Ingeniería

Renovando mucho más que la confianza

Study of the Influence of Clays on the Transfer of Dissolved Oxygen in Water

Abstract Context: The lack of dissolved oxygen (DO) in water bodies has become a serious problem for several ecosystems due to drastic changes in their climatic, biological, and physical conditions. The presence of microorganisms, organic matter, and clays, which are carried by landslides and rainwater, affect the process of restoration and transfer of DO in water, thus making it necessary to study how these factors affect the process of DO transfer in water bodies. Method: This work is focused on studying the influence of clays during the DO transfer process in water bodies. To this effect, samples of clays from the region of Paipa, Boyacá, were added in 1, 3 and 5% by weight into the samples of clean water. The aeration process was performed using a constant flow diffusion system. The tests were carried out until the saturation of dissolved oxygen in each of the water samples was obtained. Results: The results show that the presence of clays during the transfer of DO have little influence on bodies of water. However, variations were observed in time intervals of <5 min in which the increase in the percentage of clays favored the transfer of DO. Conclusions: With these results, it is concluded that the presence of clays can generate a beneficial effect during the transfer of DO in bodies of water with a high oxygen deficiency, whereas, for water samples with a relatively high percentage of DO, clays can hinder the DO restoration process.

Resumen Contexto: La carencia de oxígeno disuelto (OD) en cuerpos de agua se ha convertido en un problema ambiental para varios ecosistemas debido a cambios drásticos en sus condiciones climáticas, bilógicas y físicas. La presencia de microorganismos, materia orgánica y arcillas, transportados por deslizamientos y aguas lluvias, afectan los procesos de restauración y transferencia de OD en el agua, lo que hace necesario estudiar cómo dichos factores afectan el proceso de transferencia de OD. Método: Este trabajo se centra en estudiar la influencia de las arcillas durante el proceso de transferencia de OD en cuerpos de agua. Para esto, se utilizaron muestras de arcillas de la región de Paipa-Boyacá, adicionadas en 1, 3 y 5% en peso a muestras de agua limpia. El proceso de aireación se llevó a cabo utilizando un sistema de difusión de flujo constante. Los ensayos se realizaron hasta obtener la saturación de oxígeno disuelto en cada una de las muestras de agua trabajadas. Resultados: Los resultados muestran que la presencia de arcillas durante la transferencia de OD tienen poca influencia en los cuerpos de agua. Sin embargo, se observaron variaciones en intervalos de tiempo <5 min en los que el incremento del porcentaje de arcillas favorecía la transferencia de OD. Conclusiones: Con estos resultados se concluye que la presencia de arcillas puede generar un efecto benéfico durante la transferencia de OD en cuerpos de agua con una alta carencia de oxígeno, mientras que, para muestras de agua con un porcentaje relativamente alto de OD, las arcillas perjudican el proceso de restauración de OD.

Quantitative Analysis of Nanoporous Anodic Alumina Ordering Obtained with Different Anodizing Potentials

Resumen Contexto: La alúmina anódica nanoporosa es un material de gran interés debido a su baja densidad, alta relación de aspecto y a que es posible obtener estructuras altamente ordenadas de ella. En las últimas décadas, los investigadores han concentrado sus esfuerzos en controlar las características morfológicas de los arreglos de poros fabricados, particularmente su ordenamiento. Recientemente, se empezó a migrar la caracterización del ordenamiento de las estructuras de cualitativa a cuantitativa, conllevando esto al desarrollo de herramientas de caracterización más precisas. Método: En este trabajo se evaluó el efecto del potencial de anodizado en el ordenamiento de alúmina anódica nanoporosa (AAN) fabricada en ácido oxálico al 0,3 M. Se empleó la transformada rápida de Fourier (TRF) como herramienta para cuantificar el ordenamiento de la AAN fabricada. Los valores del grado de ordenamiento se obtuvieron mediante el cálculo del radio de regularidad basado en las imágenes obtenidas de las TRF generadas a partir de las imágenes superficiales de microscopía electrónica de barrido (MEB) de las muestras de AAN. Resultados: Se observó que a medida que el potencial de anodizado aumenta, el radio de regularidad disminuye para los potenciales evaluados. Adicionalmente, se evidenció que el diámetro de poro y la distancia entre poros aumentan con el potencial de anodizado. Conclusiones: Estructuras altamente ordenadas pueden ser obtenidas mediante el anodizado de aluminio puro en ácido oxálico al 0,3 M a 40 V, 50 V y 55 V. El cálculo del radio de regularidad representa un valioso instrumento para la caracterización cuantitativa del ordenamiento de las estructuras de AAN. La determinación del grado de ordenamiento de la AAN se relaciona con sus propiedades y por lo tanto con su aplicación. La comprensión del efecto del potencial de anodizado en el ordenamiento de los poros de alúmina proporciona herramientas para mejorar el diseño de dispositivos basados en la AAN.

Abstract Context: Nanoporous anodic alumina is a material of great interest due to its low density, high aspect ratio, and because it is possible to obtain highly ordered structures from it. In the last decades, researchers have focused on controlling the morphological characteristics of fabricated porous structures, particularly regarding their ordering. Recently, characterization of the ordering of these structures has started to migrate from qualitative to quantitative methods, leading to the development of more precise characterization tools. Method: In this work, the ordering of the nanoporous anodic alumina (NAA) fabricated in oxalic acid 0,3 M was evaluated. Fast-Fourier transform was used to analyze the effect of anodizing potential in porous ordering. The regularity ratio was calculated based on the Fast-Fourier-transformed images generated from the top scanning electron microscopy (SEM) images of the obtained NAA samples. Results: It was observed that increasing the anodizing potential decreases the regularity ratio for the evaluated potentials. Additionally, it was found that morphological characteristics such as pore diameter and interpore distance increase with the anodizing potential. Conclusions: Highly ordered structures can be obtained through pure aluminum anodizing in 0,3 M oxalic acid at 40 V, 50 V, and 55 V. The regularity ratio is a useful instrument for the quantitative characterization of the ordering level of NAA structures. The NAA ordering level can be related with its properties, and then with NAA applications. The understanding of the anodizing potential effect on porous alumina ordering provides tools to improve the design of NAA-based devices.

Design of a Linear Quadratic Gaussian Controller and a Self-Tuning Regulator Based on Pole Placement to Control the Voltage of a DC Generator

Resumen Contexto: En este artículo se presenta el diseño de un controlador lineal cuadrático gaussiano para regular el voltaje de un generador CD y se compara su desempeño con el de un regulador autoajustable sintonizado por asignación de polos. Método: Para implementar estas estrategias de control, se utiliza el prototipo de un generador CD y se obtiene el modelo matemático del sistema utilizando identificación no paramétrica, se presentan las bases teóricas y el diseño de las dos estrategias de control y se realiza la comparación del desempeño de los dos controladores utilizando métricas de la integral del error y respuesta temporal. Resultados: Las métricas de la integral del error y las de respuesta temporal muestran que, aunque el desempeño del controlador lineal cuadrático gaussiano es ligeramente superior al presentado por el controlador autoajustable por asignación de polos, con las dos estrategias de control las respuestas del sistema son estables, con buena velocidad de respuesta y error de estado estable igual a cero. Conclusiones: Las estrategias de control lineal cuadrático gaussiano y el control autosintonizado son una buena alternativa al control convencional y generan un adecuado control del proceso, acorde con los requerimientos del sistema.

Abstract Context: This paper presents the design of a Linear Quadratic Gaussian controller to regulate the voltage of a DC generator, and its performance is compared with that of a self-tuning regulator based on pole placement. Method: To implement these control strategies, a prototype DC generator is used, and the mathematical model of the system is obtained by means of non-parametric identification. The theoretical bases and the design of the two control strategies are presented, and the performance comparison of the two controllers is performed by using metrics from their integral error and time response. Results: Integral error and time response metrics show that, although the performance of the Linear Quadratic Gaussian controller is slightly higher than that presented by the self-tuning controller, system responses are stable with both control strategies, as well as with a good speed response and a steady-state error equal to zero. Conclusions: A Linear Quadratic Gaussian controller and self-tuned control strategies are a good alternative to conventional control and generate an adequate process control that is in line with system requirements.

Educational Environment for Primary School Using a Commercial Robotic System

Resumen Contexto: En este artículo se presenta el diseño de un sistema robótico aplicado para la enseñanza en básica primaria, dirigido a la población infantil. El sistema robótico es controlado mediante una aplicación en un teléfono celular, a partir del cual dos equipos de niños compiten moviendo un robot en una pista cuando responden correctamente una pregunta. El sistema está diseñado para ser operado por personas sin conocimientos avanzados en informática o robótica. Método: Inicialmente se realizó una revisión de los resultados de las pruebas Pisa para Colombia, donde se evidenció que en educación básica primaria existen fuertes deficiencias en matemáticas. Posteriormente se procede al diseño del sistema utilizando la plataforma robótica Lego Mindstorm y una aplicación para teléfono celular. El sistema es validado en una actividad con 40 niños de grados tercero y quinto, validando la actividad por medio de encuestas. Resultados: Las encuestas reflejaron una satisfacción general de los estudiantes al realizar la actividad, mostrando mucho interés, así como concentración. Se evidenció disciplina de los niños en la actividad. La actividad fue acompañada por el docente del espacio académico, quien consideró que el ejercicio realizado fue positivo y contribuye al desarrollo académico de los estudiantes. Conclusiones: El uso de plataformas robóticas contribuye a los procesos de aprendizaje en la población infantil al ser atractivas, interactivas y fortalecer el trabajo en equipo. Este tipo de plataformas deben ser de fácil uso, ya que las actividades serían acompañadas por docentes de distintas formaciones. Se debe buscar que las plataformas sean accesibles y de bajo costo, pero con un diseño llamativo para la población a la que va dirigida.

Abstract Context: In this paper, the design of a robotic system applied to learning in primary school is presented. This system is controlled through a mobile application, where two teams competing against each other answer questions about a subject. The robot moves along a racetrack whenever a team answers correctly. The system is designed for easy operation without advanced knowledge in robotics or informatics. Method: First, the results from Colombia’s Pisa tests were consulted, finding that primary school shows a significant weakness in mathematics. Afterwards, a robotic educational platform was designed using a LEGO MINDSTORM robot and a mobile phone app. The education environment was validated by means of perception surveys at the end of an academic activity with 40 students between third and fifth grade. Results: The surveys reported an overall interest and satisfaction from the students with the academic activity and the proposed system. The children were very disciplined in the class with the robot. The activity was supported by the mathematics teacher, who believes that the class yielded positive results, thus contributing to the students’ academic development. Conclusions: The use of robotic platforms contributes to the learning process of children. This is because these activities are appealing and interactive. These kinds of systems are designed to develop teamwork. One important characteristic of these environments must be easy usage since they are conducted by teachers without knowledge in robotics or informatics. These platforms must be more accessible and low-cost, but their design must still be attractive.

Performance Analysis of CNN Layers for Heterogeneous FPGAs-based Architectures Using HLS

Resumen Contexto: Las redes neuronales convolucionales (CNNs) son actualmente utilizadas en una amplia gama de aplicaciones de inteligencia artificial. En muchos casos, dichas aplicaciones requieren la ejecución de las redes en tiempo real en dispositivos integrados. Por esto, el interés en que estas aplicaciones puedan alcanzar un buen desempeño con bajo consumo de potencia. Las CNNs realizan operaciones entre los datos de entrada y los pesos de la red, con la particularidad de que no existe dependencia entre la mayoría de las operaciones. Por tal motivo, el paralelismo inherente de los FPGAs puede ser usado para realizar múltiples operaciones en paralelo, manteniendo el buen desempeño por vatio que caracteriza a estos dispositivos. Este artículo se enfoca en la evaluación del algoritmo de convolución para una capa convolucional de redes neuronales explorando directivas de paralelización usando VIVADO HLS, y su objetivo es evaluar el desempeño del algoritmo utilizando directivas de optimización. Método: La metodología consiste en una exploración del espacio de diseño de la implementación de una capa de una red neuronal convolucional usando VIVADO HLS. La verificación del funcionamiento del FPGA fue realizada comparando los datos de salida con el mismo algoritmo de convolución implementado en MATLAB. Una capa de la versión comercial Xilinx DNNK fue usada como referencia para las medidas de desempeño de las diferentes implementaciones obtenidas en la exploración del espacio de diseño. En este trabajo se utilizan múltiples variaciones de directivas de optimización, tales como pipeline, array partition, y unroll. Resultados: Este trabajo presenta los resultados de una implementación de referencia (sin directivas de optimización) del algoritmo de convolución con respecto a la latencia del algoritmo y los recursos de hardware utilizados por la FPGA. Los resultados se comparan con implementaciones del algoritmo, incluyendo diferentes combinaciones de dos directivas de optimización (pipeline y partition array). Conclusiones: Este trabajo explora el espacio de diseño de un algoritmo de convolución para una capa de red neuronal convolucional sobre FPGAs. La exploración incluye el efecto causado por la transferencia de los datos entre la memoria DDR y la memoria on-chip del FPGA. Además, dicho efecto es causado por las directivas de optimización en Vivado HLS sobre los diferentes ciclos del algoritmo.

Abstract Context: Convolutional neural networks (CNNs) are currently used in a wide range of artificial intelligence applications. In many cases, these applications require the execution of the networks in real time on embedded devices. Hence the interest in these applications achieving excellent performance with low power consumption. CNNs perform operations between the input data and the network weights, with the particularity that there is no dependence between most of the operations. Thus, the inherent parallelism of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) can be used to perform multiple operations in parallel, maintaining the good performance per watt that characterizes these devices. This paper focuses on evaluating the convolution algorithm for a convolutional layer of neural networks by exploring parallelization directives using VIVADO HLS, and it aims to evaluate the performance of the algorithm using optimization directives. Method: The methodology consists of an exploration of the design space of a convolutional neural network layer implementation using VIVADO HLS. Performance verification of the FPGA was performed by comparing the output data with the same convolution algorithm implemented in MATLAB. A layer of the commercial version Xilinx DNNK was used as a reference for performance measurements of the different implementations obtained during the exploration of the design space. In this work, multiple variations of optimization directives are used, such as pipeline, array partition and unroll. Results: This paper presents the results of a reference implementation (without optimization directives) of the convolution algorithm concerning algorithm latency and the hardware resources used by the FPGA. The results are compared with the implementations of the algorithm, including different combinations of two optimization directives (pipeline and partition array). Conclusions: This work explores the design space of a convolution algorithm for a convolutional neural network layer on FPGAs. The exploration includes the effect of data transfer between DDR memory and the on-chip memory of the FPGA. Also, said effect is caused by the optimization directives in VIVADO HLS on the different cycles of the algorithm.

Evaluation of Extracts Obtained from FruitWastes Using Different Methods

Abstract Context: Currently, the increase in agroindustrial waste generation has encouraged the search for viable use alternatives. In this paper, four methods to obtain extracts from mango, soursop, and grape peels, as well as and grape seeds, are studied. Their efficiency is analyzed through extraction yields and antioxidant capacity characterization of the extracts. Method: The extraction was performed using solvent, Soxhlet, microwave-assisted, and ultrasound assisted extraction. The characterization of the extracts was made by total phenolic compounds and flavonoids quantification, as well as antioxidant capacity determination, using the DPPH, FRAP, and ORAC tests. Results: It was found that grape seed extracts obtained by different extraction methods, highlighting those obtained by microwave assisted extraction, present a high total content phenolic compounds (>321.381,41 ± 3.476,85 μg Gallic Acid/g) and flavonoids (>103.232,01 ± 4.638,19 μg Quercetin/g), in addition to high antioxidant activity, according to the results of the DPPH (<1,06 ± 0,01), FRAP (>152.280,08 ± 5.197,53 µg TROLOX/g), and ORAC (>124.566,81 ± 581,96 μg TROLOX/g) tests. Conclusions: The results presented in this study suggest that the extracts obtained from grape seeds, especially those obtained by means of microwave-assisted extraction, have a potential use in food and pharmaceutical industries, due to their high antioxidant capacity and their total phenolic compounds and flavonoids content.

Resumen Contexto: En la actualidad, el aumento en la generación de residuos agroindustriales ha incentivado la búsqueda de alternativas viables de aprovechamiento. En este artículo se estudian cuatro métodos para la obtención de extractos a partir de cáscaras mango, guanábana y uva, y semillas de uva. Se analiza su eficiencia a través de los rendimientos de extracción y la caracterización de la capacidad antioxidante de los extractos. Método: La extracción se realizó mediante extracción con solvente, extracción Soxhlet, extracción asistida por microondas y extracción asistida por ultrasonido. La caracterización de los extractos se realizó mediante la cuantificación de compuestos fenólicos y flavonoides totales, así como la determinación de la capacidad antioxidante, utilizando las pruebas DPPH, FRAP y ORAC. Resultados: Se encontró que los extractos de semilla de uva obtenidos por diferentes métodos de extracción, destacando los obtenidos por extracción asistida por microondas, presentan alto contenido de compuestos fenólicos totales (>321.381,41 ± 3.476,85 µg Ácido Gálico/g) y flavonoides (>103.232,01 ± 4.638,19 µg Quercetina/g), además de una alta actividad antioxidante, según los resultados de las pruebas de DPPH (<1,06 ± 0,01), FRAP (>152.280,08 ± 5.197,53 µg TROLOX/g) y ORAC (>124.566,81 ± 581,96 µg TROLOX/g). Conclusiones: Los resultados presentados en este estudio sugieren que los extractos obtenidos de las semillas de uva, especialmente aquellos obtenidos mediante extracción asistida por microondas, tienen un uso potencial en la industria alimentaria y farmacéutica, debido a su alta capacidad antioxidante y su contenido de compuestos fenólicos totales y flavonoides.

Pattern Recognition Algorithm for Automatic Quantification of Toxoplasma gondii Tachyzoites

Abstract Context: Digital image processing is an efficient and suitable computational tool for the automatic quantification of human pathogens in images, providing analysis in less time, greater number of samples, and result reproducibility. We propose the development and validation of an image processing algorithm, for the recognition and automatic quantification of T. gondii tachyzoites. Method: We developed an algorithm based on image processing. This workflow allows identifying the morphology of each parasite in the image by determining the number of parasites distinguishing them from those with a similar morphology, but not corresponding to the parasite in question. Images were obtained through Giemsa staining protocols. Results: The original images were analyzed by experts. The results showed correlation with those obtained by the automatic count. Additionally, a processing time of 5 seconds per image was obtained with the algorithm. This automated quantification tool allowed count of tachyzoites in tens of images. Conclusions: This automatic image analysis tool can extend its implementation to any laboratory that is involved in the quantification of extracellular Toxoplasma gondii tachyzoites, as well as other aspects of research on its tachyzoites that require the count of this form of development of the parasite.

Resumen Contexto: El procesamiento digital de imágenes es una herramienta computacional eficiente y adecuada para la cuantificación automática de patógenos humanos en imágenes, proporcionando análisis en menos tiempo, mayor número de muestras y reproducibilidad en los resultados. Proponemos el desarrollo y validación de un algoritmo de procesamiento de imágenes, para el reconocimiento y cuantificación automática de taquizoitos de T. gondii. Método: Desarrollamos un algoritmo basado en el procesamiento de imágenes. Este flujo de trabajo permite identificar la morfología de cada parásito en la imagen, determinando el número de parásitos presentes y diferenciando aquellas estructuras que presentan una morfología similar pero que no corresponden al parásito en cuestión. Las imágenes originales fueron obtenidas mediante protocolos de tinción Giemsa. Resultados: Las imágenes originales fueron analizadas por expertos. Los resultados mostraron correlación con los obtenidos por el conteo automático. Además, se obtuvo un tiempo de procesamiento de 5 segundos por imagen con el algoritmo. Esta herramienta de cuantificación automática permitió el recuento de taquizoitos en decenas de imágenes. Conclusiones: Esta herramienta de análisis automático de imágenes puede extender su implementación a cualquier laboratorio que esté involucrado en la cuantificación de taquizoitos extracelulares de Toxoplasma gondii, así como otros aspectos de la investigación sobre sus taquizoitos que requieran el conteo de este estado de desarrollo del parásito.