INANOE Repositorio (Inst- Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
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Optimización multiobjetivo de trayectorias para robots móviles asistida por un gemelo digital
Full text linkLa planificación de trayectorias enfrenta múltiples desafíos debido a la creciente complejidad de los entornos y las demandas de los usuarios. Entre los principales retos se encuentra la dificultad de los ambientes, la optimización multiobjetivo y la interacción con humanos y otros robots. Este trabajo presenta una metodología para la optimización multiobjetivo de trayectorias de un robot móvil, utilizando un gemelo digital que asiste en el proceso de optimización. La metodología propuesta aborda cinco objetivos principales: 1) minimizar la longitud de la trayectoria, 2) optimizar la suavidad de la trayectoria, 3) minimizar el consumo energético, 4) optimizar el torque de los motores y 5) minimizar el tiempo de viaje, todo ello cumpliendo con la necesidad de evasión de obstáculos. En este estudio, se comparan tres algoritmos evolutivos multiobjetivo basados en los principios de optimalidad de Pareto, indicadores y descomposición. Estos algoritmos se emplean para optimizar dos de los cinco objetivos: 1) minimizar la distancia de la trayectoria y 2) mejorar la suavidad de la trayectoria, con la restricción de evasión de obstáculos. El gemelo digital se utiliza para optimizar los objetivos restantes: consumo de energía, torque de los motores y tiempo de ejecución. Los resultados demuestran que la metodología propuesta es una herramienta eficaz para la planificación de trayectorias. La integración del gemelo digital permite encontrar soluciones que equilibran múltiples objetivos sin añadir complejidad a los algoritmos evolutivos multiobjetivo. Este enfoque mejora la eficiencia operativa y permite una planificación de trayectorias más precisa y adaptable a diferentes entornos, lo que lo hace beneficioso para una amplia gama de aplicaciones.Path planning faces multiple challenges due to the growing complexity of environments and user demands. Among the main challenges are dynamic and unknown environments, multi-objective optimization, and interaction with humans and other robots. This thesis presents a methodology for multi-objective optimization of trajectories of a mobile robot, using a digital twin to assist in the optimization process. The proposed methodology addresses five main objectives: 1) minimize trajectory length, 2) optimize trajectory smoothness, 3) minimize energy consumption, 4) optimize motor torque, and 5) minimize travel time, all while meeting the need for obstacle avoidance. In this study, three multi-objective evolutionary algorithms based on Pareto optimality, indicator, and decomposition principles are compared. These algorithms are used to optimize two of the five objectives: 1) minimize trajectory distance and 2) improve trajectory smoothness, with the constraint of obstacle avoidance. The digital twin is used to optimize the remaining objectives: energy consumption, motor torque, and execution time. The results show that the proposed methodology is an effective tool for path planning. The integration of the digital twin allows finding solutions that balance multiple objectives without adding complexity to the multi-objective evolutionary algorithms. This approach improves operational efficiency and enables more accurate and adaptable path planning in different environments, making it beneficial for a wide range of applications
Adaptive methods for Human Action Recognition
No full textLas acciones de video se caracterizan por diferencias incontrolables como las condiciones de luz, la resolución de vídeo, el muestreo temporal, los fondos y las oclusiones que varían la complejidad de la escena. Los esquemas actuales basados en redes neuronales convolucionales (CNN) presentan inconvenientes para modelar las transformaciones geométricas causadas por la localidad de la operación de convolución. Las CNN se confunden durante el reconocimiento porque no se ajustan a estas variaciones, lo que disminuye su eficacia. Normalmente se naden datos al entrenamiento para aprender mejor, pero siempre habrá un límite de recursos de almacenamiento y procesamiento. Este trabajo se centra en encontrar una metodología que permita aprovechar los recursos. Esto se consigue mediante la adaptabilidad del método a los datos de entrada. Para ello, realizamos varios experimentos utilizando Convoluciones Deformables (DCONs) aplicadas a las capas que forman un pequeño modelo CNN de cuatro capas y a las cuatro capas de varios modelos ResNets con profundidades 18, 34, 50 y 101. También se exploró el uso de redes de Kolmogorov-Arnold (KAN). Los modelos se probaron en clases binarias equilibradas con datos 2D y 3D. La solución gana robustez porque puede adaptarse al objeto de interés disminuyendo los flops requeridos y mejorando la precisión de los modelos. Observamos que el kernel con dimensión 3 × 3 resulta ser el óptimo para la convolución deformable. La precisión disminuye si el tamaño del kernel se reduce al tamaño 1 × 1, ya que el mecanismo de desplazamiento del campo receptivo se anula, mientras que el aumento del kernel al tamaño 5 × 5 no presenta una mejora significativa de la precisión. Por el contrario, aumenta el coste computacional. Demostramos que aumentar la profundidad de las redes neuronales no refleja necesariamente una mejora en su reconocimiento, como suele creerse. Los mejores resultados de precisión en todos los conjuntos de datos evaluados se obtuvieron normalmente en los modelos de menor profundidad, ResNet-18 y ResNet-34 0,842 y 0,849 respectivamente. En modelos más profundos, como ResNet-50 y ResNet-101 0,820 y 0,816 respectivamente en 2D. Nuestra hipótesis es que este inconveniente se debe a la acumulación de muchas capas deformables en niveles muy profundos, donde probablemente el mecanismo de cuello de botella puede contribuir al bajo rendimiento de estas arquitecturas más profundas.Video actions are characterized by uncontrollable differences such as light conditions, video resolution, time sampling, backgrounds, and occlusions that vary the scene complexity. Current schemes based on convolutional neural networks (CNNs) present drawbacks to modeling geometric transformations caused by the convolution operation’s locality. CNNs get confused during recognition because they do not fit these variations, diminishing their effectiveness. Data is usually added to the training to learn better, but there will always be a limit on storage and processing resources. This work focuses on finding a methodology that allows us to take advantage of the resources. This is achieved through the adaptability of the method to input data. To this end, we conducted several experiments using Deformable Convolutions (DCONs) applied to the layers that form a small four-layer CNN model and to the four layers of several ResNets models with depths 18, 34, 50, and 101. Also, we explored the usage of Kolmogorov-Arnold Networks (KANs). The models were tested in binary balanced classes with 2D and 3D data. The solution gains robustness because it can adapt to the object of interest by decreasing the required flops and improving the accuracy of the models. We observed that the kernel with dimension 3 × 3 suits to be the optimal to use for deformable convolution. The accuracy decreases if the kernel size is reduced to size 1 × 1, because the receptive field displacement mechanism is nullified while increasing the kernel to size 5 × 5 does not present a significant improvement in accuracy. On the contrary, the computational cost increases. We showed that increasing the depth of neural networks does not necessarily reflect an improvement in their recognition as usually believed. The best accuracy results in all evaluated datasets were usually obtained in the smaller depth models, ResNet-18 and ResNet-34 0.842 and 0.849 respectively. Poor performance was observed in deeper models, such as ResNet-50 and ResNet-101 0.820 and 0.816 respectivelyin 2D. We hypothesize that this drawback is caused by accumulating many deformable layers at very deep levels, where probably the bottleneck mechanism may contribute to the poor performance of these deeper architectures
Desarrollo de un sensor de microondas para la medición de posicionamiento angular.
Full text linkLa tecnología del Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés) busca crear entornos donde todos los objetos estén conectados e intercambien información entre ellos. Especialmente cuando se habla del desarrollo y la innovación en la ciencia y tecnología también se requiere que la adquisición y el procesamiento de datos sea preciso y confiable. En este trabajo se presenta el desarrollo de un sensor de microondas capaz de identificar el posicionamiento angular, que facilite la conexión al IoT y permita su implementación en la salud estructural, más aun en la atención médica y su aplicación en la fisioterapia. Éste se basa en la teoría de los resonadores de microcinta, es compacto, utiliza un estator y un rotor, y esta diseñado a una frecuencia de operación de 2.4 GHz (localizada en las bandas de frecuencias designadas para aplicaciones Industriales, Científicas y Médicas (IMC o por sus siglas en inglés, ISM) según el Instituto Federal de Telecomunicaciones (IFT) facilitando su aplicación en terapias físicas. Se utilizó el simulador de onda completa HFSS para el diseño y la simulación del sensor, en la fabricación se implementó el método de fotolitografía estándar. Se creó una carcasa y se uso un Analizador de redes vectoriales (VNA) para la caracterización del sensor, los resultados fueron procesados y analizados con ayuda de los programa Matlab, Excel y Rstudio. La simulación sugiere un comportamiento lineal entre el posicionamiento angular y la frecuencia de resonancia, estos resultados se ratificaron mediante el análisis estadístico, donde se obtuvo un coeficiente de correlación lineal negativo cercano a 1 entre las variables y un coeficiente de determinación de 0.9803. También se muestra una gran cercanía en los resultados obtenidos por el VNA y simulados, esto sugiere que el sensor propuesto mide posicionamiento angular, y es factible para su aplicación en un sistema inalámbrico que permita adaptarse a los diferentes usos en fisioterapia.The Internet of Things (IoT) technology aims to create environments where all objects are connected and exchange information among themselves. Especially when discussing development and innovation in science and technology, precise and reliable data acquisition and processing are required. This work presents the development of a microwave sensor capable of identifying angular positioning, facilitating connection to the IoT, and allowing implementation in structural health, particularly in medical care and its application in physiotherapy. It is based on the theory of microstrip resonators, is compact, utilizes a stator and a rotor, and is designed to operate at a frequency of 2.4 GHz (located in frequency bands designated for Industrial, Scientific, and Medical (ISM) applications according to the Federal Institute of Telecommunications (IFT) in Mexico, facilitating its use in physical therapies. The full-wave simulator HFSS was used for the design and simulation of the sensor, and standard photolithography methods were implemented in the manufacturing process. A housing was created, and a Vector Network Analyzer (VNA) was used for sensor characterization. The results were processed and analyzed using Matlab, Excel, and Rstudio programs. Simulation suggests a linear relationship between angular positioning and resonance frequency. These results were confirmed through statistical analysis, where a negative linear correlation coefficient close to 1 was obtained between the variables and a determination coefficient of 0.9803. There is also a close match between the VNA and simulated results, suggesting that the proposed sensor measures angular positioning and is feasible for application in a wireless system adaptable to various uses in physiotherapy
0.18 μm CMOS High-Performance LDOs for Low-Power On-Chip Applications
Full text linkEste trabajo se centra en el diseño e implementación de reguladores LDO completamente integrados de bajo voltaje, bajo consumo y mejora en la respuesta dinámica. Como
especificaciones de diseño, se estableció un voltaje de salida regulado de 1.8 V con rangos
de voltajes de entrada de 2-3 V para corrientes de carga de hasta 50 mA. Como primera
propuesta, se presentó un diseño de dos etapas con compensación híbrida con tiempos de establecimiento menores a 2 μs. Como segunda propuesta, se diseño un regulador LDO de
tres etapas con compensación Reverse Nested Miller (RNM) modificada que alcanzó una regulación de línea de 0.013 mV/V. Por último, se propuso un LDO de tres etapas RNM
con buffers de corriente embebidos logrando una regulación de línea y de carga de 0.027
mV/V y 0.0014 mV/mA, respectivamente. Uno de los aportes significativos de esta tesis
es lograr diseños funcionales que cubren todo el rango de corrientes de carga (0-50 mA),
dado que implementaciones previas que utilizan RNM, por ejemplo, no son estables en el
rango de corrientes de carga (0-1 mA) donde la estabilidad es más compleja dado que el
polo asociado a la carga tiende al origen.
En todos los casos, se propusieron bloques de mejora de la respuesta en el tiempo para
reducir los sobre impulsos positivos y negativos hasta 330 mV y tiempos de establecimiento
a 2 μs, optimizando la respuesta dinámica de los reguladores diseñados sin penalizar su
consumo. Además, fueron evaluados utilizando figuras de mérito que tienen en cuenta un
compromiso entre eficiencia en corriente, área y regulación, obteniendo resultados competitivos comparados con el estado del arte.
Los resultados obtenidos subrayan el potencial de las técnicas de compensación utilizadas y los bloques de mejora en el desarrollo de soluciones de regulación de voltaje para aplicaciones de bajo consumo.This work focuses on the design and implementation of fully integrated low-dropout (LDO) regulators characterized by low voltage, low power consumption and improved dynamic response. Design specifications established a regulated output voltage of 1.8 V with input voltage ranges of 2-3 V for load currents up to 50 mA. Initially, a two-stage design with hybrid compensation is presented, achieving settling times less than 2 μs. Subsequently, a three-stage LDO regulator with modified Reverse Nested Miller (RNM) compensation was developed, achieving a line regulation of 0.013 mV/V. Finally, a three- stage RNM LDO with embedded current buffers was proposed, attaining line and load regulation of 0.027 mV/V and 0.0014 mV/mA, respectively. A significant contribution of this thesis is the achievement of functional designs covering the entire load current range (0-50 mA), addressing previous implementations using RNM which were not stable in the 0-1 mA load current range where stability becomes more complex due to the load- associated pole moving towards the origin. In all cases, time response improvement blocks were proposed to reduce positive and negative overshoots up to 330 mV and settling times to 2 μs, optimizing the dynamic response of the designed regulators without penalizing their power consumption. More- over, they were evaluated using figures of merit considering a trade-off between current efficiency, area, and regulation, yielding competitive results compared with the state of the art. The outcomes underscore the potential of the compensation techniques utilized and the improvement blocks in developing voltage regulation solutions for low-power application
Estudio de la funcionalización de un chip plasmónico para la detección de SARS-CoV-2
Full text linkLa enfermedad causada por el SARS-CoV-2 ha sido objeto de estudio durante los últimos años; su importancia radica en la mortalidad, índice de contagio, mutabilidad y falta de un tratamiento médico efectivo. Por lo anterior y debido a la alta demanda de pruebas para la detección clínica, es necesario el desarrollo de nuevas herramientas diagnosticas para la detección del virus que sean rápidas, confiables, específicas y menos costosas. Los metales nanoestructurados poseen propiedad conocida como frecuencia de plasma a la cual ocurre una oscilación colectiva de electrones conocida como plasmón. Estas estructuras depositadas en un sustrato dieléctrico forman una interfaz en la cual se puede excitar un plasmón de superficie a una longitud de onda de resonancia característica del metal y su geometría. La interacción molecular debido a la funcionalización permite modular algunas características de la luz en la superficie del metal como la intensidad, fase y polarización. En este trabajo, esta interacción se caracterizó con un prototipo de biosensor plasmónico de transductor óptico basado en Surface Plasmon Resonance (SPR) empleando la configuración de Kretschmann. Se realizó un estudio sobre la funcionalización y detección in situ de eventos de enlace en películas ultradelgadas y nanopartículas de oro depositadas en Corning® 2947N por la técnica de direct current (DC) magnetron sputtering que constituye la base de un chip plasmónico integrado con un canal microfluídico. Se demostró la detección in situ del proceso de funcionalización y eventos de enlace, por medio de la obtención de sensogramas en términos de la longitud de onda de resonancia. Se llevaron a cabo ensayos por lotes y mediante la inyección de flujo utilizando oligonucleótidos sintéticos y un sistema de proteínas biotina/estreptavidina aplicables para SARS-CoV-2.The disease caused by SARS-CoV-2 has been subject of study in recent years. Its importance lies in its mortality rate, contagion rate, mutability, and the lack of an effective medical treatment. Due to the aforementioned reasons and the high demand for clinical detection tests, the development of new diagnostic tools for virus detection that are rapid, reliable, specific, and less expensive is necessary. Nanostructured metals possess a property known as plasma frequency, at which a collective oscillation of electrons known as plasmon occurs. These structures deposited on a dielectric substrate form an interface where a surface plasmon can be excited at a characteristic resonance wavelength of the metal and its geometry. The molecular interaction due to functionalization allows for the modulation of some characteristics of light on the metal surface, such as intensity, phase, and polarization. In this work, this interaction was characterized using a prototype of Surface Plasmon Resonance (SPR) based optical transducer plasmonic biosensor, using the Kretschmann configuration. A study on the functionalization and in situ detection of binding events in ultra-thin films and gold nanoparticles deposited on Corning® 2947N by the DC magnetron sputtering technique, which constitutes the basis of an integrated plasmonic chip with a microfluidic channel, was conducted. The real-time detection of the functionalization process and binding events was demonstrated through the acquisition of sensograms in terms of the resonance wavelength. Batch and flow injection assays were performed with synthetic oligonucleotides and a biotin/streptavidin protein scheme applicable for SARS-CoV-2
Enhancing the sensitivity of a phase-based plasmonic sensor for biomolecular sensing: from theory to experiment
No full textPlasmonic biosensors have emerged as powerful tools for label-free sensing offering indispensable attributes such as high sensitivity, real-time monitoring capabilities, and reliable detection, all of which are crucial for diverse biomedical and environmental applications. However, commercial Surface Plasmon Resonance (SPR) based systems are complex and costly, while Localized Surface Plasmon Resoanance (LSPR) systems, though easier to use, exhibit lower sensitivity. Phase measurements of the plasmonic response of SPR and LSPR transducer are a promising alternative to enhance the senstiviy. This dissertation describes the development and characterization of a plasmonic phasebased biosensor, aiming to enhance the device performance parameters such as sensitivity, refractive index resolution, and the limit of detection of biomolecular interactions using SPR and LSPR phenomena. Theoretical and experimental analysis explore and compare both intensity and phase interrogation modes (focusing on the last one) with different resonance markers. Theoretical analysis for SPR transducer was performed using the transfer matrix method to calculate the intensity and phase response of the reflectance spectra for a four-layered system composed of glass – thin titanium film – thin gold film – surrounding medium. The island film theory was computationally implemented for calculating the intensity and phase response of the reflectance spectrum for LSPR transducer represented by a random array of identical metallic nanoparticles supported on a glass substrate. Both analysis were performed under Attenuated Total Reflection (ATR) conditions. In experiment, the SPR transducer consisted of a gold film deposited through magnetron sputtering on a glass substrate. While the LSPR transducer is composed by a self-assembled array of gold NanoIslands (Au NI), fabricated through thermal annealing of ultra thin gold films. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) were used for morphological characterization of the metasurfaces.Los biosensores plasmónicos han surgido como herramientas poderosas para la detección sin etiquetas, ofreciendo atributos indispensables como alta sensibilidad, capacidades de monitoreo en tiempo real y detección confiable, todos los cuales son cruciales para diversas aplicaciones biomédicas y ambientales. Sin embargo, los sistemas comerciales basados en Resonancia de Plasmones Superficiales (SPR) son complejos y costosos, mientras que los sistemas basados en Resonancia de Plasmones Superficiales Localizados (LSPR), aunque más fáciles de usar, exhiben una sensibilidad menor. Las mediciones de fase de la respuesta plasmónica de los transductores SPR y LSPR son una alternativa prometedora para mejorar la sensibilidad. Esta disertación describe el desarrollo y caracterización de un biosensor plasmónico basado en fase, con el objetivo de mejorar los parámetros de rendimiento del dispositivo, como la sensibilidad, la resolución del índice de refracción y el límite de detección de interacciones biomoleculares utilizando fenómenos SPR y LSPR. Se realizan análisis teóricos y experimentales para explorar y comparar ambos modos de interrogación, intensidad y fase (centrándose en este último), con diferentes marcadores de resonancia. El análisis teórico del transductor SPR se realizó utilizando el método de la matriz de transferencia para calcular la intensidad y la respuesta de fase de los espectros de reflectancia para un sistema de cuatro capas compuesto por vidrio – película delgada de titanio – película delgada de oro – medio circundante. La teoría de películas insulares se implementó computacionalmente para calcular la intensidad y la respuesta de fase del espectro de reflectancia para el transductor LSPR representado por una matriz aleatoria de nanopartículas metálicas idénticas soportadas en un sustrato de vidrio. Ambos análisis se realizaron bajo condiciones de Reflexión Total Atenuada (ATR). En el experimento, el transductor SPR consistió en una película de oro depositada mediante pulverización por magnetrón sobre un sustrato de vidrio. Mientras que el transductor LSPR está compuesto por una matriz autoensamblada de NanoIslas de oro (Au NI), fabricada mediante recocido térmico de películas ultradelgadas de oro. La Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) y la Microscopia de Fuerza Atómica (AFM) se utilizaron para la caracterización morfológica de las metasuperficies
Diseño de una antena para aplicaciones IoT en hogares inteligentes
Full text linkThe Internet of Things (IoT) is a concept that has had a strong impact in recent times. It is defined as the ability of devices to process information and then send it over the Internet. For IoT applications in smart homes, devices need to communicate with each other and transmit a large amount of information efficiently. The need for interconnected devices wirelessly involves the implementation of antennas. Microstrip antennas have been significant in research fields due to their advantages over other technologies, particularly their ease of integration into IoT devices. The main communication challenges in a smart home environment include connectivity and reliable information transfer. Therefore, designing an antenna with good directivity with low data traffic is essential, such as the 5.80 GHz frequency within the ISM (Industrial, Scientific, and Medical) band. This frequency experiences less interference compared to 2.40 GHz, is license-free, has a bandwidth of 125 MHz (5725 MHz to 5850 MHz), and allows for smaller antenna sizes due to its larger wavelength. This work presents the design of a microstrip antenna using fractal geometry and Defected Ground Structures (DGS) aimed at enhancing the antenna's bandwidth and gain. The proposed design is based on the Koch fractal and a DGS design featuring a cross-shaped slot. The antenna analysis and response were conducted using Ansys HFSS software and verified through fabrication on a PCB substrate. The results showed a bandwidth of 127.30 MHz, return loss of -39.12 dB, gain of 12.85 dBi, efficiency of 0.78, and directivity of 16.44.El Internet de las cosas (IoT) es un concepto que ha tenido un fuerte impacto en la actualidad. Se define como la capacidad de los dispositivos para procesar información y luego enviarla a través de Internet. Para las aplicaciones del IoT en hogares inteligentes, los dispositivos tienen que comunicarse entre sí, así como transmitir una gran cantidad de información y hacerlo con la mayor calidad posible. La necesidad de tener dispositivos conectados entre sí inalámbricamente involucra la implementación de antenas. Las antenas tipo microstrip han tenido relevancia en los campos de investigación, dadas sus ventajas frente a otras tecnologías, entre estas destaca la fácil integración en dispositivos IoT. En un hogar inteligente, los principales retos de comunicación que se presentan son la conectividad y la fiabilidad de la transferencia de información. Para ello, es indispensable diseñar una antena con buena directividad que transmita en una frecuencia de operación que presente bajo tráfico de datos, tal es el caso de la frecuencia de 5.80 GHz, dentro de la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical). En esta frecuencia hay menos interferencia que en 2.40 GHz, es de licencia libre, presenta un ancho de banda de 125 MHz (5725 MHz a 5850 MHz) y al ser una frecuencia más grande permite reducir el tamaño de la antena. En este trabajo se presenta el diseño de una antena microstrip con la implementación de geometría fractal y estructuras de tierra defectuosa (DGS), cuyo objetivo es mejorar el ancho de banda y ganancia de la antena. El diseño propuesto se basa en el fractal de Koch y el diseño de la DGS en una ranura en forma de cruz. El análisis y respuesta de la antena, se realizó en el software Ansys HFSS y se comprobó haciendo la fabricación en sustrato PCB. Teniendo como resultado un ancho de banda de 127.30 MHz, pérdidas por retorno de -39.12 dB, ganancia de 12.85 dBi, 0.78 de eficiencia y 16.44 en directividad
Termocavitación para la Generación De Chorros Líquidos de Alta Velocidad
Full text linkLa administración de fármacos para la defensa del organismo contra infecciones o enfermedades constituye un pilar imprescindible en el área de la salud. En la actualidad, se aplican millones de dosis de vacunas para combatir nuevos virus. Por tal motivo, continúan implementándose diversas alternativas de inyección para solventar algunas de las desventajas asociadas al uso de inyecciones con aguja, como lo son: la fobia a las agujas, la contaminación por desechos tóxicos, contagios por el mal manejo, etc. Este trabajo se enfoca en la generación de chorros líquidos para su uso como un dispositivo de inyección sin agujas. El dispositivo microfluídico fue implementado en vidrio y se puede clasificar dentro de los métodos de inyección ópticos, pues se basa en el principio de termocavitación. Esto se define como la creación, crecimiento y colapso de una burbuja de vapor que se forma dentro de un líquido a partir de la absorción de luz láser. La formación de la burbuja en el dispositivo induce la generación de un chorro con la velocidad suficiente para penetrar la piel. El análisis de video con una cámara de alta presión y velocidad mostro que la velocidad máxima promedio de la pared de la burbuja es de aproximadamente 10 a 25 m/s para casi cualquier combinación de parámetros del láser. Sin embargo, un diseño optimizado de la cámara y la boquilla permite obtener chorros con una velocidad promedio de ∼70 m/s. El volumen expulsado por disparo (0.1 a 2 μl) se puede controlar mediante la intensidad del láser. El inyector presentado en este trabajo puede realizar hasta 20 disparos antes de rellenar la cámara. Se demuestra la penetración de chorros en agar a diferentes concentraciones y piel porcina ex-vivo. Los inyectores sin aguja basados en termocavitación pueden ser prometedores para desarrollarse comercialmente, debido a su costo y dimensiones compactas.The administration of drugs to defend the body against infections or diseases is an essential pillar in the area of health. Currently, millions of doses of vaccines for new viruses are administered. For this reason, various injection alternatives continue to be implemented to solve some of the disadvantages associated with the use of needle injections, such as: phobia of needles, contamination by toxic waste, infections due to mishandling, etc. This work focuses on the generation of liquid jets for use as a needle free injection device. The microfluidic device was implemented in glass and can be classified within optical injection methods since it is based on the principle of thermocavitation, which can be defined as the creation, growth and collapse of a vapor bubble that forms inside a liquid at from the absorption of a laser light source. The formation of the bubble in the device induces the generation of a jet with sufficient speed to penetrate the skin. Video analysis with a high-speed camera showed that the average maximum velocity of the bubble wall is approximately 10–25 m/s for almost any combination of laser parameters. However, an optimized design of the chamber and nozzle allows jets with an average velocity of ∼70 m/s to be obtained. The volume ejected per shot (0.1 to 2 μl) can be controlled by the laser intensity. The injector presented in this work can perform up to 20 shots before filling the chamber. The penetration of jets into agar of different concentrations and ex-vivo porcine skin is demonstrated. Thermocavitation-based needle free injectors may be promising for commercial development due to their cost and compact size
Desarrollo de un Reductor Focal para el Observatorio Astrofísico Guillermo Haro
No full textIn this work is described the development of a focal reduction optical system for the 2.1m telescope at the Observatorio Astrofísico Guillermo Haro (OAGH), making use of existing glass blanks, a filter wheel and a new back-illuminated CCD camera available at OAGH. The system reduces the original telescope’s focal ratio from f/12 to f/3.6, bringing a field-of-view of 6 arc minutes into the 1024 x 1024 pixels CCD with a 13 microns pixel size, resulting in a plate scale of 0.355 arcsec/pix in the focal reducer image plane, making possible a nyquist sampling even with good seeing conditions (1 ∽ arcsec) at the OAGH. In adittion a tolerance analysis for the optical elements was performed to generate the optical manufacturing drawings, to establish limits on the allowed assembly errors in order to keep the optical reducer functionality, taking into consideration manufacturing cost and budget. Furthermore, a thermal operation analysis of the instrument was performed, together with a mechanical design of the assembly considering the telescope and the detector. It is important to note that the optical and mechanical design, as well the corresponding simulations carried out as part of this thesis were made in the licensed-software Optic Studio and Solidworks.En este trabajo de tesis se describe el desarrollo de un sistema óptico reductor focal, que se utilizará para aumentar la capacidad de observación del telescopio del Observatorio Astrofísico Guillermo Haro (OAGH). Para el diseño se utilizaron unos blanks de vidrio óptico no utilizados en un proyecto anterior, una cámara con un CCD de 1024 x 1024 pixeles con un tamaño de píxel de 13 micras y una rueda de filtros con una ventana cuadrada de 46 mm por lado. El sistema obtenido reduce la razón focal del telescopio a f/3.6, coloca 6 minutos de arco en el CCD y la escala de placa en el plano imagen del sistema (0.355 arcsec/pix), permite hacer un muestreo eficiente con el detector aun con buen seeing en el OAGH (∽ 1,0 segundos de arco). Posteriormente se realizó el análisis de tolerancias de los elementos ópticos del sistema, para poder generar los planos de manufactura óptica y obtener los parámetros de alineación del mismo en el ensamble. Se tuvo especial cuidado que estos parámetros estuvieran dentro de la posibilidad de fabricación y presupuesto. Se hizo también el análisis térmico de operación del instrumento y el diseño mecánico del ensamble para montarlo en el telescopio y colocar el detector. Es importante señalar que el diseño óptico y mecánico así como las simulaciones correspondientes de este sistema, fueron hechas en los software de Optic Studio y Solidworks
Método de Melnikov: Análisis y Aplicaciones
No full textA lo largo de los siglos, los científicos han intentando desarrollar diversos métodos para entender los fenómenos en la naturaleza. Algunos métodos, principalmente los matemáticos, inicialmente consistían en aproximar de manera algebraica lineal diversos los fenómenos observados, este hecho marcó el inicio de la comunión entre dos populares estudios, las matemáticas y las naturaleza. En la actualidad, es bien sabido que la gran mayoría de los fenómenos naturales son de carácter no lineal y donde sus modelos matemáticos son cada vez más complejos descritos sobre todo con ecuaciones diferenciales no lineales cuyas soluciones, en general, son difíciles de alcanzar. Por si fuera poco, a finales del siglo XIX se descubrió que ciertos fenómenos regidos por modelos matemáticos no lineales, eran capaces de producir comportamientos complejos aparentemente aleatorios bajos ciertas condiciones especiales. Este comportamiento denominado “caos” no sólo se encuentra en fenómenos naturales tales como crecimiento de población de especies [1] o variaciones en las condiciones del clima [2], sino también puede ser producido en laboratorio. Así el caos es descrito como “un comportamiento aparentemente aleatorio de ciertos sistemas dinámicos no lineales, con alta sensibilidad a sus condiciones iniciales, lo que puede producir múltiples trayectorias no convergentes entre sí en el espacio fase” [3]. Recientemente, los sistemas dinámicos con tal comportamiento continúan siendo explorados permitiendo al mismo tiempo el desarrollo de infinidad de aplicaciones dentro de diversos campos de ingeniería, esto gracias a sus características particulares tales como la resistencia a fuertes perturbaciones externas (ruido) y su capacidad de generación de valores pseudo aleatorios. Las investigaciones correspondientes a estos sistemas denominados ahora sistemas caóticos, tienden a requerir métodos analíticos especializados para su comprensión pudiéndose encontrar: 1. Exponentes de Lyapunov, el cual provee una medida cuantitativa de la tasa exponencial promedio de divergencia o convergencia de las trayectorias vecinas en el espacio fase que describen al sistema [4]. 2. Mapa de Poincaré, que consiste en remplazar un sistema de tiempo continuo de orden n, por un mapa discreto de orden n-1, de modo que es posible realizar un muestreo de puntos de las trayectorias existentes en el espacio fase sobre una superficie en IR2 ortogonal a dichas trayectorias [5]