notable differences for MFCs operated under low-pH conditions. In this study, reactor A reached a peak current density of ~ 357 mA·m-2, while reactor B reached ~ 186 mA·m-2. These values contrast with the dual-chamber MFC used by Borole et al., who reported a peak current density of 19.2 mA·m-2 [5]. The low current density obtained by Borole et al. is associated with system dependence on suspended electron mediators and, consequently, the respective activation and concentration losses. On the other hand, the single-chamber MFC of He et al., which ran at pH 5 and used acetate as a donor, recorded a peak current density of 46.5 mA·m- 2 [7]. In this case, low power generation could be due to the decreased activity of the anodic community at pH 5, especially since a three to four times greater density is obtained for the same reactor when operating at a basic pH [7]. Current densities in the present study were much lower than the highest values obtained in similar MFCs (i.e. ~25 mL chambers, air cathode, and 0.5 mg·cm-2 pyruvate catalyst), including as high as ~490 [6] and ~750 mA·m-2 [11]. However, it is worth mentioning that these latter cells were very operationally different that those of the present study. In particular Liu et al. [6] and Xing et al. [11] used exoelectrogenic inocula from wastewaters, as well as culture media with a near neutral pH and electron donors such as glucose and acetate.

Students’ research / 65

3.2 Potencial de los reactores para el tratamiento de Drenaje Ácido de Mina Las celdas evidenciaron un notorio aumento de pH al término de cada ciclo de operación batch (Tabla 1). Se sabe que el pH del interior de la celda está dominado por distintos factores. Entre estos se encuentran [7]: el pH inicial del medio de cultivo, los protones generados y consumidos por las reacciones red-ox involucradas en la generación de corriente, y también reacciones microbianas asociadas a la mantención del pH intracelular de los organismos de la comunidad presente. Dentro de la poca evidencia de neutralización en sistemas MFC, en un estudio se logró obtener un ΔpH 1,1 (pH inicial 5), luego de 2 días de operación de una MFC de cámara única de 10 mL [7]. Este menor ΔpH se podría explicar por la resistencia a cambios de pH ocasionada por el TAMPÓN fosfato presente en el medio de cultivo utilizado, en contraste con nuestra agua sintética tipo DAM que no contempla ningún tampón. Además de esto, si bien los tiempos de operación son similares, el volumen es menor a la mitad del volumen de nuestras celdas, lo que también tendría influencia en la magnitud de la neutralización. Otro estudio realizado en una MFC de doble cámara usó agua sintética tipo DAM como catolito [1], logrando una neutralización importante de esta solución (ΔpH = 4,7), además de la precipitación del 97% del ión Fe3+ inicial, en 6 días de operación batch. Nuevamente, en la comparación con este estudio se deben tener en cuenta las diferencias de volumen (175 mL para la cámara catódica) y de tiempos de operación. Según los autores, en el cátodo ocurre la reducción de Fe3+ a Fe2+, y luego una re-oxidación espontánea de Fe2+ por la acción del oxígeno presente [1]. Posteriormente, el ion férrico re-formado tiende a precipitar, generando protones en solución que sumados a los electrones provenientes de las reacciones de re-oxidación favorecen considerablemente la reducción de oxígeno. Esta reacción aumentada termina por consumir una gran cantidad de protones, es decir, aumentando el pH.

3.2 Potential for acid mine drainage treatment The cells showed a noticeable pH increase at the end of each batch operation cycle (Table 1). The pH inside the cell is affected by various factors. These include [7]: initial culture medium pH, the protons generated and consumed by redox reactions, and microbial reactions associated with regulation of the intracellular pH. There is little research on neutralization in MFC systems, but one study did reach a ΔpH of 1.1 (initial pH 5) after two days of operating a 10 mL single-chamber MFC [7]. This lower ΔpH could be explained by the resistance to changes in pH by the phosphate BUFFER present in the culture medium. This is in contrast to the presently assessed artificial AMD, which did not include any buffer. In addition to this, while the operation times were similar, the volume used by He et al. [7] was less than half of the cell volume in the present study, which could also influence the degree of neutralization. Another dual-chamber MFC study used artificial AMD as a catholyte [1], which resulted in major neutralization (ΔpH = 4.7) and 97% precipitation of the initial Fe3+ over six days of batch operation. Again, differences in volume (175 mL for cathode chamber) and operational times should be considered when making comparisons with this study. According to Lefebvre et al. [1], Fe3+ was reduced to Fe2+ in the cathode before spontaneously re-oxidizing as a result of the oxygen present [1]. Afterwards, the re-formed ferric ion tended to precipitate, generating protons in the solution that, together with the electrons from the re-oxidation reactions, considerably enabled oxygen reduction. This increased reaction consumes a large number of protons, causing pH increases.

Table 1. pH variation (effluent - initial culture medium)

Reactor

ΔpH

4,14

4,05

66 / Investigaciones de los alumnos

Figura 4. Dinámica del valor de pH dentro del reactor A, durante las primeras horas de operación en modo batch. Se compara el comportamiento en condiciones de circuito cerrado y circuito abierto. Figure 4. pH dynamics inside reactor A over the first hours of batch operation. Behaviors are compared between closed- and open-circuit conditions.

3.3 Caracterización preliminar del mecanismo de neutralización del pH

3.3 Preliminary characterization of pH neutralization mechanism

Ante la evidente neutralización del pH, se decidió evaluar si los cambios de esta variable eran consecuencia de la generación de corriente. Para esto, se evaluó la dinámica de incremento del pH en el interior de la MFC, lo que evidenció que alcanzaba un valor cercano a 6, tras 30 minutos desde la renovación del medio de cultivo (Figura 4). Este comportamiento fue observado en ambos reactores, tanto en condiciones de circuito cerrado como de circuito abierto. Por lo tanto, el mecanismo de neutralización del pH puede ser considerado independiente de las reacciones red-ox involucradas en la generación de corriente. Es más, los resultados sugieren la existencia de metabolitos presentes en las distintas biopelículas del reactor, cuya concentración sería suficiente para neutralizar el medio de cultivo a los pocos minutos de ingresar a la celda.

Given the observed pH neutralization, experiments were performed to determine if changes in pH were a result of current generation. Investigating pH increase dynamics inside the MFC revealed a rise in pH to close to 6 only 30 minutes after culture medium renewal (Figure 4). This behavior was observed in both reactors and for closed/ open circuit conditions. Therefore, the pH neutralization mechanism seems to be independent of the redox reactions involved in current generation. Moreover, the results suggest the existence of metabolites in the different reactor biofilms at concentrations sufficient for neutralizing the incoming culture medium in a few minutes after entry.

Como se mencionó anteriormente, el pH al interior de una MFC puede variar tanto por reacciones asociadas a la generación de corriente como por otros procesos biológicos [7]. Entre estos últimos se han reportado diversas reacciones que consumen acidez o aumentan ALCALINIDAD, como: fotosíntesis, amonificación, denitrificación, reducción de hierro y reducción de sulfato [12]. Esta última es la más interesante en el contexto de remediación de DAM, ya que las bacterias sulfato-reductoras además de alcalinidad generan ácido sulfhídrico, que favorece la precipitación de metales disueltos [12]. Finalmente, respecto de los cultivos batch de las distintas biopelículas, se observó que al cabo de dos días todas las comunidades presentaron un aumento considerable del pH

As mentioned, the internal pH of MFCs may vary from reactions associated with electrical current generation and from other biological processes [7]. The latter includes various reported reactions that consume acidity or increase ALKALINITY, such as photosynthesis, ammonification, denitrification, iron reduction, and sulfate reduction [12]. Of these, sulfate reduction is particularly interesting in regards to AMD remediation since sulfate-reducing bacteria additionally produce hydrogen sulfide, which enables the precipitation of dissolved metals [12]. Finally, considerable increases in pH were observed in all biofilm culture communities after two days (Figure 5). Nevertheless, not all communities increased pH at the same speed. Indeed, the cathode community was the fastest, followed by the anode and, lastly, MFC wall microorganisms. Additionally, the maximum pH value

Students’ research / 67

Figura 5. Dinámica del valor de pH para los cultivos batch, por comunidad proveniente del reactor B. Figure 5. pH value dynamics for batch cultures by community from reactor B.

(Figura 5). Además, se observó que no todas aumentaban el pH con la misma velocidad, ya que la comunidad del cátodo lo hizo más rápido que la del ánodo y esta, a su vez, más rápido que los microorganismos de las paredes de la MFC. Adicionalmente, se observa que el máximo valor de pH alcanzado por los cultivos está por debajo de lo observado en los ciclos de operación batch de la MFC. En base a lo anterior, se puede suponer cierto grado de sinergia entre la acción de las tres biopelículas. Por otra parte, también es posible que las diferencias de comportamiento entre las comunidades puedan atribuirse a la cantidad dispar de biomasa de cada tipo de cultivo. Sin embargo, dado que todas tienen un comportamiento similar, sería esperable que las distintas comunidades compartieran la presencia de microorganismos y/o metabolitos responsables de este incremento del pH.

reached by the cultures was lower than in the MFC batch operation cycles. Based on the above, there seems to be a degree of synergy among the activities of the three biofilms. On the other hand, the behavioral differences between communities may be attributable to uneven biomass amounts in each culture type. However, given that all displayed similar behaviors, the different communities can all be expected to contain the microorganisms and/or metabolites responsible for increasing pH.

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

El principal resultado de este estudio corresponde a la neutralización de aguas ácidas al interior de reactores MFC, pues se evidenció un aumento de más de 4 unidades de pH luego de ~2,5 días de operación batch. Por lo tanto, se demuestra la potencial aplicabilidad de las comunidades microbianas aquí utilizadas para el tratamiento de DAM. Por otra parte, los resultados de dinámica de pH al interior del reactor, comparando condiciones de circuitos abierto y cerrado, sugieren que las reacciones redox involucradas en la generación de corriente no tendrían mayor influencia en esta neutralización. Además, el experimento que aisló la influencia de las distintas comunidades en este incremento de pH sugiere que habría algún nivel de sinergia entre

The assessed MFC reactors neutralized AMD by increasing pH by more than 4 pH units over 2.5 days of batch operation. This finding supports the potential applicability of the evaluated microbial communities for AMD remediation. Another important observation was obtained when comparing internal pH dynamics between open and closed circuit conditions. Specifically, the redox reactions involved in current generation seem not to largely influence neutralization. Additionally, experiments on the individual influences of different microbial biofilms on pH increases suggest some degree of synergy between communities.

68 / Investigaciones de los alumnos

todas ellas para llevarlo a cabo. Otro resultado interesante corresponde a los valores de corriente eléctrica obtenidos, pues son auspiciosos al ser comparados con los de otras celdas operando a pH ácido. Sin embargo, se debe considerar que este nivel de generación de energía muy posiblemente esté influenciado por la neutralización del medio que ocurre en los primeros minutos de operación. Independientemente de lo anterior, es destacable el hallazgo de microorganismos exoelectrogénicos en la comunidad microbiana proveniente del norte de Chile. Este aspecto es de relevancia en la medida en que podría proyectarse hacia el desarrollo de sistemas de tratamiento de DAM autosustentables, que puedan solventar sus requerimientos energéticos en base a la generación de electricidad a través del sistema MFC. En resumen, se observó el cumplimiento del objetivo de neutralización de pH de un agua sintética tipo DAM, y por tanto se logró un aporte al estudio de estrategias novedosas para su remediación sustentable. Respecto de la caracterización preliminar de los agentes responsables de esto, la evidencia sugiere que dicha neutralización no se debería al funcionamiento de la MFC. Sin embargo, es posible que la operación de los reactores como MFC sí tenga un rol en la selección de microorganismos que determinan de una u otra forma este aumento de pH. Esto, sumado a la posibilidad de que la neutralización esté asociada a la cantidad de biomasa por unidad de volumen, hace necesario continuar la investigación con miras a determinar los mecanismos involucrados en el aumento del pH.

The obtained electric current values are encouraging when compared with other cells operating at an acid pH. However, power generation could be influenced by the neutralization processes that occur within the first few minutes of operation. Regardless of the above, the discovery of exoelectrogenic microorganisms in microbial communities from northern Chile is remarkable. This aspect is important to the extent that it can be applied towards the development self-sustaining AMD treatment systems, thereby solving inherent energy requirements through electricity generation with MFCs. In summary, pH neutralization was achieved for artificial AMD. This can contribute to the study of innovative strategies for sustainable remediation. Regarding the preliminary characterization of responsible agents, the evidence suggests that neutralization is not due to MFC operation. However, the operation of reactors, such as MFCs, may play a role in the selection of microorganisms, which would ultimately influence pH increases. Neutralization might also be associated with the amount of biomass per volume unit. Therefore, continued research is needed to determine the mechanisms involved in pH increases.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Esta investigación fue financiada por el proyecto FONDECYT 3140515 y por el Centro de Desarrollo Urbano Sustentable (CEDEUS), a través del proyecto FONDAP 15110020. Se agradece además la colaboración de la, en ese entonces, alumna de Magister Vasty Zamorano, del profesor Pablo Pastén González y del personal del Laboratorio de Calidad del Agua UC: Fernanda Carrasco, Mauricio Medel y Felipe Medina.

This research was funded by the FONDECYT 3140515 project and by the Center for Sustainable Urban Development (CEDEUS) through the FONDAP 15110020 project. We also appreciate the collaborative aid provided by Vasty Zamorano (Master’s student), Professor Pablo Pastén Gonzalez, and the UC water-quality laboratory staff: Fernanda Carrasco, Mauricio Medel and Felipe Medina.

Students’ research / 69

GLOSARIO

GLOSSARY

ALCALINIDAD: capacidad de un agua para neutralizar ácidos. En general, está determinada por la presencia de los iones HCO3- (bicarbonato) y CO32(carbonato). AIR-CATHODE: tipo especial de cátodo que se encuentra en contacto con el aire exterior, permitiendo la difusión de oxígeno atmosférico hacia el interior para que actúe como el aceptor final de electrones de una celda de combustible. BACTERIA ACIDÓFILA: microorganismo que preferentemente vive en ambientes con pH <3. BATCH: traducido literalmente como “lote”, es un término utilizado para describir a un reactor cuyo volumen no varía en el tiempo, ya que no posee flujos de entrada ni de salida. BIOPELÍCULA: organización compleja de microorganismos asociados a una superficie. DONANTE/ACEPTOR DE ELECTRONES: especie química que cede/capta electrones en una reacción de óxido-reducción. ELECTROLITO: solución conductora de electricidad. En una celda de combustible se pueden distinguir el anolito y el catolito, presentes en las cámaras anódica y catódica respectivamente. ENRIQUECIMIENTO: en microbiología, es un procedimiento de cultivo que favorece el crecimiento de algunos integrantes de una comunidad microbiana. EXOELECTROGÉNICOS: microorganismos que poseen la capacidad de ceder electrones al medio extracelular. INOCULAR: acto de introducir microorganismos (inóculo) en un recipiente con el objetivo de iniciar un cultivo microbiano. MICROBIAL FUEL CELL: traducido literalmente como “celda de combustible microbiana”. Corresponde a un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica, donde microorganismos cumplen una función catalizadora. NEUTRALIZACIÓN: cambio en el valor de pH de una solución a un valor cercano a 7 (pH neutro). OXIDACIÓN/REDUCCIÓN: reacciones que implican la transferencia de electrones entre sus reactantes. Una especie química se oxida/reduce cuando cede/capta electrones y por tanto aumenta/ reduce su estado de oxidación. TAMPÓN: solución que permite amortiguar cambios drásticos de pH.

ACIDOPHILIC BACTERIUM: organism that preferably lives in conditions with a pH <3. ALKALINITY: water capacity to neutralize acids. In general, this is determined by the presence of HCO3(bicarbonate) and CO32- (carbonate) ions. AIR CATHODE: special type of cathode that is in contact with external air, allowing for the diffusion of atmospheric oxygen inside of the chamber, where it acts as the final electron acceptor of a fuel cell. BATCH: a term used to describe a reactor whose volume does not vary over time since it does not have input or output flows. BIOFILM: complex microorganism structure associated with a surface. BUFFER: solution that prevents drastic changes in pH. ELECTRON DONOR/ACCEPTOR: chemical species that releases/captures electrons in an oxidation reduction reaction. ELECTROLYTE: electricity-conductive solution. In a fuel cell, the anolyte and catholyte are present in the anode and cathode chambers, respectively. ENRICHMENT: in microbiology, this is a culture procedure that favors the growth of particular microorganisms over others. EXOELECTROGENIC: microorganisms that can transfer electrons to the extracellular medium. INOCULATE: act of introducing microorganisms (i.e. inoculum) into a container to start a microbial culture. MICROBIAL FUEL CELL: device that converts chemical energy into electrical energy, with microorganisms acting a as catalyst. NEUTRALIZATION: pH change in a solution to a value close to neutral (i.e. pH 7). OXIDATION/REDUCTION: reactions involving electron transfer between reactants. A chemical species is oxidized/reduced when it releases/captures electrons and therefore increases/decreases its oxidation state.

70 / Investigaciones de los alumnos

PRINCIPIO CIENTÍFICO

CIENTIFIC PRINCIPLE

Una MFC es un dispositivo que transforma energía química, proveniente de un sustrato reducido, en energía eléctrica [8]. Este proceso es catalizado por microorganismos exoelectrogénicos, que oxidan compuestos orgánicos o inorgánicos y transfieren estos electrones a un electrodo (ánodo). Este electrodo transmitirá los electrones externamente a un segundo electrodo (cátodo), acto que genera corriente eléctrica.

A MFC is a device that converts chemical energy from a reduced substrate into electrical energy [8]. This process is catalyzed by exoelectrogenic microorganisms that oxidize organic or inorganic compounds and that transfer the resulting electrons to an electrode (i.e. anode). This electrode will externally transmit electrons to a second electrode (i.e. cathode), thereby generating an electric current.

Para que ocurra la generación de corriente en una MFC, se requieren ciertos elementos mínimos (Figura 6) [13]: un ánodo y un cátodo; una o dos cámaras contenedoras de electrolitos; una reacción red-ox global que sea espontánea en las condiciones de operación de la MFC; un dador y un aceptor de electrones; una comunidad microbiana anódica con presencia de exoelectrogénicos; y una resistencia externa. Los microorganismos exoelectrogénicos utilizan diferentes mecanismos para la transferencia de electrones al ánodo [13]: la generación de nanocables conductores desde su membrana celular; transportadores de electrones que se reducen temporalmente para luego oxidarse cerca del electrodo; y transferencia por contacto directo del microorganismo con el electrodo. Independiente del mecanismo utilizado, la transferencia de electrones siempre implica un bombeo de protones hacia el medio extracelular, los cuales serán eventualmente utilizados en la reducción del aceptor final de electrones en el cátodo [14].

The following minimum elements are needed to generate current in a MFC (Figure 6) [13]: an anode and cathode; one or two electrolyte-holding chambers; a spontaneous global redox reaction during MFC operation; an electron donor and acceptor; a microbial community with an exoelectrogenic anode; and an external load. Exoelectrogenic microorganisms use different mechanisms for transferring electrons to the anode [13], such as by generating conductive nanowires from the cell membrane; through electron transporters that are temporarily reduced and then oxidized near the electrode; and by direct-contact transfer with the electrode. Regardless of the mechanism, the electron transfer always involves pumping protons into the extracellular environment, which will eventually be used in reducing the final electron acceptor in the cathode [14].

Figura 6. Esquema de la MFC de cámara simple utilizada en este estudio. Figure 6. Layout of the single-chamber MFC used in this study.

Students’ research / 71

REFERENCES [1] LEFEBVRE, O., NECULITA, C., YUE, X., NG, HY. “Bioelectrochemical treatment of acid mine drainage dominated with iron”. Journal of Hazardous Materials. 2012, vol. 241-242, p. 411-417. [2] JOHNSON, B., HALLBERG, K. “Acid Mine Drainage Remediation Options: A Review”. Science of the Total Environment. 2005, vol. 338, núm. 1-2, p 3-14. [3] BONILLA, et al. “Mejor agua para el río Lluta”. Revista Universitaria. 2012, núm. 115, p. 48-53. [4] CHENG, S., DEMPSEY, B., LOGAN, B. “Electricity Generation from Synthetic Acid-Mine Drainage (AMD) Water using Fuel Cell Technologies”. Environmental Science & Technology. 2007, vol. 41, núm. 23, p. 8149-8153. [5] BOROLE, A., et al. “A microbial fuel cell operating at low pH using the acidophile Acidiphilium cryptum”. Biotechnology Letters. 2008, vol. 30, núm. 8, p.1367-1372. [6] LIU, H., LOGAN, B. “Electricity Generation Using an Air-Cathode Single Chamber Microbial Fuel Cell in the Presence and Absence of a Proton Exchange Membrane”. Environmental Science and Technology. 2004, vol. 38, núm. 14, p. 4040-4046. [7] HE, Z., et al. “Effect of electrolyte pH on the rate of the anodic and cathodic reactions in an air-cathode microbial fuel cell”. Bioelectrochemistry. 2008, vol. 74, núm. 1, p. 78-82. [8] LOGAN, B., et al. “Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology”. Environmental Science and Technology. 2006, vol. 40, núm. 17, p. 5181-5192. [9] NEWMAN, D.,, BEVERIDGE, T., MOREL, F. “Precipitation of Arsenic Trisulfide by Desulfotomaculum auripigmentum”. Applied and Environmental Microbiology. 1997, vol. 63, núm. 5, p. 2022-2028. [10] SKERMAN, V. A guide to the identification of the genera of bacteria. Baltimore: The Williams and Wilkins Co., 1967. 303 p. [11] XING, D., et al. “Electricity Generation by Rhodopseudomonas palustris DX-1”. Environmental Science and Technology. 2008, vol. 42, núm 11, p. 4146-4151. [12] KAKSONEN, A., PUHAKKA, J. “Review: Sulfate Reduction Based Bioprocesses for the Treatment of Acid Mine Drainage and the Recovery of Metals”. Engineering in Life Sciences. 2007, vol. 7, núm. 6, p. 541-564. [13] LOGAN, B., REGAN, J. “Microbial Fuel Cells - Challenges and Applications”. Environmental Science and Technology. 2006, vol. 40, núm. 17, p. 5172-5180. [14] FRANKS, A., NEVIN, K. “Microbial Fuel Cells, A Current Review”. Energies. 2010, vol. 3, p. 899-919.

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Enzo Leiva Aravena

Eduardo Leiva Ignacio Vargas Llantén Cucurella

72 / Investigaciones de los alumnos

Modelación de la acumulación del material particulado (2,5 µm) en la superficie de musgo-técnica moss bag-aplicado al caso de fundiciones Modelling the surface accumulation of particulate material (2.5 µm) for the moss bag technique in a smelter environment José Rebolledo1, alumno de 5to año. Verónica Morales1, candidata a PhD. César Saéz-Navarrete1, profesor asociado.

José Rebolledo1, alumno de 5to año. Verónica Morales1, candidata a PhD. César Saéz-Navarrete1, profesor asociado.

Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: csaez@ing.puc.cl.

Departament of Chemical Engineering and Bioprocesses, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Correspondence author: csaez@ing.puc.cl.

Students’ research / 73

RESUMEN

ABSTRACT

En los últimos años en Chile se ha hecho un gran esfuerzo para disminuir la contaminación de diversas zonas del país, especialmente en los lugares donde existe una fuerte presencia de industrias que liberan cantidades significativas de contaminantes al ambiente. Este es el caso de las fundiciones, cuyas emisiones pueden ocasionar problemas a la salud de las comunidades aledañas. En los sectores aislados y de escasos recursos, los estudios de las condiciones del aire suelen ser limitados debido a los costos asociados. En respuesta a esta necesidad se han desarrollado técnicas de medición de calidad de aire más simples y económicas como la técnica moss bag. La técnica moss bag es un método que permite determinar la cantidad de metales presentes en el aire; sin embargo, aun no ha sido estandarizada. Emplea musgo inertizado y requiere la comprensión de los mecanismos asociados a la depositación del material a medir y sus interacciones con el musgo, en particular la geometría del dispositivo puede también influir en la cantidad de material capturado en una unidad de tiempo. En este estudio se utilizó un modelo matemático descriptivo los fenómenos de acumulación de material particulado en la superficie del moss bag y cómo las diferentes propiedades del mismo influyen en dicho fenómeno, haciendo uso de los programas MATLAB® versión 2014ª y COMSOL® Multiphysics versión 5.2ª para resolver las ecuaciones de balance de materia y momentum en estado no estacionario utilizando elementos finitos. Se obtuvo que existe una influencia del efecto electrostático que cambia la cantidad de material acumulado en un 29% aproximadamente. Además, se estudió la mecánica de fluidos presente en el sistema y cómo el viento interactúa con la forma del dispositivo, obteniendo que las formas clásicas (plana y esférica) acumulan material particulado de forma similar, sin embargo la forma propuesta para el dispositivo (semiesfera) interactúa de manera diferente facilitando la acumulación de material en el dispositivo.

Significant efforts have been made in recent years towards reducing pollution in the different regions of Chile, especially in areas where a strong industrial presence translates into the release of vast pollutants into the environment. This situation is true for smelters, the emissions of which can cause health problems for local communities. In areas that are isolated or have restricted resources, air quality studies are often limited due to the associated costs. Simpler and cheaper air quality measurement techniques have been developed in response to this need, such as the moss bag technique. The moss bag technique quantifies the presence of metals in the air; however, standardization remains pending. This method utilizes inert moss and requires an understanding of material-deposit mechanisms and of subsequent interactions with the moss. The geometry of the device can particularly influence the amount of material captured over a certain time period. This study adopted a descriptive mathematical model to establish particulate matter accumulation on the moss bag surface and assess how different surface properties influence the accumulation phenomenon. Non-steady state material and momentum balance equations were solved using finite elements and the MATLAB® v.2014ª and COMSOL® Multiphysics v.5.2ª programs. An electrostatic effect increased the amount of accumulated material by approximately 29%. Additionally, the fluid mechanics of the system and wind-device shape interactions were studied. While classic device shapes (e.g. flat and spherical) similarly accumulated particulate material, the proposed hemispheric shape comparatively facilitated particulate material accumulation.

Palabras clave: moss bag, metales, contaminacion, balance de materi

Keywords: moss bag, metals, pollution, material balance

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

Unos de los principales problemas de las ciudades modernas son los elevados niveles de contaminación a los que se enfrentan los habitantes de dichas ciudades. Más de un 80% de las personas que viven en áreas urbanas están expuestas a niveles de contaminación que exceden los límites establecidos por los OMS [1]. El material particulado (MP) es el contaminante que ha sido asociado más significativamente a eventos de mortalidad y morbilidad en

High pollution levels are a serious problem for the residents of modern cities. More than 80% of urban inhabitants are exposed to pollution levels that exceed limits established by the World Health Organization (WHO) [1]. Particulate material (PM) is the pollutant most associated with population mortality and morbidity events [2]. Per the available records for Chile’s metropolitan areas, the annual concentration of PM measuring less than 2.5 µm in

74 / Investigaciones de los alumnos

la población [2]. En Chile, las concentraciones de MP2,5 de todas las áreas metropolitanas con mediciones de MP2,5 presentan concentraciones anuales superiores al nivel propuesto por la OMS de 10 µg/m3 [3]. A lo largo de Chile, el Ministerio del Ambiente (MA) monitorea la calidad ambiental del aire con Estaciones de Monitoreo con Representatividad Poblacional (EMRP) para material particulado, gases y plomo (Pb) [2]. Las redes del MA y aquellas privadas se encuentran en línea a través del Sistema de Información de Calidad del Aire (SINCA), sin embargo, la disponibilidad de información de metales se limita únicamente a Pb. La contaminación del aire se ha convertido en un tema de preocupación gubernamental y social debido a los altos costos de monitoreo, especialmente en el caso de los metales y metaloides. En Chile, la principal actividad económica es la minería metálica, generando una importante actividad extractiva y de procesos de fundición. Los escenarios de contaminación del aire ocasionados por estas actividades han impactado al medioambiente y la salud de las personas que habitan sitios poblados cercanos a estos núcleos productivos. A pesar de las normativas que propende a una reducción en las concentraciones de metales en el aire para fundiciones (DS Nº 28-2013), es necesario contar con herramientas de monitoreo precisas y confiables, que complementen un seguimiento y evaluación que muestren la existencia y distribución de la afectación ambiental temporalmente y espacialmente en zonas de interés. La técnica de la bolsa de musgo (MOSS BAG) es una herramienta simple y económica utilizada para monitorear la calidad del aire, que permite crear zonas comparativas de distribución, dispersión y presencia de contaminantes en el aire, en la mayoría de los casos de metales. Esta técnica ha sido implementada principalmente en Europa en diversos países como España, Finlandia, Serbia, entre otros [3-5]. Sin embargo, para la adecuada implementación de la técnica moss bag es necesario conocer los mecanismos en que el material particulado se transfiere desde el aire hasta el dispositivo con el fin de obtener un apropiado diseño que optimice la detección de metales presentes en el material particulado del ambiente y así obtener una correcta medición de la calidad del aire de la zona. En función de lo anterior, el objetivo de este trabajo es realizar una modelación con MATLAB para predecir la concentración de hierro en material particulado (MP) 2,5 µm en la superficie del dispositivo moss bag y mediante el software de modelación COMSOL analizar la influencia de la geometría en la deposición de metales en el dispositivo (moss bag).

diameter (PM2.5) is higher than the WHO-proposed limit of 10 µg/m3 [3]. The Ministry of the Environment monitors environmental air quality throughout Chile via representative population monitoring stations. These stations record PM, gases, and lead [2]. Data collected by the Ministry of the Environment and private networks are available online through the air quality information system, but metal records are limited to lead. Air pollution is an increasing social and governmental concern, an issue compounded by high monitoring costs, especially for metals and metalloids. Mining, the main economic activity in Chile, involves major extraction and smelting processes. Air pollution caused by this industry affects the environment and health of residents near mining facilities. Although regulations imposed within the last decade (i.e. DS No. 28-2013) have led to reduced metal concentrations in smelter air, accurate and reliable monitoring tools are needed to evaluate the presence, spatial/temporal distribution, and environmental impacts of smelter pollution in areas of interest. The MOSS BAG technique is a simple and inexpensive tool for monitoring air quality that can create comparative air pollutant distribution, dispersion, and existence zones for most metals. This technique is used in Europe, including in Spain, Finland, and Serbia, among others [3-5]. Importantly, proper use of the moss bag technique requires comprehensive knowledge of the mechanisms responsible for transferring PM from the air to the device. By understanding the transfer phenomenon, a suitable moss bag can be designed to optimize metal detection in atmospheric PM, thus resulting in accurate air quality measurements. Accordingly, the aim of this study was to create a MATLAB model for predicting iron concentrations in PM2.5 collected on the moss bag surface. For this, the COMSOL modelling software was used to analyze the effects of geometry on the metal accumulation-moss bag relationship.

2. Experimentación o metodología

2. Experimentation or methodology

2.1 Modelación para la predicción de la concentración de Hierro en el MP en la superficie del moss bag

2.1 Predictive model for PM iron concentration on the moss bag surface

A través del software MATLAB® versión 2014ª se implementó un modelo numérico capaz de predecir la concentración de

The MATLAB® v.2014ª software was used to design a numerical model for predicting iron concentration in

Students’ research / 75

metal contenido en el MP2,5 que queda atrapado en el moss bag y como los diferentes factores propios del material y el ambiente son capaces de afectar la capacidad de adhesión del compuesto a la superficie del dispositivo. Este modelo se basa en la fórmula clásica de balance de materia presentada por Bird, Stewart & Lightfoot [6], y la modificación de la segunda Ley de Fick, que incluye el fenómeno electrostático presentado por Andrade [7] pointing out its limitations and errors but recognizing its contribution to the developing of a simple and quick test for chloride migration. Then another review is made on the electrochemical fundaments of the processes developped in concrete when an electrical field is applied and on the basic equations of mass transport (Nernst-Plank and Nernst-Einstein. Considerando ambos modelos y tomando en cuenta la superficie del musgo, la porosidad y la densidad se obtuvo una ecuación de balance de materia representativa. A partir del modelo propuesto, se resolvió la ecuación diferencial de segundo orden a través del método de Runge-Kutta [8, 9] y se obtuvo como resultado la variación de un número adimensional, definido como la razón entre la cantidad del compuesto de interés por la cantidad de musgo, en el tiempo. En este caso se utilizó como metal el Fe, debido a que se dispone de suficiente información experimental y mediciones en el tiempo que permiten contrastar los datos experimentales presentados en la literatura con los valores entregados por el modelo matemático.

PM2.5 caught on the moss bag. Additionally, predictions were made regarding device-environment interactions to establish compound adherence to the device surface. The implemented model is based on the classical material balance formula by Bird, Stewart y Lightfoot [6] and the modified Fick’s 2nd law of diffusion, which includes the Andrade [7] pointing out its limitations and errors but recognizing its contribution to the developing of a simple and quick test for chloride migration. Then another review is made on the electrochemical fundaments of the processes developped in concrete when an electrical field is applied and on the basic equations of mass transport (NernstPlank and Nernst-Einstein electrostatic phenomenon. A representative material balance equation was obtained by considering both models and taking into account moss surface, porosity, and density. The second order differential equation was solved from the proposed model with the Runge-Kutta method [8, 9]. This equation resulted in the non-dimensional number variation, defined as the ratio between compound quantity and moss quantity over time. Iron was chosen for examination as enough experimental information and time-course measurements exist in the literature for comparative assessments to be feasible. The non-dimensional equation system representing the above situation is as follows:

El sistema adimensional de ecuaciones que representa lo antes descrito es el siguiente: [1] Para el balance de masa se consideró como la velocidad promedio en la dirección x e y respectivamente, D es el coeficiente de deposición. En el caso del efecto electrostático, se consideró Fa como la contante de Faraday, R como la constante de los gases, z representa los electrones de valencia del compuesto, V corresponde a potencial eléctrico en Volts y L corresponde a un largo característico del sistema. El parámetro F corresponde a un término de fuente de emisión cercana de MP, que para este caso fue de [2, 11] correspondiente a la fundición de Chuquicamata, el cual fue parametrizado con el fin de trabajar con la ecuación adimensional. K corresponde a un parámetro de pérdida ya que con el movimiento que genera el viento se va perdiendo material particulado que es arrastrado por la pérdida del musgo que se escapa del dispositivo, este parámetro depende de la malla que se coloque para contener al musgo y del viento que lo va afectando. Este valor se mide en . El parámetro I es la fracción que corresponde a la pérdida por impacto, es decir, indica que no todas las partículas que impactan contra el moss bag van a adherirse, sino que algunas no lo harán y por tanto caerán por efecto de la gravedad. Para este caso se consideró un valor nulo debido a que no se disponen

For the mass balance, represents the average speed in directions x and y, respectively, with D as the deposition coefficient. For the electrostatic effect, Fa is taken as the Faraday constant while R is the gas constant. Additionally, z represents the compound’s valence electrons; V is the electric potential in Volts, and L defines system length. The F parameter represents a nearby PM emission source, which, in this case, was [2, 11], corresponding to the Chuquicamata foundry, which was parameterized to work with the non-dimensional equation. K considers lost PM as the result of wind, which can carry PM off the moss bag. This loss parameter depends on the mesh containing the moss and relevant wind factors. This value is measured in The I parameter represents the fraction of PM lost due to impact, i.e., not all of the particles hitting the moss bag are going to stick - some will not do so and will therefore fall off due to gravity. In this case a null value was used since not enough quantified data are available. Additionally, Sphagnum moss density is calculated by , with an approximate porosity of [12, 13]. A standard mesh size was considered for the moss bag (i.e. L, 10 cm x 10 cm).

76 / Investigaciones de los alumnos

de datos de cuantificación disponibles. Adicionalmente, se tiene que la densidad del musgo Sphagnum corresponde a con una porosidad aproximada de 0,92 [12, 13]. El tamaño de la malla considerada (L) fue de 10 x 10 cm, que representa el tamaño habitual de una moss bag.

In addition, considering a flat finite plate exposed to an air current, the following is obtained:

Con ello y considerando una placa plana finita expuesta a una corriente de aire, se tiene lo siguiente: [2] 2.2 Identificación de la forma apropiada del dispositivo con modelación de fenómenos de mecánica de fluidos

2.2 Fluid dynamics modeling to identify optimal device shape

En esta segunda parte del trabajo se modelaron los fenómenos de la mecánica de fluidos a distintas formas geométricas que se utilizan clásicamente en la técnica de medición de contaminantes a través del método de moss bag (bolsa plana y esfera) [4]. Adicionalmente, se incorporó en este estudio la forma semiesférica con su casquete hacia abajo como una nueva propuesta de dispositivo, con el fin de observar si dicha forma podría servir para atrapar de una mejor manera el MP que sedimenta debido al efecto de la gravedad.

In the second part of this work, fluid mechanics phenomena were modelled for the different traditional geometric shapes (i.e. flat and spherical) [4] used in the moss bag method. Additionally, a novel hemispherical shape with a downward-facing cap was included to assess if this shape more efficiently caught PM falling due to gravity.

El objetivo de esta modelación es entender cómo la forma del dispositivo incide en su interacción con las corrientes de aire que potencialmente podrían afectar la adhesión y retención del MP. Para ello, se utilizaron las ecuaciones básicas de continuidad y de balance de momentum en el programa computacional COMSOL® versión 5.2ª, con el que se simuló cómo las corrientes de aire podrían interactuar con las 3 formas del dispositivo moss bag. Para la modelación se utilizó la ecuación de balance de momentum y la ecuación de continuidad, considerando como condición inicial que se posee una velocidad uniforme de 3 m/s [11] corresponde a las inmediaciones cercanas de la fundición Chuquicamata, y un espacio geométrico para el flujo de aire equivalente a una caja de 2 m de lado. En este caso también se incluyeron los datos de porosidad y la densidad del musgo Sphagnum utilizados en la modelación de Matlab.

The aim of the model was to understand how device shape affects bag-air current interactions, which could potentially affect PM adhesion and retention. For evaluations, the basic continuity and momentum balance equations were used in COMSOL® v.5.2ª, which simulated the air current interactions with the three moss bag shapes. The initial condition used for the momentum balance and continuity equations considered a uniform speed of 3 m/s [11], thus reflecting conditions at the Chuquicamata smelter. Furthermore, both equations applied a geometric space for air flow equivalent to a 2 m-long box. Matlab porosity and density data for the Sphagnum moss were also included.

Acumulación de hierro en la superficie del moss bag con una simulación de 20 días de exposición al ambiente del dispositivo, generando una diferencia de un 29,75% entre la simulación con electrostática y la simulación sin electrostática. Figura 1.

Figure 1. Iron accumulation on the moss bag surface over a 20-day simulation period, with a 29.75% difference between the simulations with and without the electrostatic effect.

Students’ research / 77

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Como resultado de las simulaciones se obtuvo la evolución de la acumulación de Fe en función del tiempo de exposición del dispositivo en el ambiente. Además se pudo cuantificar el impacto del efecto electrostático en el mismo proceso.

The performed simulations provided a time-course evolution for iron accumulation as a function of device exposure to the environment. Additionally, the impact of the electrostatic effect of the accumulation process was quantified.

En la Figura 1 se observa el proceso de acumulación del Fe para 20 días de exposición, con una variación del 29,75% aproximadamente en la acumulación con y sin el efecto electrostático. El Fe es un elemento que puede tomar dos estados de valencia, +2 y +3. Dicha diferencia puede suponer un parámetro importante a tener en consideración, ya que para compuestos que pueden estar presentes en el aire con distintos estados de oxidación, el efecto electrostático puede jugar un rol más o menos relevante en la adhesión de MP en el moss bag. En el caso modelado utilizando, el estado de valencia +3, se puede apreciar que existe una diferencia significativa entre las dos curvas de acumulación de Fe. Por lo tanto, debido a que se desea realizar una estandarización del método, se deberán buscar alternativas para eliminar el efecto electrostático con el fin de tener menor cantidad de factores que puedan influir en la variabilidad de los datos.

Figure 1 presents data for the iron accumulation process over a 20-day exposure period. The electrostatic effect accounted for an approximate 29.75% variation in accumulation values. Iron can take two valence states (+2 and +3), and differences in oxidation states are important parameters to consider since the electrostatic effect may play a relevant role in PM moss bag adhesion for aerial compounds. In the evaluated +3 valence state model, there was a significant difference between the two iron accumulation curves. For the standardization of this method, ways of eliminating the electrostatic effect should established to minimize the factors influencing data variability.

En el caso de los otros metales, especialmente los metales pesados, se presume podría tener un comportamiento parecido, a excepción de algunos metales como el cobre que presenta una elevada afinidad con el musgo, llegando a acumularse el doble en comparación con los otros metales. En cuanto al parámetro de porosidad del material, si bien es un factor importante ya que en general el material particulado se acumula en dichos poros, se requieren estudios adicionales para analizar su impacto en la acumulación de MP2,5 en el musgo. En este sentido, se espera que a mayor porosidad del material, se alcanzará una mayor acumulación de material particulado, y por consiguiente de metales pesados.

Other metals, especially heavy metals, could presumably display similar behavior. The exception would be for metals such as copper, which has a high affinity with moss and is accumulated at rates double to other metals. Regarding material porosity, an objectively important factor, further studies are needed to analyze the impact of this parameter on PM2.5 moss bag accumulation, particularly since PM generally accumulates in pores. Consequently, greater material porosity would likely result in greater PM, and heavy metals, accumulation. Simulations were carried out using COMSOL® to assess interactions between airflow and the various moss bag shapes. Wind flow affected only one plane in the flat device, a result similar to that observed for the spherical

Figura 2. Geometría del moss bag utilizado para la modelación. a) Semiesfera; b) Plana; c) Esfera. Figure 2: Moss bag geometry models, with (a) Hemisphere; (b) Flat; and (c) Mossphere.

78 / Investigaciones de los alumnos

Figura 3. Interacción de la forma del dispositivo de medición de MP con una corriente de viento. a) Semiesfera; b) Plana; c) Esfera, utilizando cortes horizontales. Figure 3. Interaction between PM-measurement device shapes and wind flow. (a) Hemisphere; (b) Flat; and (c) Mossphere, presenting horizontal cross sections.

De las simulaciones realizadas empleando COMSOL® se pudo apreciar cómo una corriente de aire interactúa con las distintas formas presentadas anteriormente. En el dispositivo con forma plana se obtuvo que la corriente de viento impacta preferentemente sobre solo una de las caras del plano; algo similar se observó con la geometría esférica del dispositivo. Sin embargo, en el caso de la geometría semiesférica del dispositivo, su zona plana genera una zona de velocidades bajas, favoreciendo la adhesión de metales en esa zona geométrica.

device. However, the flat area in the hemispherical device generated a low-speed area, which increased metal adherence in this zone. A less turbulent area following wind impact was observed for the hemispherical device. This could facilitate heavy metal depositing in the upper section and, therefore, would likely be a better detector of heavy metals over 2.5 µm, since particles tend to settle at that size.

En el dispositivo con forma semiesférica se observa una zona menos turbulenta después del impacto del viento sobre la estructura. Esto podría favorecer la depositación de metales pesados en la parte superior de la misma y por consiguiente se tendría una mejor detección de metales pesados que están sobre los 2,5 µm, ya que sobre ese tamaño las partículas tiende a sedimentar. 4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

En los resultados obtenidos de las distintas simulaciones realizadas, se logra apreciar que existe una influencia significativa del efecto electrostático en el sistema de medición de metales si se compara con su homólogo sin presencia electrostática. Se recomienda que dentro del proceso de estandarización de la técnica moss bag se considere la variabilidad de datos que podría ocasionar el efecto electrostático en la acumulación del MP, que representa una característica del musgo que se ha trabajado en muy pocas ocasiones. Por lo tanto, es necesaria la implementación de un mecanismo para la investigación del efecto electrostático en las mediciones in-situ que logre disipar las cargas eléctricas presentes en la superficie del musgo, una propuesta puede ser incorporar un cable a tierra los dispositivos expuestos al ambiente.

The different simulation results show a significant influence of the electrostatic effect on metal measurements as compared to simulations without an electrostatic presence. As such, we recommend that moss bag standardization protocols take into account the data variability caused by the electrostatic effect in PM accumulation. This point remains an understudied trait of mosses. To this end, a mechanism that dissipates the electrical charge of the moss surface for on-site measurements is needed for researching the electrostatic effect. Such a proposal might incorporate a grounding cable for devices exposed to the environment. Regarding MP2.5 accumulation for the different device shapes, similar behaviors were observed for spherical and

Students’ research / 79

Figura 4. Interacción de la forma del dispositivo de medición de MP con una corriente de viento. a) Semiesfera; b) Plana; c) Esfera, haciendo uso de cortes horizontales en zonas críticas, llegándose a notar que la forma esférica y plana se observa un comportamiento similar en cuanto a la recepción del viento, sin embargo, en la forma semiesférica se aprecia una zona de baja velocidad en la zona superior de la estructura. Figure 4. Interaction between PM-measurement device shapes and wind flow. (a) Hemisphere; (b) Flat; and (c) Mossphere. Horizontal cross-sectioning was used in critical areas, with results indicating that the spherical and flat devices have similar behaviors in terms of wind reception. However, a low-speed zone can be seen at the top of the structure in the hemispherical shape.

Con respecto a la forma del dispositivo y la acumulación de PM2,5, se observa un comportamiento similar en los dispositivos de forma esférica y plana ya que en ambos existe una zona de alta perdida, debido a la velocidad del viento, lo que estaría en concordancia con los resultados obtenidos por Capozzi et al. [4]. Según su investigación, usando dispositivos planos y esféricos (mossferas) no obtuvo diferencias significativas en las cantidades cuantificadas de metales en unos y otros. De lo anterior es posible recomendar que para zonas con MP estrictamente 2,5 µm se recomienda una forma de dispositivo semiesférico. Se recomienda que en el proceso de estandarización de la técnica moss bag, se considere trabajar de forma complementaria con los fenómenos de acumulación de materia y de dinámica de fluidos. Adicionalmente a lo anterior, se debería estudiar la influencia que tiene la porosidad en el sistema, y de qué manera el aumento de porosidad afecta positivamente la retención de material particulado. Finalmente, se concluye que esta técnica es una buena alternativa para monitoreo de calidad del aire en zonas con faenas mineras, especialmente las fundiciones de cobre, obteniendo una buena captación de metales presentes en el MP acumulados en la superficie del musgo, bajo la consideración de la presencia de efectos electrostáticos y de la forma del dispositivo. Como trabajo futuro se propone realizar un acoplamiento de los dos modelos obtenidos en este estudio, a fin de obtener simulaciones más realistas del proceso de acumulación de metales en la superficie del musgo.

flat devices. This result is due to the existence of a high-loss wind speed area in both designs, which would align with the results obtained by Capozzi et al. [4]. According to this prior study, flat and spherical devices (i.e. Mossphere) did not significantly vary in quantified metal amounts. Given the above, a hemispherical device is recommended for areas with strictly PM2.5. We recommend that moss bag technique standardization processes further study the matter accumulation and fluid dynamics phenomena. Additional research focus should be given to understanding the influences of system porosity and the way in which increased porosity strengthens PM retention. Overall, we conclude that the moss bag technique is a viable alternative for monitoring air quality in mining-operation areas, especially copper smelters. Good PM metal capture on moss surfaces can be obtained when appropriately considering the electrostatic effects and device shape. We propose that future research link the two models presented in this study to obtain more realistic simulations of the moss-metal accumulation process.

80 / Investigaciones de los alumnos

Figura 5. Interacción de la forma del dispositivo de medición de MP con una corriente de viento. a) Semiesfera; b) Plana; c) Esfera, graficando las isosuperficies de velocidad. Figure 5. Interaction between PM-measurement device shapes and wind flow. (a) Hemisphere; (b) Flat; and (c) Mossphere, with graphical representation of the speed iso-surfaces.

GLOSARIO

GLOSSARY

MOSS BAG: Dispositivo que contiene musgo activado que ha sido utilizado en los últimos años para la medición de la concentración de metales en distintas zonas. El método de activación del musgo consiste en: (i) Selección y eliminar de la muestra musgo muerto o moribundo. (ii) Secar la muestra de musgo por 48 h a 40°C. (iii) Lavar el musgo. (iv) Mezclar la muestra con unas soluciones de ácido nítrico y perclórico.

MOSS BAG: Device containing activated moss, which has been used in recent years for measuring metal concentration for different areas. The moss activation method consists of: (i) Selecting and removing the dead or dying moss. (ii) Drying the moss sample for 48 hours at 40° C. (iii) Washing the moss. (iv) Mixing the sample with a nitric and perchloric acid solution.

PRINCIPIO CIENTÍFICO La ecuación de acumulación de materia en una superficie consiste en analizar la influencia de las propiedades físicas del material en el cual se está transfiriendo la materia. Adicionalmente se agrega la influencia de una fuerza motora, llamada convección, que favorece el movimiento de la materia sobre la superficie y –finalmente-, en los últimos años se ha añadido el efecto electrostático de la materia y la influencia de su ambiente sobre dicha carga. Como la Ecuación (2) es un sistema extremadamente difícil de solucionar de manera implícita, se utiliza un método de resolución explícito, en el que se puede apreciar la variación de la masa en el tiempo. Sin embargo, no es posible obtener una ecuación exacta. Para ello se resuelve el problema mediante el método de diferencias finitas, que consiste en realizar avances de tiempo corto y en cada avance de tiempo, la ecuación que gobierna el sistema se calcula de manera iterativa.

SCIENTIFIC PRINCIPLE The equation for particle surface accumulation consists of analyzing the effect of physical properties for the material in which the particles are being transferred. Additionally, the influence of a driving force, convection, which facilitates the movement of matter over the surface and, finally, the matter’s electrostatic effect, and the environmental influence on this charge, have been added in recent years. As Equation (2) is an extremely difficult system to solve implicitly, an explicit resolution method is used, in which mass variation can be seen over time. However, it is not possible to obtain an exact equation. For this reason, the problem is solved with the finite difference method, which consists of making progress for a short time periods, and then the system equation is calculated iteratively for each period.

Students’ research / 81

REFERENCES [1] WORLD HEALTH ORGANIZATION, 2016. Air pollution levels rising in many of the world’s poorest cities. [Consulta: 19 julio 2016]. Disponible en: http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2016/air-pollution-rising/en/. [2] MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE DE CHILE, 2011. Informe del estado del medio ambiente, Capitulo 1: Contaminación del aire. S.l.: Disponible en: http://www.mma.gob.cl/1304/articles-52016_Capitulo_1.pdf. [3] MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE DE CHILE, 2010. Análisis general del impacto económico y social de la norma de calidad primaria de material particulado 2.5. S.l.: Disponible en: http://www.sinia.cl/1292/articles-47699_Expediente_06.pdf. [4] VUKOVIĆ, G., et al, Biomagnetic monitoring of urban air pollution using moss bags (Sphagnum girgensohnii). Ecological Indicators, 2015, vol. 52, pp. 40-47. [5] SALO, H., et al. Biomonitoring of air pollution in SW Finland by magnetic and chemical measurements of moss bags and lichens. Journal of Geochemical Exploration, 2012, vol. 115, pp. 69-81. [6] CAPOZZI, F., et al. Best options for the exposure of traditional and innovative moss bags: A systematic evaluation in three European countries. Environmental Pollution, 2016, vol. 214, pp. 362-373. [7] BIRD, R.B., STEWART, W.E., LIGHTFOOT, E.N., Fenómenos de transporte. 2006 S.l.: Limusa Wiley. ISBN 968-1 8-6365-8. [8] ANDRADE, C. Calculation of chloride diffusion coefficients in concrete from ionic migration measurements. Cement and Concrete Research, 1993, vol. 23, no. 3, pp. 724-742. [9] DUAN, S., TIAN, H.. Exponential fitting Runge–Kutta methods for the delayed recruitment/renewal equation. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2016, vol. 303, pp. 31-39. [10] HUSSAIN, K., ISMAIL, F., SENU, N. Solving directly special fourth-order ordinary differential equations using Runge– Kutta type method. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2016, vol. 306, pp. 179-199. [11] CODELCO, 2016. Emisiones de Fundiciones. [Consulta: 15 febrero 2016]. Disponible en: https://www.codelco.com/ prontus_codelco/site/artic/20110711/pags/20110711105820.html. [12] PRICE, J.S., et al. Physical and isotopic characterization of evaporation from Sphagnum moss. Journal of Hydrology, 2009, vol. 369, no. 1-2, pp. 175-182. [13] YOSHIKAWA, K., OVERDUIN, P.P., HARDEN, J.W. Moisture content measurements of moss (Sphagnum spp.) using commercial sensors. Permafrost and Periglacial Processes, 2004, vol. 15, no. 4, pp. 309-318. EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

José Rebolledo Verónica Morales

César Saéz

82 / Investigaciones de los alumnos

28 / Investigaciones de los alumnos

ING1004 – Desafíos de la Ingeniería: Desarrollo y evolución de un curso cornerstone de diseño en ingeniería. ING1004 – Challenges in Engineering: Development and evolution of a cornerstone course on engineering design. Javiera Valenzuela1, alumna de 4to año. Belén Hirmas1, alumna de 4to año. Constanza Miranda2, profesor asistente adjunto. Catalina Cortázar3, profesor asistente adjunto.

Javiera Valenzuela1, 4th year student. Belén Hirmas1, 4th year student. Constanza Miranda2, assistant associate professor. Catalina Cortázar3, assistant associate professor.

Major en Ingeniería, Diseño e Innovación, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. 2 Área Diseño en Ingeniería (DiLab), Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. 3 Departamento de Ingeniería Mecánica, Escuela de Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Autor para correspondencia: ccortazar@uc.cl.

Major in Engineering, Design and Innovation, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. 2 Design in Engineering Area (DiLab), Department of Mechanical and Metallurgical Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. 3 Departament of Mechanical and Metallurgical Engineering, School of Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile. *Correspondence author: ccortazar@uc.cl.

Students’ research / 83

RESUMEN

ABSTRACT

“ING1004 – Desafíos de la ingeniería” es un curso mínimo creado e impartido por la Escuela de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile pensado para alumnos de primer año de la carrera. Este enseña un proceso de diseño en ingeniería para la búsqueda y resolución de problemas provenientes del mundo real. Los alumnos deben aplicar conceptos de diseño, pensamiento creativo y trabajo en equipo para identificar una oportunidad respecto a una temática de impacto predefinida y desarrollar un producto innovador que la aborde. Este artículo presenta la evolución del curso ING1004 durante sus casi 15 años de existencia, la cual se divide en tres grandes etapas marcadas por cambios de coordinación, métodos de evaluación y metodologías de enseñanza, entre otros. De esta manera, este caso de estudio entrega una base para quienes estén interesados en instruir un curso cornerstone masivo de diseño en ingeniería usando metodologías de PROBLEM BASED LEARNING y PROJECT BASED LEARNING.

“ING1004 – Challenges in Engineering” is a required course for first-year engineering students created and taught by the School of Engineering at the Pontificia Universidad Católica de Chile. This course teaches students an engineering design process for investigating and solving real-world problems. Students apply concepts of design, creative thinking, and teamwork to identify opportunities and develop innovative products related to a predefined subject of interest. This article presents the evolution of ING1004 over its 15 years of existence, a time that can be divided into three general stages according to modifications in coordination, evaluation methods, and teaching methods, among others. This case study provides a foundation for others interested in implementing a general cornerstone course on engineering design that applies PROBLEM BASED LEARNING and PROJECT BASED LEARNING.

Palabras clave: Educación, diseño, ingeniería, cornerstone.

Key words: fEducation, design, engineering, cornerstone.

1. INTRODUCCIÓN

1. INTRODUCTION

En el año 2002 la Escuela de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC) creó el curso “ING1004 – Desafíos de la Ingeniería”. Este sería el curso cornerstone1 de la carrera que ofrecería a los alumnos experiencias relacionadas con la ejecución práctica de la ingeniería a través de un proceso de diseño. La creación de este curso respondió a la necesidad que identifica la Escuela de perfeccionar un curso ya existente, el cual buscaba introducir de manera temprana a los estudiantes a este tipo de experiencias, entregándoles la capacidad de identificar y resolver problemas de diseño en ingeniería. El demostrar esta habilidad en los estudiantes es parte de los requisitos que ha impuesto la Accreditation Board for Engineering and Technology (ABET) [2], una organización gubernamental sin fines de lucro que acredita programas de ingeniería. ABET reúne sus requerimientos de acreditación desde la industria, grupos profesionales y establecimientos educacionales. Cabe destacar que la Escuela de Ingeniería de la PUC ha acreditado su malla de pregrado bajo la modalidad ABET desde el año 2010.

In 2002, the School of Engineering at the Pontificia Universidad Católica de Chile (PUC) created the course “ING1004 – Challenges in Engineering.” This cornerstone1 course for engineering majors provides students with experiences related to the practical execution of engineering through a design process. The creation of this course responded to the need, as identified by the School, of improving an already existing course that sought to give students early exposure to practical experiences, thereby fostering the ability to identify and resolve engineering design problems. Demonstrating that students have this capacity is part of the requirements established by the Accreditation Board for Engineering and Technology [2], a governmental non-profit organization that accredits engineering programs. The respective accreditation standards are drawn from the industry, professional societies, and educational establishments. It is worth noting that the PUC School of Engineering has accredited its undergraduate curriculum through the Accreditation Board for Engineering and Technology since 2010.

Un curso cornerstone es un curso de diseño que se imparte durante el primer año de la carrera [8].

A cornerstone is a design course imparted to first-year students within the major [8].

84 / Investigaciones de los alumnos

Table 1. Relevant quantitative course data. Stage 01

Stage 02

Year

‘02

‘03

‘04

‘05

‘06

‘07

‘08

Sem.

Coor.

Juan Carlos De la Llera

‘09 1

Stage 03

‘10 2

Mario Durán

‘11 2

‘12 2

‘13 2

‘14 2

Claudio Fernández

‘15 2

‘16

Catalina Cortázar

# Students

415

400

508

484

432

539

298

728

261

754

241

783

# Sections

# Instr.

* 1 = First Semester; 2 = Second Semester; Sem., semester; Coor., coordinator; Instr., instructor.

ING1004 es un curso masivo de carácter mínimo dirigido a los alumnos de primer año de la carrera de ingeniería y su plan básico de pregrado. Es de carácter semestral y corresponde a 10 créditos en la malla curricular, es decir, equivalente a 10 horas de trabajo fuera de clases por semana. Se mueve en torno al trabajo en equipo, ya que los estudiantes son organizados en grupos de entre 8 y 10 personas. A su vez, estos equipos son colocados en secciones de aproximadamente 100 alumnos por clase (Tabla 1). El curso cuenta con un profesor coordinador que es designado por la Escuela, encargado de orquestar tanto a las secciones como a profesores y ayudantes. Los instructores del curso que conforman el equipo docente son de diversos departamentos de ingeniería (Mecánica, Eléctrica, Química, etc.), por lo que es de carácter transversal a la Escuela. Cada semestre, se entrega una temática o desafío ambiguo a los estudiantes, es decir, que tiene más de una solución correcta. Cada equipo debe realizar una investigación aplicada en torno a este desafío y trabajar con un proceso de diseño para definir y construir un prototipo que resuelva una oportunidad definida por ellos. Al final del curso los resultados son llevados a una feria tecnológica. Esta es abierta a todo público y es donde diversos jurados eligen aproximadamente los 10 mejores equipos, que luego se presentarán en un congreso tecnológico cerrado a la Escuela. En él, se premia a los 3 mejores proyectos de cada semestre y a una mención honrosa. Este artículo presenta la evolución del curso ING1004 durante sus casi 15 años de existencia. El objetivo es caracterizar este curso masivo de diseño en ingeniería y entregar una base para quienes estén interesados en incorporar a su currículum un curso de características similares.

ING1004 is a required course within the core curriculum for first-year engineering students. This semester-long course is worth ten credits, translating into an equivalent of ten hours of weekly work outside of the class. Each course section is comprised of approximately 100 students that are organized into groups of 8 to 10, thus emphasizing the teamwork-oriented focus of the course (Table 1). The coordinating professor, as chosen by the School, is in charge of organizing each class section and respective instructors and teaching assistants. In turn, course instructors include faculty members from various engineering departments (e.g. mechanical, electrical, chemical, etc.), which highlights the transversal nature of this course within the School. Every semester students are presented with an ambiguous theme or challenge, i.e. a problem that has more than one correct solution. Each team must conduct applied research related to the challenge and construct a prototype that resolves a defined opportunity. At the end of the course, the results are presented at a technology fair. This fair is open to the public and serves as an instance for a diverse panel of judges to select, approximately, the top ten teams. The selected projects are then presented at a private technology congress hosted by the School. At this congress, the top three projects, plus an honorable mention, are recognized each semester. The current article presents the evolution of ING1004 over its nearly 15 years of existence. The objectives were to characterize this general course on engineering design and to provide a foundation for similar courses within the curricula of other departments, schools, and/or institutions.

2. METODOLOGÍA

2. METHODOLOGY

Este caso de estudio utiliza información cualitativa para describir la evolución del curso en relación a los objetivos de aprendizaje, metodologías de enseñanza empleadas, enfoque y resultados esperados en el desarrollo de prototipos. Con esto se busca responder las siguientes preguntas: ¿En qué consiste el curso?

This study used qualitative information to describe course evolution in relation to learning objectives, employed teaching methodologies, focus, and expected results for prototype development. The aim of analysis was to respond to the following questions: (1) What does this course entail? (2) How have the objectives, methodologies, and

Students’ research / 85

¿Cómo han evolucionado los objetivos, metodologías y evaluaciones del curso ING1004 durante sus casi 15 años de existencia? ¿Qué aspectos han sido relevantes para este curso y su desarrollo? Siendo este estudio mayormente de carácter descriptivo histórico, se utilizaron fuentes de archivos digitales externos e internos para levantar información cualitativa sobre el curso. Así mismo, se realizó un trabajo de levantamiento de datos por parte de las investigadoras, a través de entrevistas semi - estructuradas2, con un posterior análisis cualitativo (Qualitative Data Analysis - QDA). Para lograr la validez interna de nuestro artículo se buscó triangular (Figura 1) la información basándose en contrastar diferentes fuentes y datos [7]. A continuación, se detallan las fuentes, tipos de datos, y análisis realizados.

evaluations of ING1004 evolved over its nearly 15 years of existence? and (3) What aspects have been relevant for this course and its growth? Since this study was mostly descriptive and historical in nature, external and internal digital archives were used to collect qualitative information about the course. Similarly, data were collected through semi-structured interviews2, with posterior qualitative data analysis. For internal validation of the study, the collected information was triangulated (Figure 1) by contrasting different sources and data [7]. Following are details regarding sources, data types, and the conducted analyses.

Figura 1. Esquema de TRIANGULACIÓN de datos. Figure 1. Scheme for data TRIANGULATION.

Una entrevista semi - estructurada tiene las siguientes características: es agendada, formal, posee una guía o protocolo establecido, y es conversacional, lo que permite seguir con otras ideas a pesar de la pauta [3]. 2

A semi-structure interview has the following traits: scheduled, formal, has a guide or established protocol, and is conversational, thus allowing for other ideas outside of the guidelines [3]. 2

86 / Investigaciones de los alumnos

2.1 Archivos del curso

2.1 Course archives

Corresponden a respaldos digitales entre los años 2003 al 2016 recopilados por los distintos coordinadores del curso (más de 2.000 archivos). En ellos se encuentran los programas o sílabos del curso, diaporamas de las clases, cantidad de secciones, alumnos y equipos por semestre. Además, la Dirección de Pregrado de la Escuela de Ingeniería (DiPre) facilitó un listado con todo el equipo docente que ha sido parte de ING1004 desde sus inicios.

Digital archives compiled between 2003 and 2016 by distinct course coordinators were collected (> 2000 archives). These files included course programs or syllabi, class slideshows, and the number of sections, students, and teams per semester. Furthermore, the Office of Undergraduate Education, School of Engineering, provided a list of all instructors that have participated in ING1004 since its founding.

Esta información se categorizó, con lo que se pudo establecer los objetivos y desafíos de cada semestre. Así mismo, pudimos caracterizar cuantitativamente la composición de cada etapa (número de alumnos, evaluaciones y resultados), lo que permitió un primer acercamiento al curso y a los cambios experimentados por éste.

This information was categorized, and the objectives and challenges for each semester were discerned. Similarly, the composition of each stage (i.e. number of students, evaluations, and results) was quantitatively characterized. This was the first approach in understanding the course and its respective changes over time.

2.2 Entrevistas semi-estructuradas

2.2 Semi-structured interviews

Se llevaron a cabo un total de 23 entrevistas semi-estructuradas a informantes claves, identificados específicamente para reportar estos 15 años. Estos corresponden a 3 coordinadores, 2 profesores y 18 alumnos que cursaron el curso durante el primer semestre del 2016. Sin embargo, como corresponde a una muestra limitada, los protocolos de entrevistas buscan triangular información dada por otras fuentes para dar sentido a los datos (e.g. Archivos del curso).

A total of 23 semi-structured interviews were conducted with key contacts, identified specifically to report on the assessed 15 years. The interview participants included 3 coordinators, 2 instructors, and 18 students that took the course during the first semester of 2016. However, as the sample group was limited, interview protocol sought to triangulate the provided information with other sources so as to establish meaning (e.g. course archives).

La pauta de entrevista establecía objetivos y temas a tocar. Se tomaron notas de campo y registro audiovisual con el propósito de facilitar la transcripción de estos mismos [9]. Los datos transcritos fueron codificados, es decir, que los textos, temas o ideas principales fueron convertidas en etiquetas o códigos [12]. Estos códigos fueron relacionados y permitieron identificar patrones y establecer teorías dentro de contexto estudiado.

The interview guideline established the objectives and subjects to discuss. Field notes and an audiovisual recording were taken to facilitate the posterior transcription of the interviews [9]. The transcribed data were codified. In other words, the primary texts, themes, or ideas were converted into labels or codes [12]. These codes were related and facilitated identifying patterns and establishing theories within the studied context.

2.3 Recopilación de material audiovisual y fotografías

2.3 Collection of audiovisual and photographic material

Desde el año 2005, las distintas coordinaciones registraron y editaron videos que resumen el desarrollo del curso desde el inicio del semestre hasta las presentaciones finales en la feria y el congreso tecnológico. El análisis de imágenes dentro de este material permitió capturar las instancias de presentación de prototipos y ver la evolución de estos a través de los años. La respectiva categorización consideró 4 elementos: tipo de manufactura (manual vs. digital), nivel de terminaciones, material utilizado e incorporación de artículos electrónicos en los prototipos.

Since 2005, the distinct course coordinators have recorded and edited videos summarizing course progression from the start of the semester to final presentations at the technology fair and congress. This material contained recordings of prototype presentations, thereby allowing for assessments of prototype evolution over the years. The respective categorization of prototypes considered the following four elements: manufacturing (manual vs. digital), workmanship, material used, and incorporation of electronic components.

2.4 Recopilación de prensa gráfica

2.4 Collection of printed media

Debido a que el cierre del curso es usualmente retratado por periódicos y portales de Internet, utilizamos las noticias publicadas para corroborar y completar datos de los otros archivos recolectados.

Since the close of the course (i.e. the technology fair) is usually covered by print and electronic media, published news articles were used to corroborate and complete information from the other collected sources.

Students’ research / 87

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3. RESULTS AND DISCUSSION

Después de realizar el análisis cualitativo de la información triangulada (Figura 1), pudimos identificar la existencia de 3 etapas en la evolución del curso. Estas evidencian diferencias tanto en metodologías de enseñanza, como en los resultados del curso. A continuación, en la Figura 2, se muestra una línea de tiempo que indica los hitos importantes que han marcado la evolución curso.

After performing qualitative analysis of the triangulated information (Figure 1), three stages were identified during the evolution of the course. These stages evidenced differences in both teaching methodologies and course results. Figure 2 presents a timeline for the important milestones that have marked course evolution.

3.1 ETAPA 01 (2002 - 2007)

3.1 STAGE 01 (2002 - 2007)

El curso nace, tal como indica el coordinador de ese entonces, producto de la necesidad de la Escuela de perfeccionar el curso introductorio a la ingeniería. Es importante recordar que los cursos de primer año corresponden a cursos teóricos de ciencias básicas, por lo que tienden a alejarse del mundo aplicado de la ingeniería profesional. Durante esta etapa, “Desafíos de la ingeniería” busca que las cátedras aborden, superficialmente, temáticas de ingeniería, como lo son Estática, Dinámica, Energía y Sistemas (sean mecánicos, eléctricos o hidráulicos).

As indicated by the original coordinator, the course began as a product of necessity for the School to improve the introductory course to engineering. It is important to note that first-year courses for engineering majors are theoretical classes in the basic sciences, meaning that subject matter tends to stray away from the applied sphere of professional engineering. During this first stage, “Challenges in Engineering” sought to have lectures that superficially addressed themes in mechanical, electrical, or hydraulic engineering, such as statics, dynamics, energy, and systems.

Figura 2. Visualización con los hitos del curso. Figure 2. Visualization of course milestones.

88 / Investigaciones de los alumnos

Stage 01

Table 2. List of challenges. Year

Semester

Challenge

2002

2020 Olympics

2003

Automatic Climber

2004

Disabilities

2005

Environmentally Friendly Social Housing

2006

Increasing the Energy Efficiency of Some Electronic Device

2007

Challenge Together with Medicine

2008

Improving Social Housing

A Roof for Chile

Stage 02

2009 2010 2011 2012

Stage 03

2013 2014 2015 2016

More Years, More Life

Hygiene and Self-Care for Seniors

Traffic Safety

Reduce, Reuse, Recycle

DeporTec, Sports Technology

ManualTec, Tools for the Farmer’s Market, Construction, or Street Vendors

VidaTec, Technology for Health

Care on Wheels

Active Science

Firefighters

Reusing Trash

Los desafíos que se eligen comienzan siendo muy específicos (Tabla 2): e. g. Hacer un trepador autómata que suba una cuerda hasta cierta marca y vuelva a bajar. Durante estos proyectos, se observa poca variabilidad en las soluciones propuestas por los equipos. Sin embargo, a mediados del período, se denota un interés por encarar proyectos sociales. Así aparecen desafíos como el de construir o rediseñar una vivienda social de emergencia (Figura 3). Ex alumnos y docentes consultados comentan que para la realización de aquellos proyectos no existía preparación ni prototipado. El producto final carecía usualmente de estética y usabilidad, aunque muchas veces cumplían con los objetivos mecánicos propuestos. En la misma línea, las evaluaciones se enfocaban en las cátedras relacionadas con las ciencias básicas y, asimismo, en estas ciencias aplicadas al proyecto.

The first challenges presented to students were highly specific (Table 2), including, for example, making an automatic climber that could climb a rope to a certain point and then come down. Among these projects, there was little variability in the solutions proposed by the teams. However, halfway through Stage 01, there was a notable interest in addressing social projects. This led to the appearance of challenges such as constructing or redesigning emergency social housing (Figure 3). Course alumni and previous instructors commented that these projects did not involve preparation or prototyping stages. The final product usually lacked esthetic and usability, even while often complying with the proposed mechanical objectives. In the same vein, course evaluations were focused on lectures related to the basic sciences and, likewise, in these sciences as applied to the project.

Students’ research / 89

Figura 3. Viviendas sociales de emergencia en proceso de construcción [Feria tecnológica 2005]. Fuente: Archivos del curso, año 2005. Figure 3. Emergency social housing in the process of construction [Technology Fair 2005]. Source: Course archives, 2005.

3.2 ETAPA 02 (2008 - 2013)

3.2 STAGE 02 (2008 - 2013)

Esta etapa está marcada por la intención de la Escuela de Ingeniería de incorporar temáticas de diseño al curso dando énfasis al proyecto o desafío. Es por ello que, para incluir temáticas de visualización en presentaciones, estudio de usabilidad, apoyo en prototipado y desarrollo conceptual, se incorpora un docente diseñador. Es así como en el año 2009 entra la diseñadora Constanza Miranda, para hacer una revisión de los contenidos del curso en conjunto con el coordinador. Se decide agregar 3 cátedras y ayudantías de metodologías de diseño para apoyar el trabajo de los estudiantes en el desarrollo del producto.

Stage 02 was marked by a desire of the School of Engineering to include topics on engineering design, with emphasis on the project or challenge. To include subjects related to visual presentation, usability assessments, prototyping support, and conceptual development, a design instructor was incorporated into the course. Specifically, Constanza Miranda became part of the instructional team in 2009 and reviewed course content with the coordinator. The decision was made to add three lectures and training modules on design methodologies to aid students in product development.

Durante este ciclo, se mantiene la intención de establecer desafíos de carácter social, tal como, “Mejorando la habitabilidad de las viviendas sociales” y “Chile aprende jugando”. Este último buscaba generar soluciones para que niños de educación básica pudiesen aprender conceptos educativos mediante dispositivos lúdicos. Enunciados más amplios (en comparación a la construcción de un dispositivo específico con una tarea determinada) permitieron una diversificación de las soluciones (Figura 4). Durante este período el foco de las evaluaciones se centró aún más en el proyecto, acercando al curso a la categoría de aprendizaje basado en proyectos (Project based learning - PBL).

During this stage, challenges remained focused on social issues, such as “Improving the habitability of social housing” and “Chile learns by playing.” In this latter challenge, solutions were created to allow elementary schoolchildren to learn educational concepts through ludic devices. This wider context, as compared to the construction of specific devises for a defined task, resulted in a diversification of proposed solutions (Figure 4). During this period, evaluations centered more on the project, thus becoming more similar to courses categorized as project-based learning.

90 / Investigaciones de los alumnos

Figura 4. Prototipos del desafío “Chile aprende jugando”. Fuente: Video feria tecnológica, año 2009, 1er Semestre. Figure 4. Prototypes for the challenge “Chile learns through play.” Source: Technology Fair Video, 2009, 1st Semester.

Un hito importante fue la inauguración del Taller de Desafíos (2009), espacio que otorga un lugar de trabajo y herramientas de prototipado a los alumnos. Según Claudio Fernández, el último coordinador a cargo de esta etapa, la llegada de Ángela Decar, diseñadora industrial y encargada del taller, implicó un mayor apoyo para los grupos en la construcción de prototipos. Esto contribuyó sustancialmente en la mejoría de manufactura y acabado respecto al ciclo anterior.

An important milestone within Stage 02 was the inauguration of the Challenge Workshop (2009), a space that provided students with work areas and tools for prototyping. According to Claudio Fernández, the final coordinator within Stage 02, the arrival of Ángela Decar, industrial designer and workshop leader, resulted in groups receiving greater support during prototype construction. This milestone substantially contributed to improved manufacturing and workmanship as compared to prior periods.

Lo anterior condujo a otro cambio importante: Durante el primer semestre del 2013 se incorporaron talleres de apoyo técnico, que consisten en clases cortas de desarrollo de prototipos donde se enseñan técnicas básicas de prototipado manual (e.g. moldes de resina) y digital (e.g. cortadora láser).

These modifications subsequently led to another important change. During the first semester of 2013, technical support workshops were incorporated into the course. These workshops consisted of short prototype development classes in which basic techniques for manual (e.g. resin molding) and digital (e.g. laser cutting) prototyping were taught to students.

Respecto a las evaluaciones, según lo comentado por los profesores de este período, surgió una tasa de reprobación de un 5-10% en promedio. Claudio Fernández comenta que esto se explica por un aumento de exigencia en las evaluaciones existentes, la creación de correcciones de avance de proyecto y de una evaluación de pares, creada con el objetivo de identificar a los FREE RIDERS y penalizar el trabajo heterogéneo de los integrantes en los grupos.

Regarding evaluations, instructors from this stage commented that failure rates rose to 5-10% on average. Claudio Fernández stated that this phenomenon can be explained by increased exam difficulty, assessments of project progression, and a peer evaluation implemented to identify and penalize FREE RIDERS without affecting other group members.

Si bien la metodología experimentó un cambio considerable en esta etapa, cabe mencionar que aún no se lograban establecer una coherencia entre los contenidos ingenieriles con el proceso de diseño. La unión de ambas partes en el curso se puede apreciar en el siguiente período.

While methodologies underwent considerable changes during this period, it is worth mentioning that coherency remained lacking between engineering contents and the design process. The merging of these two halves in the course occurred during Stage 03, as described below.

Students’ research / 91

3.3 ETAPA 03 (2013 - actualidad)

3.3 STAGE 03 (2013 - current)

Este ciclo se caracteriza por la consolidación de las metodologías de enseñanza de problem y project based learning. En el ciclo anterior, tal como menciona la actual coordinadora del curso, Catalina Cortázar, se realizaban las clases de metodología de diseño y después las clases con temáticas de ingeniería. Actualmente se intercalan las clases entre una temática y otra, logrando un orden coherente de modo que acompañe al proyecto. Por ejemplo, se hace la clase de salida a terreno (parte del proceso de diseño) y luego la clase de análisis de datos (temática ingenieril).

This stage is characterized by the consolidation of teaching methodologies based on problem- and project-based learning. As mentioned by the current course coordinator, Catalina Cortázar, classes in Stage 02 focused first on the design process and then on engineering topics. In Stage 03, these themes are interspersed between classes to logically accompany students during project development. For example, the class on field work (design process) is followed by the class on data analysis (engineering topic).

Otro cambio importante es la modificación del método de evaluación. Se instauraron 6 instancias de corrección, 5 de ellas evaluadas por el profesor de la sección y que miden el desarrollo del proyecto. La sexta y última instancia se enfoca en evaluar el prototipo final de los equipos y es evaluada por jueces externos durante la feria tecnológica. Respecto a las evaluaciones de pares, se decidió aplicar una luego de cada corrección, de modo que ya no solo penaliza a los alumnos que fueron de bajo aporte en el trabajo grupal, sino que también los alerta, de modo de que puedan modificar su comportamiento.

Another important change occurred in evaluation methods; namely, six project evaluations are now used. Five are conducted by the section instructor and measure project progress. The sixth and final evaluation focuses on the final prototype presented by each team and is evaluated by external judges during the technology fair. Furthermore, peer evaluations are conducted after each project evaluation. This not only means free riding students can be penalized, but also alerted, thus allowing these students the opportunity to modify their behavior.

Los temas de los desafíos propuestos durante esta etapa son elegidos en base a su actualidad y trascendencia a nivel país (Tabla 2). Acerca de los prototipos, se observa que continúan las mejoras en manufactura y nivel tecnológico. Esto se explica debido a la actualización e incorporación de máquinas por parte del taller, como una cortadora láser de mayor tamaño y nuevas máquinas de prototipado 3D.

The challenges being proposed during this stage are selected on the basis of current events and transcendence on the national scale (Table 2). Regarding prototypes, continued improvements occur in manufacturing and the use of technology. This development can be explained by the updating and incorporation of machines in the Challenge Workshop, such as a larger laser cutter and new 3D prototyping printers.

Respecto a los hitos significativos, al inicio de este ciclo ocurre un cambio curricular en la malla de ingeniería (Figura 2), lo que resulta en incluir secciones con los alumnos del programa College UC durante los segundos semestres aumentando sustancialmente el tamaño de las secciones de clases (Tabla 1). Además, durante este ciclo ocurren otros 2 hitos importantes que evidencian el desarrollo y éxito del curso ING1004. Estos son la incorporación del Instituto Técnico Duoc UC, en el año 2014 y de la Universidad Federico Santa María de Valparaíso el 2016. En el caso del Duoc UC, su incorporación fue parte de una iniciativa nacida en la Escuela por realizar trabajos con esta institución. El método de trabajo es el siguiente: los alumnos del Instituto asisten a las clases impartidas en la PUC y forman grupo con los alumnos de la Universidad. Respecto a la USM, su incorporación fue dentro del marco del programa CORFO Ingeniería 20303. El método de trabajo consistió en que la USM de Valparaíso tenía su propia sección, de modo que los grupos se formaban

Several significant milestones have already occurred in this stage. At the start of Stage 03, the engineering curriculum was modified (Figure 2), resulting in the inclusion of course sections with students from the College UC program during the second semester. This substantially increased the size of course sections (Table 1). Furthermore, two other milestones were accomplished that evidence the evolution and success of ING1004. Specifically, these were the incorporation of the Duoc UC Technical Institute in 2014 and the Universidad Federico Santa María de Valparaíso (USM) in 2016. In the case of Duoc UC, inclusion in the course was part of a School initiative to work with this institution. In this course model, Duoc UC students attend classes dictated at PUC and form groups with PUC students. In turn, UCM was included in the course within the framework of the Engineering 2030 CORFO program3. In this course model, USM students have their own course section, meaning that groups are formed

Ingeniería 2030, tambíen conocido como The Clover 2030 Engineering Strategy, es una iniciativa de la Corporación de Fomento de la Producción (CORFO) que busca que las escuelas nacionales de ingeniería alcancen categoría mundial, y a través de este proceso, impacten directamente en el desarrollo de Chile [12]. 3

Engineering 2030, also known as The Clover 2030 Engineering Strategy, is an initiative founded by the Production Development Corporation [Corporación de Fomento de la Producción (CORFO)] that aims for national engineering schools to reach world-class standards and, as such, directly impact the development of Chile [12]. 3

92 / Investigaciones de los alumnos

sólo con alumnos de esa universidad. Los profesores de la USM usaban el mismo material docente que en la PUC e impartían sus propios talleres cortos de prototipado.

only by USM students. The instructors at USM use the same teaching material as at PUC, in addition to also dictating short prototyping workshops.

Luego de estudiar la historia del curso se puede decir que su evolución lo ha llevado a consolidarse como un curso con una metodología de problem y project based learning. A pesar de que el objetivo principal de la primera etapa se ha mantenido, se puede observar una variación en el enfoque de enseñanza, pasando de estar centrado en ciencias básicas a incluir un proceso de diseño en el desarrollo del proyecto. Este cambio de enfoque acarreó cambios en la forma de evaluar, donde se pasó de medir contenidos teóricos de clases a avances de los proyectos específicos de cada grupo. Respecto a los prototipos finales, se pudo observar un claro avance en el acabado y aumento en la variedad de materiales usados a través de los años. Esto se lo adjudicamos principalmente al avance de la tecnología de prototipado disponible, a la existencia del taller de desafíos y a la creación de los talleres cortos de prototipado.

Historical analysis of the “Challenges in Engineering” course supports that its evolution has led to consolidation as a course implementing problem- and project-based learning methodologies. While the original objective from the first stage has been maintained, variations have occurred regarding the focus of instruction, going from being centered on the basic sciences to including a design process within the context of a project. This change in focus led to modifications in how students were evaluated, moving away from measuring theoretical knowledge to assessing the progress of each group project. Regarding final prototypes, a clear progression can be observed in the workmanship and variety of materials used over the years. These improvements are likely due in large part to advancements in available prototyping technology, the existence of a Challenge Workshop, and the creation of short prototyping workshops.

La elección de temas cada vez más ambiguos y amplios permite entregar de manera efectiva una primera experiencia al trabajo con problemas abiertos, lo cual se acerca de forma concreta a los problemas del mundo real. Esto permite que el alumno de ingeniería adquiera, desde los primeros años, la capacidad de tratar con problemas en los cuales no existe una sola solución correcta, adquiriendo una herramienta que puede usar y perfeccionar en los siguientes años de su carrera.

The selection of evermore ambiguous and wide challenge subjects effectively grants students experience in working with open problems that concretely reflect the real-world. As such, engineering students acquire, from their first year of study, the ability to tackle problems that do not have a single correct answer, thus providing these individuals with a tool that can be used and perfected in the upcoming years within their major.

Table 3. Summary of course evolution. Stage 01

Stage 02

Stage 03

Learning Objectives

Introduce the student to applied Solve real problems through a engineering. design process.

Work with open problems, combined engineering and UCD*.

Methodologies

Theoretical classes on engineering themes.

Creation of a project that responds to a challenge.

Classes and assistantships added for design methodologies.

Classes on design methodology and theoretical engineering concepts are coherently staggered with one another.

Challenge workshop is created.

Evaluations

Quizzes on theoretical content applied in the project. Final project exam centered on meeting design specifications.

Quizzes focused on the project and technical content. Progress evaluations occur during the semester, as well as at the final fair. Peer review is incorporated at the end of the semester.

Five evaluations that measure project progress and one evaluation that considers the final prototype. Peer review is incorporated after each evaluation.

Students’ research / 93

Challenges

[First half of the stage]

Start with a strong social aspect that later leads to other themes (e.g. technology, sports). The challenges are characterized for being more open, permitting infinite solutions.

Themes are varied and very open, with many possible ways to approach and correctly respond to each challenge.

Little variety in solutions.

Variety in solutions.

Greater variety in solutions.

Solutions address the challenge but are low quality in workmanship and esthetic.

Better workmanship.

Better finishing and workmanship qualities.

Mechanical challenges centered on hard engineering tests. [Second half of the stage] Focus on helping the community through engineering. Prototyping

Use of electrical and manual tools, as well as conventional materials (e.g. wood, PVC).

Greater use of prototyping materials (e.g. resin) and some use of digital machinery (e.g. 3D printer) and prototyping technology (e.g. Arduino).

Frequent use of digital machinery and technological elements, together with electrical and manual tools.

*UCD: user centerd design

4. CONCLUSIONES

4. CONCLUSIONS

El curso “ING1004 – Desafíos de la ingeniería” es un curso masivo de primer año de la carrera de ingeniería civil. Aplica una metodología de problem y project based learning, ya que semestralmente se presenta un desafío con una problemática ambigua a los alumnos y se espera que estos desarrollen un producto en equipo que la resuelva. Se enseña un proceso de diseño que busca ayudar a los alumnos a identificar distintas oportunidades y a crear variadas soluciones, de modo de que aprendan a trabajar con problemas abiertos utilizando la ingeniería de manera eficiente.

“ING1004 – Challenges in Engineering” is a required cornerstone course for first-year civil engineering students. This course applies problem- and projectbased methodologies. Namely, each semester students are presented a challenge with ambiguous problems, and, in groups, students must develop a product to resolve said problems. A design process is taught so as to help students identify different opportunities and create various solutions. Therefore, students learn by working on open problems by efficiently using engineering.

En el transcurso de los años el curso ha pasado por distintas etapas de crecimiento y evolución. No solo ha aumentado el número de alumnos y profesores (Tabla 1); toda la metodología de enseñanza ha pasado por un proceso de maduración. Se detectaron tres etapas distintas, con diferencias en el enfoque, naturaleza de los temas escogidos e hitos importantes (Tabla 3). Así, se observa una integración paulatina del diseño con la ingeniería, mayor apertura de los temas de los desafíos y mejoría en el acabado de los prototipos.

Over the years, this course has undergone distinct stages of growth and evolution. Not only has the number of students and instructors increased (Table 1), the entire instructional approach has also undergone a maturation process. Three distinct stages were identified, with differences regarding course focus, nature of the selected themes, and important milestones (Table 3). Together with this, there has been a steady integration of engineering design, wider challenge themes, and improvements in the finished prototypes.

Este proceso no ha sido lineal, sino que ha requerido de múltiples iteraciones para llegar a ser el curso que es en la actualidad. Es a través de estas iteraciones que se detectan los aspectos a mejorar, de modo que el curso está en constante revisión y cambio. Tal como menciona Catalina Cortázar, uno de los próximos aspectos a mejorar es la enseñanza del trabajo en equipo. Este es la base para el desarrollo de los proyectos, y dentro de los objetivos se encuentra el entregar esta habilidad a los alumnos que los cursan. Es por esto que

The evolution of ING1004 has not been a lineal process, but has required multiple iterations to arrive at what the course is today. It is through these iterations that aspects for improvement are detected, meaning that the course is constantly subject to review and change. As mentioned by Catalina Cortázar, one of the next aspects to improve is teaching teamwork. This concept is the basis for student projects, and ensuring students can successfully work in teams is a course objective. Considering this, the second semester of 2016 saw the implementation of new

94 / Investigaciones de los alumnos

desde el segundo semestre del 2016 se está trabajando en nuevas metodologías para fortalecer el trabajo en equipo. De esta manera, el curso adquiere nuevas técnicas que le entregan un abanico de herramientas al alumno de primer año, y que logran cumplir con el objetivo inicial de su creación: acercar a los alumnos de primer año a la ingeniería real.

methodologies for strengthening teamwork. Through such reiterative processes, this course is constantly gaining new techniques with which to prepare first-year engineering students, thus achieving the initial objective of the course, to bring first-year students closer to real engineering.

AGRADECIMIENTOS

ACKNOWLEDGEMENTS

Se agradece al decano de ingeniería, Juan Carlos de la Llera, y al profesor Claudio Fernández por la información facilitada. A nuestras profesoras Catalina Cortázar y Constanza Miranda por su dirección durante nuestro trabajo y escritura de esta publicación. A la Dirección de Pregrado de la Escuela de Ingeniería UC por el material facilitado para la realización de este estudio.

The authors thank the Dean of Engineering, Juan Carlos de la Llera, and Professor Claudio Fernández for the information provided. The authors also thank Professors Catalina Cortázar and Constanza Miranda for their guidance during the work on and writing of this manuscript. Finally, the authors thank the Office of Undergraduate Education, School of Engineering, PUC for providing material related to this study.

GLOSARIO

GLOSSARY

CODIFICACIÓN: La vinculación decisiva entre la raw data y los conceptos teóricos del investigador. FREE RIDERS: Integrantes de un grupo que no trabajan desarrollando todo su potencial [10]. PROBLEM BASED LEARNING: Metodología de enseñanza basada en la resolución de un problema como objetivo principal. Según Dym et al. (2005) [8], esta metodología traduce los contenidos teóricos en problemas del día a día. Dado que convierte al estudiante en un elemento activo en su educación, esta metodología permite incrementar los niveles de participación e interacción de los alumnos [5]. PROJECT BASED LEARNING: Metodología de enseñanza basada en la elaboración de un proyecto. Es generalmente en grupo y promueve el trabajo en equipo, la multidisciplina y el aprendizaje a través de experiencias [8]. TRIANGULACIÓN: Aplicación y combinación de varios métodos de investigación en el estudio del mismo fenómeno. [4]

CODIFICATION: The decisive link between raw data and theoretical concepts of the researcher. FREE RIDERS: Members of a group that do not work to their full potential [10]. PROBLEM-BASED LEARNING: Teaching method in which the primary objective is problem solving. According to Dym et al. (2005) [8], this methodology translates theoretical content in day-to-day problems. Since the student is an active element in their education, this methodology facilitates increased levels of student participation and interaction [5]. PROJECT-BASED LEARNING: Teaching method based on completing a project. Projects are usually completed in groups, thus promoting multidisciplinary teamwork and learning through experience [8]. TRIANGULATION: Application and combination of various research methods to study the same phenomenon [4].

Students’ research / 95

PRINCIPIO CIENTÍFICO

SCIENTIFIC PRINCIPLE

La siguiente investigación utilizó grounded theory para elaborar una teoría respecto a cómo se caracteriza el curso y qué componentes han cambiado durante su historia. Para ello, se realizó una recopilación de datos interrumpida por ciclos de análisis. El marco fue dado por el carácter de problem y project based learning del curso (lo que señaló las características importantes a considerar, como el tema de proyecto y el proceso de diseño). El análisis se realizó a través de una CODIFICACIÓN de las entrevistas y videos, y una clasificación de los prototipos observados en ellos.

The following investigation used the grounded theory to form a model on how to characterize the course and respective components that have changed over the history of the course. For this, data were collected and subjected to analysis cycles. The course framework was marked by problem- and project-based learning, thus identifying important characteristics to consider, such as project subject and the design process. Analyses were carried out through a CODIFICATION of interviews and videos, as well as through a classification of the observed prototypes.

REFERENCES [1] ABET. About ABET [online]. Available at: http://www.abet.org/about-abet [2] ACCREDITATION BOARD FOR ENGINEERING AND TECHNOLOGY. “Engineering Criteria 2000: Criteria for Accrediting Programs in Engineering in the United States”. ASEE Prism, 1997, vol. 6, no. 7, pp. 41–42. 5. [3] BERNARD, H. RUSSELL. 2002. “Research methods in anthropology: Qualitative and Quantitative methods. Walnut Creek, CA: AltaMira Press. [4] BOGDAN, R. C.; BIKLEN, S. K. “Qualitative research in education: An introduction to theory and methods”. Allyn & Bacon, 2006. ISBN 978-0-205-51225-6. [5] CARLETON, T.; LEIFER, L. “Stanford’s ME310 Course as an Evolution of Engineering Design”. 19th CIRP Design Conference - Competitive Design, Cranfield, 2009 [6] COFFEY, A. “Encontrar el sentido a los datos cualitativos: estrategias complementarias de investigación”.1967. [7] DENZIN, N. & LINCOLN, Y. “The Sage Handbook of Qualitative Research”. (3a ed.) Thousand Oaks: Sage publications, Inc. Introduction. The discipline and Practice of Qualitative Research, 2005, pp. 1-13. [8] DYM et al. “Engineering Design Thinking, Teaching, and Learning”. Journal of Engineering Education, 2005, 34 (1): 103–20. [9] EMERSON, R.; FRETZ, R.; SHAW, L. “In the field: Participating, observing, and jotting notes”. In writing ethnographyc fieldnotes, 1997 (pp.17-38). Chicago: University of Chicago Press. [10] JOYCE, W. “On the Free-Rider Problem in Cooperative Learning”. Journal of Education for Business, 1999, 74:5, 271-274, DOI: 10.1080/08832329909601696 [11] KOLKO, J. 2011. “Methods for Making Meaning out of Data.” In Exposing the Magic of Design, 63–66. New York: Oxford University Press.7. [12] SALDAÑA, J. “The Coding Manual for Qualitative Researchers.” (2a ed.) Sage, 2013. [13] THE CONSORTIUM. Ingeniería 2030 [online]. Available at: http://www.ingenieria2030.org/about/

EQUIPO DE INVESTIGADORES / RESEARCH TEAM

Javiera Valenzuela

Belén Hirmas

Constanza Miranda

Catalina Cortázar

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.