Bariloche Atomic Centre
Repositorio Institucional del Centro Atomico Bariloche y el Instituto BalseiroNot a member yet
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Comportamientos emergentes en la dinámica neuronal de C. elegans
Full text linkEsta tesis investiga la relación entre la dinámica neuronal y las acciones emergentes en sistemas biológicos y robóticos. El enfoque principal esta inspirado en el sistema nervioso del nematodo Caenorhabditis elegans. Para esto utilizamos un robot controlado por una simulación numérica de la red neuronal de este gusano. El robot interactúa con su entorno a través de sensores y neuronas motoras, lo que le permite realizar acciones emergentes, como evitar colisiones en entornos complejos.
Los resultados de esta tesis muestran que la estructura subyacente de la red neuronal desempeña un papel fundamental en los comportamientos observados en seres vivos. En particular, se ha identificado una serie de características relevantes de la dinámica
neuronal asociadas con las acciones emergentes del robot. Estas características se observan también en gusanos biológicos, lo que sugiere que son universales en sistemas nerviosos complejos.
Además de explorar la dinámica neuronal y las acciones emergentes del robot, esta tesis también aborda la hipótesis de la existencia de criticidad neuronal en el nematodo C. elegans. Se valida esta hipótesis a través de dos enfoques interconectados: primero, el análisis de la firma de criticidad en datos experimentales; y segundo, el desarrollo de un modelo computacional basado en una red neuronal con dinámica de Greenberg–Hastings y conexiones que siguen el conectoma del C. elegans.
En conclusión, esta tesis contribuye al entendimiento de la relación entre la estructura neuronal y el comportamiento emergente en sistemas biológicos y robóticos. Los hallazgos de esta investigación tienen importantes implicaciones para la comprensión de los sistemas nerviosos y su aplicación en la neurociencia computacional
Estudio de cambios espaciales de la textura cristalográfica mediante técnicas de transmisión de neutrones
Full text linkEn el presente trabajo, se propone caracterizar la variación espacial de la textura cristalográfica a partir de transmisión de neutrones con resolución en energía. Se ha desarrollado y aplicado el método de imágenes de bordes de Bragg con resolución espacial para analizar la evolución de polos de la textura, en un caso particularmente adecuado para esta técnica. Se trata de la zona de trabajo correspondiente al primer paso de laminado en frío de un tubo de Zircaloy-4.
El Zircaloy-4 es ampliamente utilizado en la industria nuclear para fabricar tubos de revestimiento de combustible en reactores nucleares. Su fabricación incluye múltiples pasos de laminado en frío con tratamientos térmicos intermedios de recristalización. Este proceso genera cambios en la textura del material, cuya caracterización es de interés para la CNEA debido a su impacto en la anisotropía de las propiedades físicas y, por ende, en el rendimiento de las piezas en servicio.
En trabajos anteriores, se caracterizó la evolución de la textura de estos tubos durante el primer paso de laminación mediante difracción de neutrones. Sin embargo, este caso es ideal para estudiar mediante imágenes de borde de Bragg, ya que el cambio en la textura se ve reflejado en una rotación de 30° de los cristales alrededor del eje c. Esta rotación resulta en un cambio en las alturas de los bordes de Bragg en los polos (11¯20) y (10¯10) en la dirección axial, debido a que esta altura es proporcional a la cantidad de cristales con dirección paralela a la del haz utilizado en las imágenes con neutrones. En el experimento, llevado a cabo en el instrumento BOA del Instituto Paul-Scherrer, el haz estaba alineado paralelo a la dirección axial del tubo.
El método aplicado sin resolución espacial ofreció resultados consistentes con los de difracción de neutrones y, con la adición de resolución espacial, se detectaron variaciones de textura con mayor precisión. Además, se sentaron las bases para continuar el desarrollo y mejora de esta técnica
Aspectos de teoría de campos no-relativista a densidad y temperatura finita: non-fermi liquids e irreversibilidad
Full text linkLa teoría cuántica de campos es una de las herramientas más importantes para entender sistemas cuánticos con muchos grados de libertad. Los modelos más estudiados poseen invariancia de Lorentz y surgen en física de altas energías. Las teorías de campos que aparecen en sistemas de materia condensada son no-relativistas, poseen una densidad finita de materia, y su rica dinámica no ha sido del todo entendida.
En esta tesis, tenemos como objetivo avanzar en la compresión de la dinámica de la materia cuántica utilizando el formalismo de la teoría de campos a densidad finita. Para lograr este objetivo, utilizaremos un amplio rango de métodos analíticos y numéricos. Esta tesis, se dividirá en dos partes. La primera parte se enfocará en estudiar un modelo de Non-Fermi Liquids. En la segunda parte, estudiaremos teorías a densidad finita utilizando observables no locales, como las medidas de información cuántica y la función de partición en el toro.
En más detalle, en la primera parte de esta tesis estudiaremos los Non-Fermi Liquids en d = 2 dimensiones espaciales. Estos sistemas pueden surgir cuando se acopla una superficie Fermi a un bosón no masivo. Encontramos que a temperatura finita, la descripción perturbativa de la teoría cuántica de campos deja de ser válida debido a las divergencias infrarrojas. Estas son causadas por modos bosónicos virtuales estáticos y afectan tanto a correlaciones fermiónicas como bosónicas. Mostraremos cómo estas divergencias se resuelven mediante una masa térmica autogenerada para los bosones. Encontraremos un nuevo régimen Non-Fermi Liquid térmico, que no satisface el escaleo del punto fijo a temperatura cero. Posteriormente, revisitamos la interacción entre superconductividad y criticalidad cuántica.
En la segunda parte, estudiamos diferentes aspectos de la teoría cuántica de campo a densidad finita usando métodos de la teoría información cuántica y efectos a temperatura finita. Por simplicidad, nos enfocamos en fermiones de Dirac masivos con un potencial químico distinto de cero, y trabajamos en 1 + 1 dimensiones espacio-temporales. Usando la entropía de entrelazamiento en un intervalo, construimos una función c en evolución que es finita. A diferencia de lo que sucede en teorías Lorentzinvariantes, esta función c exhibe una fuerte violación de la monotonicidad; también codifica la creación de entrelazamiento a larga distancia debido a la superficie de Fermi. Motivados por trabajos previos en modelos de red, calculamos numéricamente las entropías de Renyi y encontramos oscilaciones de tipo Friedel. Además, consideramos la información mutua como una medida de las funciones de correlación entre diferentes regiones. A temperatura finita, nos enfocamos en teorías sobre un toro euclídeo bidimensional. Usando los desarrollos recientes en formas modulares masivas, obtenemos una representación de la energía libre del toro basada en la transformación de Fourier sobre una condición de contorno torcida. Esta representación dual cumple muchas propiedades análogas a la invariancia modular en CFTs. En particular, usamos este resultado para derivar fórmulas para la densidad de estados en teorías no relativistas, generalizando el resultado de Cardy sobre teorías conformes
Medidas de información en teoría cuántica de campos: hamiltonianos modulares y entropía para teorías incompletas
Full text linkEn esta tesis se estudian dos problemas diferentes de teoría cuántica de campos utilizando herramientas de teoría de información. La primera parte se aboca al cálculo analítico de hamiltonianos modulares para teorías no conformes definidas en la semirrecta y que resultan de la reducción dimensional del escalar y el fermión libres no masivos. La estrategia utilizada consiste en reducir dimensionalmente el hamiltoniano modular en la d esfera para las teorías originales. El resultado se apoya en la factorización del estado reducido al segmento, asociando el flujo modular con simetrías de las teorías efectivas unidimensionales y endomorfismos en el desarrollo causal del intervalo. Resolviendo el espectro de los hamiltonianos modulares encontrados, que dependen del modo angular ℓ, se calcula analíticamente la entropía de entrelazamiento para el segmento. Si bien la suma sobre ℓ de estas entropías es divergente, se propuso un método de regularización novedoso que permite reproducir la estructura de divergencias para la entropía en la d esfera del escalar y el fermión libres. En particular, se logran reproducir los términos universales, representados por la anomalía tipo A en dimensión par arbitraria y la energía libre en la esfera euclídea F en d = 3, lo que resulta una mejora respecto de la regularización radial existente.
La segunda parte de la tesis se enfoca en el modelo de Maxwell en 2 + 1 dimensiones. Más específicamente, en los problemas de asignación álgebra-legión característicos de teorías con simetrías generalizadas. En este sentido, se estudia el modelo en un marco dual representado por las derivadas del campo escalar libre. Además, aprovechando la simetría rotacional de las regiones consideradas, se reduce dimensionalmente el problema a la semirrecta, donde toda la diferencia entre el Maxwell y el escalar completo radica en el modo de Fourier n = 0. Así, en una red radial, se analiza la ruptura de la dualidad de Haag. Además, se calcula la entropía en el disco, mostrando que la contribución topológica resultante es inestable frente a distintas realizaciones en la red, con lo cual no es universal. También se calcula la información mutua entre un disco y su complemento, que sí es una cantidad independiente de la regularización. Separando la contribución de los operadores de twist que generan las simetrías generalizadas, se logró reproducir el doble logaritmo predicho en la literatura
Diseño de un micro reactor de potencia con aplicaciones espaciales
Full text linkEl objetivo del proyecto es desarrollar el diseño de un microreactor de potencia para su aplicación en entornos espaciales. Se basa en un diseño conceptual previo y se han realizado cambios en el sistema de refrigeración y los aspectos relevantes para su implementación en el espacio. El proyecto utiliza softwares de cálculo neutrónico (Citvap, OpenMC) y termohidráulico (Thermal Desktop de ANSYS) para modelar el reactor y evaluar su rendimiento ante diferentes cambios de potencia. Además, se ha realizado un relevamiento de la bibliografía para estar al tanto de las ultimas tecnologías en el uso espacial.
El diseño del reactor consiste en un núcleo cilíndrico y sólido, con un moderador de ZrH2 y 449 barras combustibles de UMo-10. El sistema de refrigeración se basa en heat pipes de conductancia variable que transportan el calor generado por el núcleo hasta una zona lejana, donde se encuentran los conversores termoeléctricos y los radiadores.
Se han realizado modelos neutrónicos y termohidráulicos para caracterizar el rendimiento del reactor. El modelo neutrónico se ha utilizado para evaluar la reactividad del reactor en función del quemado, los márgenes de seguridad y los coeficientes de realimentación. El modelo termohidráulico, por otro lado, se usó para evaluar la temperatura del núcleo y los componentes del sistema. Se ha encontrado que el coeficiente de realimentación por potencia global es negativo, lo que indica que el reactor es estable.
Sin embargo, quedan muchos desafíos por resolver antes de que este diseño sea factible. Se necesita estudiar y verificar la implementación de otros métodos de cálculo, distintos a la teoría de difusión, a nivel de núcleo para un reactor de estas características y dimensiones, reevaluar el diseño y distribución de barras combustibles en el núcleo, diseñar el sistema de control de reactividad y determinar la degradación por radiación que podrían sufrir los materiales internos de los heat pipes.
En relación al modelo térmico, se necesita modelar más detalladamente el núcleo y el sistema de refrigeración y conversión, incluyendo las barras combustibles y todas las partes del sistema. También se necesita caracterizar específicamente las conductancias de contacto específicas y evaluar la performance de los generadores termoeléctricos
Desarrollo de aceros de alta entropía para la industria nuclear
Full text linkEn el presente trabajo se estudiaron aleaciones alta entropía de composiciones Al_15Cr_5Fe_50Mn_25Ti_5, Al_20Cr_5Fe_50Mn_20Ti_5, Al_20Cr_5Fe_45Mn_25Ti_5 y Al_15Cr_5Fe_45Mn_30Ti_5. Dado los resultados que se fueron obteniendo y la disponibilidad de tiempos, se optó por profundizar el estudio en la primera de estas composiciones, la segunda fue abordada en literatura y las ultimas dos descartadas.
Se estudió la aptitud de las aleaciones para aplicaciones nucleares. Por un lado, se realizó un análisis de activación neutrónica donde se mostró que estas no presentan mayores problemas en comparación con las aleaciones utilizadas actualmente en la industria, esto las coloca como alternativa viable para aplicaciones como materiales estructurales de reactores. Por otro lado, se utilizó un parámetro de comparación que contempla las propiedades mecánicas mostradas en trabajos anteriores y la sección eficaz de absorción neutrónica, con este se mostró que las aleaciones pueden ser comparables a aleaciones de aluminio. Si bien analizando este parámetro comparativo no se alcanza la prestación de las aleaciones de base circonio, su buena respuesta mecánica a altas temperaturas justifica el estudio de las mismas.
Se fabricaron las aleaciones con distintos métodos y se encontró que la forma optima de obtenerlas era fundiendo los elementos puros en un horno de inducción con atmósfera de argón y utilizando un crisol de alúmina contenido en un crisol de carbono vítreo. Mediante este método repitiendo dos veces la fundición se comprobó una buena homogeneidad en las muestras obtenidas.
Se realizaron tratamientos térmicos a distintas temperaturas con posteriores templados en agua o enfriamientos en aire hasta temperatura ambiente. Luego, se estudiaron las microestructuras obtenidas con estos tratamientos térmicos y se relacionaron con la dureza y la resistencia a la corrosión de la aleación.
Se realizó el análisis de microestructura de la aleación mediante el uso de técnicas de difracción de rayos X, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (EDS y EDS Mapping) y microscopía electrónica de transmisión (imágenes STEM, patrones de difracción, imágenes de campo claro y campo oscuro y patrones de haz convergente).
Mediante el uso de difracción de rayos X se obtuvo que las primeras dos aleaciones mencionadas presentan una estructura cristalina BCC con parámetro de red de (2,91 ± 0,01) Å . Además, para la primera aleación se encontró la presencia de precipitados coherentes con ordenamiento tipo L2_1 ricos en aluminio, hierro y titanio, cuyo tamaño variaba en función del tratamiento térmico. También se observó la formación de segregaciones de estructura cúbica para determinados tratamientos térmicos. En particular, se identificó esta segunda fase como una estructura similar a la de β-Manganeso y se obtuvieron resultados consistentes entre las técnicas de difracción de RX y TEM.
Se relacionó la variación en la dureza de la muestra en función de la microestructura obtenida luego de los tratamientos térmicos. Se obtuvo que la combinación de segregaciones con una fase similar a la de β-Manganeso en conjunto con la presencia de precipitados de distintos tamaños maximiza la dureza de la aleación.
Se realizó una comparación de la resistencia a la corrosión entre la aleación más estudiada y el acero 420 TR. Se obtuvo que nuestra aleación tiene mayor tendencia a corroerse que este acero
Análisis y propuesta de solución de conectividad inalámbrica IoT para Cooperativa de Electricidad Bariloche Ltda
Full text linkEn este proyecto se realizó una prueba de concepto centrada en la implementación de una solución de conectividad específica para la supervisión de una red eléctrica de media tensión. Para lograrlo, se implementó una red inalámbrica IoT utilizando el protocolo de comunicación LoRaWAN. El proyecto se realizó en colaboración con la Cooperativa de Electricidad de Bariloche Ltda. (CEB) quienes proveyeron los dispositivos y entornos necesarios para tal fin. La solución propuesta se focalizó en intervenir sensores de paso de falla carentes de conectividad inalámbrica y diseñar una red de supervisión en base a ellos. Para su implementación, el trabajo se limitó al estudio de tres locaciones de la línea de media tensión que fueron determinadas por la CEB.
Se realizó un exhaustivo estudio del protocolo y se seleccionaron los dispositivos disponibles en el mercado, que no resultaron ser los más adecuados para una implementación a nivel productivo pero fueron útiles para el objetivo de realizar una prueba conceptual. Se estableció un servidor LoRaWAN a nivel local y se configuraron tanto este servidor como los dispositivos para establecer una red LoRaWAN. Se llevó a cabo una prueba piloto para evaluar su desempeño y alcance. Se incorporaron los dispositivos de comunicación LoRaWAN a los sensores para dotarlos de conectividad inalámbrica que permitiera su supervisión y control a larga distancia. Se realizaron pruebas de validación y compatibilidad electromagnética sobre los dispositivos finales.
Una vez concluidas los ensayos en laboratorio, se desplegó las solución propuesta en el sector designado para la prueba. Se realizaron comprobaciones con los dispositivos en la nueva red desde las locaciones, lo que permitió depurar errores tanto a nivel de servidor como de firmware de los dispositivos. Finalmente, con la red funcionando de manera ´optima, se llevó a cabo una demostración para la CEB, corroborando el funcionamiento de los equipos en las ubicaciones especificadas y demostrando así el potencial y alcance de estas redes
Diseño y construcción de un dispositivo de asistencia al movimiento estar sentado - estar de pie para adultos mayores
Full text linkUna de las consecuencias del envejecimiento del ser humano es la pérdida de potencia muscular, lo que conlleva una disminución en la funcionalidad física. En el caso de que un adulto mayor pierda la capacidad de pararse de la silla por si mismo, tiende a tener una vida más sedentaria, lo que perjudica aun más su calidad de vida y su bienestar. Esto hace necesario contar con un dispositivo de asistencia al movimiento estar sentado - estar de pie (STS por sus siglas en ingles). En este trabajo se presenta el diseño y desarrollo de un exoesqueleto que cumple con tal función.
En una primera parte, se plantean los requerimientos de diseño que el dispositivo debe satisfacer. Luego, se describen cada uno de los cuatro sistemas que lo componen: un sistema de actuación, un sistema de electrónica y control, un sistema de fijación corporal y un sistema estructural. El concepto seleccionado para el desarrollo del actuador se basa un mecanismo que implementa una polea diferencial que acciona un cable, que al tensionarse y al pasar por otra polea colocada a la altura de la rodilla del paciente, produce el momento necesario para realizar el STS.
En la etapa de diseño del sistema estructural, se realizó un análisis de esfuerzos y falla de los componentes que trabajan en las situaciones más críticas. Para ello se utilizaron modelos analíticos y técnicas de elementos finitos. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos de la evaluación del funcionamiento del exoesqueleto una vez fabricado. Se observa que el sistema estructural diseñado permite la movilidad suficiente para realizar distintos movimientos asociados al STS (pararse, sentarse y caminar).
Se detectaron problemas en el sistema de actuación mecánico, para los cuales se propusieron soluciones. El diseño logrado es un gran avance a partir del cual se puede desarrollar, implementar y ensayar experimentalmente distintos tipos de actuadores, para obtener luego un diseño más refinado que pueda ser utilizado por personas que lo requieran
Implementación de etapas de procesamiento digital de señales para un radar pulsado
Full text linkEste trabajo implementa las etapas digitales de transmisión y recepción de un sistema de radar pulsado mono-estático mediante el uso de tecnología de arreglos de compuertas lógicas programables. En combinación con el uso de módulos comerciales que solucionan las etapas de radiofrecuencia, se convierte en una aplicación reconfigurable y adaptable a distintos requerimientos operacionales
Se desarrolla la generación y procesamiento de diversas señales en banda base, incluyendo pulsos simples, pulsos con modulación lineal de frecuencia y pulsos codificados en fase binaria. Se diseña el control lógico integral que permite la sincronización de señales en distintos dominios de relojes, un requisito tanto de la aplicación como de las limitaciones propias del hardware utilizado. El sistema ofrece la posibilidad de modificar fácilmente la frecuencia de portadora y la potencia de transmisión, así como parámetros esenciales del modo de operación del radar, como la duración del pulso, el intervalo de guarda y el período de repetición de pulso. También se estudian e incluyen módulos de procesamiento digital de señales existentes que permiten la corrección de desajustes de la frecuencia de portadora entre transmisor y receptor, la compensación de fase inicial y los desequilibrios en las ramas en fase y en cuadratura del modulador y del demodulador en cuadratura, con el objetivo de mejorar la precisión y el desempeño de las estimaciones Doppler. La etapa de recepción implementa un banco de correladores con tasas de muestreo adaptables para escenarios de compresión de pulso y sobremuestreo. El desarrollo del circuito lógico, que se sintetiza y se configura en el chip, se valida funcionalmente mediante mediciones realizadas con equipos de RF. Además, se determina la utilización de recursos que ocupa.
Adicionalmente, se estudian e implementan estrategias para estimar los momentos espectrales sobre datos adquiridos por radares meteorológicos. Las estrategias utilizadas operan sobre las muestras complejas de los ecos en rango, obtenidas a una frecuencia mayor que el ancho de banda del pulso transmitido, conocido como sobremuestreo. En conjunto con la aplicación de una transformación lineal, denominada de blanqueo, permiten descorrelacionar la señal sobremuestreada para cada celda de rango. Asimismo, se realiza un estudio del desempeño de las métricas raíz del error cuadrático medio y varianza de las estimaciones, a partir de las estrategias que utilizan los datos sobremuestrados, resultando en una mejora significativa cuando existe una buena relación señal a ruido. Estas técnicas se aplican a datos reales adquiridos por radares meteorológicos nacionales de la serie RMA, y se extiende su aplicación para incluir objetivos puntuales en un experimento simple con el sistema desarrollado, con el fin de analizar el desempeño y validar la implementación del sistema, mediante la obtención de los momentos espectrales: potencia, velocidad Doppler y ancho espectral
Construcción de códigos óptimos para transmisión de información con dispositivos hápticos
Full text linkLa háptica se refiere a la adquisición de información y la manipulación de objetos mediante el sentido del tacto, ya sea por humanos o por máquinas. Este Proyecto Integrador forma parte de un proyecto de mayor envergadura del Departamento de Física Médica, cuyo objetivo es construir un dispositivo de bajo costo para transmitir información mediante estímulos táctiles. El desafío es desarrollar un código optimo que maximice la tasa de transmisión de información y minimice los errores de decodificación. Para lograr este objetivo, es necesario caracterizar el espacio perceptual, determinando cuáles son los parámetros físicos que permiten la discriminación entre estímulos, así como diseñar un alfabeto de símbolos eficiente. En trabajos anteriores se concluyó que las librerías de estímulos comerciales prefabricados son ineficientes, por lo que este Proyecto Integrador se centró en diseñar y suministrar estímulos con perfiles temporales diseñados por el usuario. Se implementó un sistema electromecánico de bajo costo, y se caracterizó su funcionamiento con el objeto de comprender la relación entre las entradas eléctricas y las salidas mecánicas. Se intentó modelar el sistema como lineal e invariante en el tiempo, pero esta aproximación resultó inadecuada, por lo que se realizó un estudio sistemático de algunos de los comportamientos no lineales. A pesar de los desafíos en lograr predicciones precisas mediante modelos matemáticos, se verificó que el dispositivo generaba estímulos que variaban significativa y consistentemente con los parámetros controlados, demostrando su capacidad para transmitir información táctil de manera confiable. Esto permitió utilizar el dispositivo para realizar estudios perceptuales, e investigar un fenómeno previamente sugerido en trabajos previos: la asimetría en umbrales de discriminación, observada cuando se invierte el orden de los estímulos comparados. Este fenómeno fue caracterizado para estímulos que difieren en amplitud, confirmándose asimetrías significativas en aproximadamente la mitad de los participantes, con una variabilidad considerable tanto en magnitud como en dirección. Estos hallazgos sugieren que la transmisión de información óptima requiere desarrollar códigos adaptados a cada usuario, destacando la importancia de enfoques personalizados en el desarrollo de tecnologías hápticas