Algorithms and computational tools for metabolic flux analysis

PhD thesis in Biomedical Engineering

Development of an intelligent earthwork optimization system

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil.

Optimização do processo de recolha de resíduos: desenvolvimento de ferramentas de investigação operacional para o problema de orientação de equipas com multi-restrições

Tese de Doutoramento em Engenharia Industrial e de Sistemas.

Estrategias estadísticas y de aprendizaje automático en genómica y proteómica funcional

El objetivo de este proyecto, enmarcado en el área de metodología de análisis en bioingeniería-biotecnología aplicadas al estudio del cancer, es el análisis y caracterización a través de perfiles de expresión de proteínas y genes de las vías metabolicas asociadas a progresión tumoral. Dicho estudio se llevará a cabo mediante la utilización de tecnologías de alto rendimiento. Las mismas permiten evaluar miles de genes/proteínas en forma simultánea, generando así una gran cantidad de datos de expresión. Se hipotetiza que para un análisis e interpretación de la información subyacente, caracterizada por su abundancia y complejidad, podría realizarse mediante técnicas estadístico-computacionales eficientes en el contexto de modelos mixtos y técnias de aprendizaje automático. Para que el análisis sea efectivo es necesario contemplar los efectos ocasionados por los diferentes factores experimentales ajenos al fenómeno biológico bajo estudio. Estos efectos pueden enmascarar la información subycente y así perder informacion relavante en el contexto de progresión tumoral. La identificación de estos efectos permitirá obtener, eficientemente, los perfiles de expresión molecular que podrían permitir el desarrollo de métodos de diagnóstico basados en ellos. Con este trabajo se espera poner a disposición de investigadores de nuestro medio, herramientas y procedimientos de análisis que maximicen la eficiencia en el uso de los recursos asignados a la masiva captura de datos genómicos/proteómicos que permitan extraer información biológica relevante pertinente al análisis, clasificación o predicción de cáncer, el diseño de tratamientos y terapias específicos y el mejoramiento de los métodos de detección como así tambien aportar al entendimieto de la progresión tumoral mediante análisis computacional intensivo

Diseño de celdas analógicas embebidas en sistemas en un chip (SOC)

La metodología actual de diseño de celdas analógicas embebidas se basa en una tecnología CMOS fija, no teniendo dichos módulos características de reutilización y de migración hacia otras tecnologías. Para avanzar a un mayor nivel de productividad en el diseño se necesita un cambio de paradigma. Este cambio en la metodología necesita reducir tiempo y esfuerzo en el desarrollo, incrementar la predictibilidad y reducir el riesgo involucrado en el diseño y la fabricación de complejos sistemas en un chip (SOC). Las celdas digitales embebidas se han aplicado al diseño VLSI digital debido a que la síntesis a través de lenguajes de descripción de hardware (HDL) permite mapear complejos algoritmos en una descripción sintáctica digital, la cual puede luego ser automáticamente colocada e interconectada (place&route). Sin embargo, dada la falta de automatización del diseño electrónico en el dominio analógico, como así también por factores como el ruido, el corrimiento y falta de apareamiento, el uso de los circuitos analógicos ha sido muy bajo en la medida de lo posible, por lo que las celdas analógicas embebidas son ahora un cuello de botella en el diseño de SOC. Por lo expuesto, en el proyecto que se propone se planea diseñar celdas analógicas embebidas con características de: bajo consumo, reutilización, bajo costo y alta performance para satisfacer el notable crecimiento del mercado de los sistemas portables alimentados por batería y el de sistemas de identificación remotamente energizados (RFID). Conjuntamente con el Área de Comunicaciones, se propone un generador de tensión de alimentación a partir de una señal de RF.

Desarrollo tecnológico de complementos de enseñanza de la Estadística en las Ciencias Naturales

La enseñanza de la estadística se puede complementar con herramientas computacionales. Este proyecto posee como objetivos desarrollar un programa de computación (“Applet”) basado en interactividades como complemento tecnológico de la Enseñanza de la Estadística, crear la estructura de un programa “Complemento Tecnológico de la Enseñanza de la Estadística”, de modo tal que sea susceptible de incorporarse tantos módulos como lo requiera e incorporar un primer módulo referido a los Conceptos de Probabilidad y Variables Aleatorias. Para ello se realizará un relevamiento bibliográfico y se creará dicho soft.

Manipulador Robótico

El uso de robots industriales junto con los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), y los sistemas de fabricación asistidos por computadora (CAM), son la última tendencia en automatización de los procesos de fabricación. Aunque el crecimiento del mercado de la industria Robótica ha sido lento en comparación con los primeros años de la década de los 80´s, de acuerdo a algunas predicciones, la industria de la robótica está en su infancia. Ya sea que éstas predicciones se realicen completamente, o no, es claro que la industria robótica, en una forma o en otra, permanecerá. En la actualidad el uso de los robots industriales está concentrado en operaciones muy simples, como tareas repetitivas que no requieren tanta precisión. En los 80´s las tareas relativamente simples como las máquinas de inspección, transferencia de materiales, pintado automotriz, y soldadura son económicamente viables para ser robotizadas. Los análisis de mercado en cuanto a fabricación predicen que en ésta década y en las posteriores los robots industriales incrementarán su campo de aplicación, ésto debido a los avances tecnológicos en sensórica, los cuales permitirán tareas mas sofisticadas. El futuro es muy incierto y seguramente los ROBOTS tendrán mucho que ver en nuestra vida diaria en los próximos años y tenemos que lograr que la Argentina no solo este presente, en desarrollos que ameriten una publicación Internacional, si no también que puedan ser, en conjunción con la Universidad, la industria y aportes de capitales privados, diseñados, construidos, aplicados y comercializados según las necesidades de nuestro medio, desde el reemplazo de miembros humanos a personas con discapacidades, el alivio al hombre en tareas inhumanas y también en aplicaciones industriales aun no explotadas. Actualmente la investigación en el área de robótica en la Argentina, esta enfocada a problemas de electrónica y control. La mecánica no forma parte de dicho ambiente científico como puede verse en las 4 últimas Jornadas Argentinas de Robótica. En todos los casos se trabaja en la investigación de algoritmos o métodos de control montados en pequeños robots comerciales. El proyecto ROBOT-01 propone la construcción de un manipulador de 7 grados de libertad, aplicando las mas modernas técnicas de Simulación, diseño, CAD-3D, materiales compuestos, construcción de micro-mecánica, electrónica y software. El brazo manipulador estará diseñado para ser continuado o asociado con una mano robótica y con una base móvil autónoma, las que serán encaradas en proyectos futuros, o con interacción con otros grupos de investigación similares de otras Universidades

Estudio teórico de la interfase electroquímica y otras relacionadas

En términos generales, el presente proyecto esta dedicado al estudio teórico de la interfase electroquímica y otras relacionadas. En lo concreto, se planea como uno de los puntos importantes de este proyecto el estudio del fenómeno de deposición a subpotenciales, que se encuentra relacionado con la adsorción de átomos metálicos sobre una superficie metálica de naturaleza diferente a la de los adsorbatos. Este fenómeno reviste por una parte interés básico, ya que los resultados experimentales proporcionan información sobre las complejas interacciones que tienen lugar en la superficie de un sólido, y por otra parte también interés aplicado, ya que la deposición de un metal sobre otro en fracciones de monocapa da como resultado una superficie con propiedades mixtas. (...) Otros de los puntos a considerar en este proyecto es el estudio teórico de algunos aspectos termodinámicos de la transferencia de iones entre líquidos inmiscibles. (...) La mejor comprensión de los procesos asociados con este fenómeno resulta de relevancia para muchas áreas de la química, la físico-química y la biología. Uno de los aspectos a esclarecer es el grado de hidratación que conservan los iones cuando se transfieren de un medio acuoso a un medio orgánico. Otro aspecto también importante a considerar es la forma en que ocurre la más arriba citada transferencia facilitada. (...) En términos generales y a largo plazo, se desea desarrollar una serie de herramientas computacionales que permitan una descripción satisfactoria de los procesos que ocurren en interfases del tipo sólido/vacío, sólido/líquido y líquido/líquido, en las cuales se produzcan fenómenos de adsorción o transferencia de carga que involucren átomos y moléculas. En lo específico se prevé en esta etapa del proyecto: * El estudio del fenómeno electroquímico de subpotenciales, que implica la adsorción de átomos metálicos sobre superficies metálicas. * El estudio termodinámico de la transferencia de iones entre interfases líquido/líquido.

Análisis no convencional por fluorescencia de Rayos X (Estudio de superficies y análisis con resolución espacial)

[El presente proyecto] aborda el tema de espectroscopía por fluorescencia de Rayos X (FRX) no convencional, en particular el estudio de superficies por reflexión total y el análisis con resolución espacial (mapping) mediante capilares para Rayos X. Objetivos generales y específicos Este proyecto consta de objetivos teóricos y experimentales. Se planea construir y caracterizar sistemas de condensación de haces de fotones por medio de capilares de Rayos X. (...) Se concluirá con el desarrollo e implementación del sistema para análisis superficial por perfiles de profundidad. Este sistema, cuyo estado de avance se encuentra ya muy adelantado, comenzará a utilizarse para realizar estudios de capas superficiales, perfiles superficiales de densidad y concentración, etc. El citado dispositivo es un sistema mixto mecánico-elástico que permite efectuar variaciones angulares con precisión de centésimas de milirradián. Con el objeto de llevar a cabo estudios de perfiles de profundidad cuantitativos se desarrollarán métodos y algoritmos para análisis de datos basados en las estructuras teóricas del análisis por EXAFS (Extended X Ray Analysis Fine Structure). Este enfoque surge de la similitud entre los espectros obtenidos en una experiencia de EXAFS y los correspondientes a una medición de "Depth Profiling" y tiene su fundamentación sobre la base de las ecuaciones elementales para intensidad fluorescente en condiciones de onda estacionaria. Ya que las técnicas por FRX no convencionales están invariablemente asociadas a fuentes de irradiación no convencionales, otro de los objetivos importantes de este proyecto es llevar a cabo experiencias en laboratorios sincrotrón. (...)

Modelos exponenciales con dispersión y ajuste de modelos lineales generalizados con extravariación

El presente proyecto consta de dos partes. 1. Modelos exponenciales con dispersión. 2. Ajuste de modelos lineales generalizados para datos de conteo con superdispersión. (...) Objetivos generales y específicos: El estudio de los modelos exponenciales con dispersión conduce a desarrollar y perfeccionar métodos de estimación y de inferencia tanto desde el punto de vista teórico como numérico. (...) i) Presentar, sin sin usar el teorema de Mora, resultados sobre la convergencia de modelos exponenciales con dispersión infinitamente divisibles. ii) Proponer una metodología apropiada para el análisis estadístico de variables aleatorias discretas enteras en función de posibles modelos adoptados para su explicación. Construcción de los algoritmos necesarios para la estimación de los parámetros especificados en el modelo adoptado y presentación de las macros correspondientes para su implementación.

Representaciones de grupos y álgebras de Lie

Este proyecto cuenta con 7 subproyectos.Subproyecto: Restricciones de representaciones de cuadrado integrable.Se continuará trabajando en el problema de restringir representaciones de cuadrado integrable en un grupo de Lie a un subgrupo semisimple o la factor unipotente de un subgrupo parabólico. En particular, se continuará analizando el caso de restringir desde el grupo SO(2n,1) al subgrupo SO(2) x SO(2n-2,1) y al factor unipotente del parabólico minimal de un grupo de Lie clásico de rango uno. Subproyecto: Representación metapléctica y grupos de Heisenberg generalizados. Se estudia la restricción de la representación metapléctica a subgrupos del grupo metapléctico. Subproyecto: Álgebras de tipo H. Se estudiarán estructuras de biálgebra en las álgebras de tipo H, álgebras de Lie nilpotentes de dos etapas. Se continuará con el estudio de cuantizaciones de álgebras de tipo H. Se estudiarán propiedades geométricas de las funciones theta generalizadas que surgen de álgebras de tipo H. Subproyecto: Módulos de peso máximo. Se intenta dar una respuesta al problema de clasificación de módulos quasifinitos de peso máximo sobre ciertas álgebras de dimensión infinita. Subproyecto: Cuantización de las álgebras de tipo H. Se tratará de cuantizar las álgebras de tipo H, álgebras de Lie nilpotentes de dos etapas. Se trabajará con una definición más general de las álgebras de Heisenberg, tratando de encontrar teoremas tipo Stone-Von Neumann y generalizaciones de las funciones theta. Subproyecto: Continuación analítica de integrales de coeficientes matriciales. Se analiza la existencia de continuación holomorfa de la integral a lo largo de un grupo semisimple real de las potencias complejas de un coeficiente matricial de una representación irreducible admisible. Subproyecto: Cálculo explícito de soluciones fundamentales de operadores invariantes. Se analizan condiciones en el polinomio que define un operador diferencial k-invariante para que resulte hipoellítico. Se trata en particular el caso del grupo SO(n,1). Subproyecto 7: Generadores de Goldie. Se trata de encontrar algoritmos para el cálculo de generadores de Goldie.

Diseño y construcción de un vehículo autoguiado

Este proyecto tiene por objetivo desarrollar y construir un vehículo inteligente capaz de transportar y conferir movilidad a un brazo manipulador. El conjunto será capaz de, entre otras prestaciones, efectuar transferencia de piezas y partes entre celdas de un sistema de producción flexible o entre diversas secciones en una planta industrial, realizar tareas en zonas agresivas, peligrosas o contaminadas en forma autónoma o telecomandada, etc. Se pretende además que el vehículo conforme un banco de ensayos móvil donde se demuestren y desarrollen tecnologías relacionadas con los procesos automáticos de manufactura. (...) Se prevén las siguientes etapas: a.- Construcción de la plataforma base (estructural) con sus sistemas asociados (guiado, potencia, control y frenado). b.- Desarrollo de un sistema de navegación inercial en el plano. b.1.- Plataforma inercial: construcción de sus transductores, montaje, integración, ensayo. b.2.- Desarrollo del software para navegación inercial. c.- Desarrollo de un sistema de navegación por reconocimiento del entorno. c.1.- Desarrollo de los algoritmos de reconocimiento de imágenes y correlación de las mismas (en colaboración con la Facultad Regional Mendoza). c.2.- Desarrollo de los algoritmos de navegación por medio de reconocimiento del entorno. d.- Desarrollo de un sistema de guiado básico destinado a servir de soporte a los sistemas anteriores. La secuencia de tareas es: Año 1: Tareas a) y d). Comienzo de b) y c). Año 2: Prosecución de tareas b) y c). Año 3: Conclusión. Documentación final.

Diseño experimental y computacional de estructuras laminares

Las estructuras laminares se caracterizan por su escaso espesor en relación a las otras dimensiones. Esto las hace muy eficientes por su reducido consumo de material cuando se trata de cubiertas de grandes dimensiones. Para poder construir con pequeños espesores en relación a la luz libre es necesario evitar los esfuerzos de flexión. Esto se logra con adecuadas relaciones entre las cargas, la posición y tipo de apoyos y la configuración geométrica de la cáscara. Desde el siglo pasado el cálculo funicular da solución para el problema de barras en el plano y Gaudí, a comienzos del siglo XX, logró importantes avances con modelos funiculares de hilos y pesas. (...) (...) Simultáneamente con el aspecto experimental que sirve para la generación formal, se ha ido realizando la verificación estática y resistente de los modelos propuestos para acciones gravitatorias simples. Para esto se esta utilizando el programa de elementos finitos para cálculo estructural denominado STRAP. (...) El otro aspecto fundamental para la posible aplicación práctica en la arquitectura de esta tipología estructural es el desarrollo de sistemas tecnológicos apropiados que resulten aceptables económicamente. El plan de trabajo apunta a desarrollar cuatro temas: Tema 1. Antecedentes históricos en la evolución de estructuras funiculares y antifuniculares y de la influencia de los métodos de diseño, análisis y construcción de los resultados arquitectónicos. Aplicación del nuevo método a la resolución de problemas idénticos a edificios reales, para encontrar nuevas posibilidades y comparar resultados. Tema 2. Diseño y análisis morfológico de las cáscaras por medios experimentales y computacionales. Tema 3. Análisis numérico del comportamiento estructural por aplicación de software especializado, como control del adecuado comportamiento estático. Tema 4. Desarrollo tecnológico de sistemas constructivos apropiados y evaluación económica.

Diseño y simulación numérica de un biorreactor: Aplicación a la producción de células microbianas

Los biorreactores son ampliamente empleados en las industrias de alimentos, fermentación, farmacéuticas y tratamiento de residuos. (...) Una característica de los biorreactores es que el medio de reacción está constituido por distintas fases. Esto hace que exista una importante interrelación entre los fenómenos bioquímicos, fisicoquímicos, fuidodinámicos y de transporte. (...) La experimentación preliminar en reactores de laboratorio, acompañada con el desarrollo de un modelo que permita comprender la naturaleza del fenómeno, es esencial para el diseño de biorreactores de capacidad de producción comercial. En el presente proyecto se establecerán, a partir de un estudio experimental a escala de laboratorio y la elaboración de un modelo y programa de simulación numérica de su operación, los factores que determinan la problemática del diseño de un reactor tanque agitado, de capacidad comercial, para la producción de cepas de Staphylococcus aureus. Los objetivos generales del presente proyecto son los siguientes: * Generar las bases técnico-científicas que permitan el diseño de un biorreactor discontinuo para la producción a escala comercial de cepas de Staphylococcus aureus. * Desarrollar equipos experimentales y generar herramientas computacionales que en el futuro permitan abordar otros problemas en el campo de la bioingeniería. Los objetivos específicos a alcanzar durante el período que abarca este proyecto de un año son los siguientes: * Determinar la cinética de crecimiento de cepas de S. aureus que contemplen la formación de productos. * Verificar el funcionamiento y calibración de sensores y controladores que forman parte del biorreactor experimental recientemente adquirido. * Estudiar experimentalmente la producción de S. aureus en un biorreactor de 3 lt. de capacidad, cuantificando el consumo de sustratos y la producción de biomasa, polisacárido capsular y exoproteínas. * Continuar con el desarrollo de un modelo matemático y un programa de simulación numérica que permitan describir la operación del reactor experimental y definir la problemática del escalado de la producción a nivel comercial.

Diseño de fusibles de alta capacidad de ruptura

El objetivo general [de este proyecto] es el desarrollo de las herramientas matemáticas/computacionales para la simulación y el diseño de fusibles de alta capacidad de ruptura. El punto de arranque no es la simulación del comportamiento de fusibles sino la simulación para diseño o sea, conociendo las características de respuesta del fusible, determinar analíticamente las dimensiones y materiales a emplear. Los objetivos particulares de cada subprograma o proyecto son: Proyecto A: Modelado del proceso de prearco empleando la técnica de elementos finitos: Construcción de un modelo computacional empleando el software MSC/CAL, para representar el rango completo de operación del fusible desde régimen permanente hasta la capacidad de ruptura máxima, incorporando la variación de los parámetros con el tiempo y la temperatura. Proyecto B: Determinación de la resistencia de contacto elemento fusible/material de relleno: Obtención de los valores de la resistencia de contacto del metal base plata y cobre con el material de relleno, arena de cuarzo, con tamaños y forma de grano variables, conjuntamente con compactación no constante. Proyecto C: Simulación del comportamiento de elementos fusibles distintos en paralelo para lograr retardo en sobrecorrientes. Obtención del juego de dimensiones y pareja de metales, el cual mediante elementos en paralelo brinda el retardo equivalente al "efecto M". Proyecto D: Modelado del efecto de la sobrecarga en la operación del fusible frente a sobrecargas y cortocircuitos: Determinación del corrimiento en las curvas características tiempo/corriente, corriente de paso/corriente presunta y energía específica/corriente nominal en función del nivel de precarga del fusible para valores comprendidos entre 50% y 100%. Proyecto E: Modelo de arco mecanístico: Desarrollo del modelo analítico para el arco eléctrico en base a la teoría mecanística del arco, aplicable a elementos de sección uniforme (hilo y lámina), sección variable (estricción corta y larga) y elementos en paralelo, empleando material de relleno suelto o solidificado. Proyecto F: Aplicación de un sistema experto al diseño de una serie homogénea de fusibles de alta capacidad de ruptura, para corriente continua. Proyecto G: Desarrollo analítico/experimental de una serie de fusibles de alta tensión alta capacidad de ruptura tipo campo completo: Obtención del prototipo de fusible de 13,2 kV 63A 600MVA, capaz de interrumpir cualquier corriente que provoque su fusión desde la mínima de fusión hasta su capacidad de interrupción nominal