El proyecto consiste en el diseño y la construcción de un robot Gusano que sea capaz de desplazarse en línea recta sin el uso de patas ni ruedas. El robot Gusano imitará el movimiento zigzagueante de estos seres invertebrados basándose en modelos matemáticos que serán explicados en ésta tesis. Asimismo, de forma alternativa, el robot Gusano desarrollará un desplazamiento adoptando la forma de una rueda para poder recorrer a mayores velocidades sobre superficies planas. Sobre las dimensiones del robot Gusano, ésta tendrá cuarenta y cinco centímetros (45 cm.) de longitud y constará de ocho (08) eslabones. De estos ochos eslabones, seis serán eslabones totalmente modulares y los otros dos eslabones establecerán la cabeza y cola del robot. El material que se empleará será el más idóneo para la presente aplicación. Para lograr las secuencias de movimientos del robot Gusano, se analizará la locomoción natural de dichos invertebrados. Se desarrollarán modelos matemáticos que reproduzcan dichos movimientos de manera eficiente y, posteriormente, estos serán probados mediante programas por computadora. Finalmente, las secuencias con mejores resultados de desplazamiento serán grabadas en una memoria que llevará el robot para su desplazamiento autónomo. Para que el robot Gusano pueda desplazarse de manera autónoma, este poseerá una tarjeta electrónica que se encargará principalmente de controlar los motores del robot. Dicha tarjeta constará principalmente de un microcontrolador, una memoria EEPROM para almacenar las secuencias de movimiento y un módulo inalámbrico para lograr el comando inalámbrico del robot. El microcontrolador controlará siete (07) motores, los cuales se encargarán de generar los movimientos para cada articulación. El programa del microcontrolador tendrá la capacidad de controlar hasta dieciséis (16) motores para futuras ampliaciones y aprovechar su diseño modular. Asimismo, las secuencias de movimientos del robot serán guardadas de forma permanente en una memoria tipo EEPROM. El microcontrolador se encargará de leer las secuencias de movimiento desde la memoria y, con ella, generar las señales de control para los motores. Gracias al módulo de comunicación inalámbrica, el robot podrá ser controlado a distancia. El microcontrolador se encargará de obedecer las instrucciones recibidas desde el mando. En lo concerniente al mando, se diseñará una tarjeta electrónica que poseerá un módulo inalámbrico y será gobernada desde una computadora a través su interfaz serial RS232. A dicha computadora se conectará una consola de videojuegos con interface USB y, con la ayuda de un programa desarrollado en esta tesis, el robot será comandado de una manera más sencilla.

La tesis propone la reducción de costos de los controladores del proceso de inyección de plástico en el sector PYME de la industria peruana, orientada a empresas que utilizan moldes de inyección con sistema de canal caliente, mediante la regulación de temperatura del sistema en mención. Con esto se plantea resolver la necesidad que tiene este sector industrial por aumentar su competitividad, disminuyendo el costo de su sistema de inyección, y manteniendo o mejorando la eficiencia del proceso de inyección. En consecuencia, la tesis presentada desarrolla; sobre el sistema de canal caliente, un prototipo de sistema de control de temperatura que emplea lógica difusa y a bajo costo. La validación de este proyecto se realiza en la planta de inyección plástica de la empresa Q’UMIR PLAST S.A.C., donde se realizó un cuadro comparativo que presenta las variables del proceso de inyección y de los productos plásticos obtenidos haciendo uso del controlador desarrollado versus el controlador de uso general con el que cuentan actualmente, obteniendo como resultado una correcta operación de los sistemas involucrados, el cumplimiento de los objetivos específicos de desarrollo del proyecto y la conformidad por parte del cliente. / The present work proposes the cost reduction of the plastic injection process controllers in the PYME sector of the Peruvian industry, it is aimed at companies that use injection molds with a hot runner system by regulating the temperature of the system in question. This raises the need for this industrial sector to increase its competitiveness, reducing the cost of its injection system, and maintaining or improving the efficiency of the injection process. Consequently, the thesis presented develops; on the hot runner system, a prototype temperature control system that uses fuzzy logic and low cost. The validation of this project is carried out in the plastic injection plant of the company Q'UMIR PLAST SAC, where a comparative table was carried out that presents the variables of the injection process and the plastic products obtained using the developed controller versus the general-purpose controller that they currently have, obtaining as a result a correct operation of the systems involved, compliance with specific project development objectives and customer compliance. / Tesis

El desarrollo de prótesis de mano está evolucionando rápidamente en los últimos años. Los factores que están permitiendo este desarrollo son la creciente demanda que se observa en el Perú y el mundo, y el creciente avance en tecnologías de manufactura y dispositivos electrónicos. Con respecto al primer punto, en el mundo 1.5 de cada 1000 personas sufren de alguna amputación y de estos el 16% del total se estima que es de miembro superior; además, la cifra en Perú asciende a 11,353 personas con este tipo de amputación y la oferta de prótesis de mano que ofrece el mercado peruano con ortopedias estéticas, de garfio y mioeléctricas no llegan a cubrir las expectativas de los potenciales usuarios debido a los altos costos y/o escasas funcionalidades. Con respecto al segundo punto, en el estado del arte expuesto en el capítulo uno se identifica a las prótesis mioeléctricas como prótesis con crecientes avances tecnológicos en la actualidad, y por ello, se presenta una comparativa entre las prótesis mioeléctricas comerciales, de fuente abierta y de investigación, de los últimos 5 años, que se exploraron para el desarrollo del presente trabajo. Por otro lado, después del análisis hecho en el estado del arte, se presenta un breve estudio de los sensores y actuadores en el cual se mencionan las tecnologías más destacadas y sus principios de funcionamiento; para luego, en el capítulo dos, ahondar en las ventajas y desventajas de cada una de estas; también se repasan los componentes a usar en el sistema de alimentación (conversores DC/DC y baterías) y otros componentes relevantes del sistema electrónico como el excitador del motor y la unidad de control. En el capítulo tres se muestra el modelo solución. Finalmente, en las conclusiones se recapitulan las tecnologías más convenientes de los sensores, del actuador, de los conversores DC/DC y de la batería para esta aplicación; en recomendaciones se brindan algunas sobre el diseño de Hardware; y, en futuros trabajos, se explica los pasos a seguir para el diseño e implementación del sistema electrónico.

La presente tesis muestra el diseño e implementación de un sistema de control para una prótesis mioeléctrica de miembro superior con control de fuerza y posición cuya operación permita ser realizado por medio de señales electromiografías, con el objetivo de asistir a las personas que presentan discapacidad. El trabajo se enfoca en el desarrollo del sistema de control, el empleo de un algoritmo de control de movimiento, la selección de los dispositivos de control. Seguidamente, se presentan los diseños de las tarjetas electrónicas desarrolladas y su implementación dentro de una prótesis de miembro superior que ha sido desarrollada en el Grupo de Investigación en Robótica Aplicada y Biomecánica (GIRAB) de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Los resultados muestran que el sistema de control implementado en la prótesis proporciona una destreza en movimiento parecida a la mano humana y permite asegurar la sujeción con el objeto a sostener. El costo de desarrollo e implementación de este sistema de control se estima en S/. 38,200 soles. / Tesis

En el presente trabajo se presenta el diseño mecatrónico de una muñeca de dos grados de libertad para una prótesis mioeléctrica transradial, que permita al usuario realizar los movimientos de flexión-extensión y pronación-supinación; y con una capacidad de carga de 500 gramos en la palma de la mano de la prótesis. Estos movimientos son los más requeridos en prótesis comerciales existentes. El sistema diseñado cuenta con dos motores DC, uno para cada tipo de movimiento. En la transmisión de potencia, se usó un mecanismo de tornillo sinfín-corona para el movimiento de flexión-extensión y una transmisión mediante engranajes helicoidales para el movimiento pronación-supinación. El diseño completo está desarrollado de manera que se pueda ensamblar con la palma de mano del proyecto de “Prótesis mioeléctrica de mano de 4 grados de libertad con algoritmo de control de fuerza independiente en los dedos” que se desarrolla dentro del Círculo de Investigación de Contrato N°206-2015 FONDECYT. Las simulaciones para corroborar las deformaciones y esfuerzos de los diferentes elementos se han realizado mediante el software AutoCAD Inventor por medio del método de elementos finitos, lo que ha permitido validar el diseño de las piezas. El costo estimado de diseño y fabricación de la muñeca para la prótesis mioeléctrica transradial del Contrato N°206-2015 FONDECYT, y todo esto integrado en la mano protésica, es de S/. 9,000 aproximadamente.

El desarrollo de prótesis de mano ha ido mejorando en los años recientes. Así, componen a la fecha el estado del arte las prótesis mioeléctricas de miembro superior. Sin embargo, los usuarios de prótesis presentan dificultad en controlar su prótesis óptimamente. Ello se debe a que los modelos actuales presentes en el ámbito nacional, la mayoría no cuentan con un sistema electrónico para el control (prótesis estéticas no funcionales, de tipo garfio y mecánicas) y los que la presentan (mioeléctricas) son de costo elevado y no poseen retroalimentación háptica que emule la percepción sensitiva de una mano. En este contexto, el trabajo a desarrollar es el diseño e implementación de un sistema electrónico de bajo costo para una prótesis transradial mioeléctrica que permita al usuario mejorar su efectividad en la ejecución de los gestos deseados en su prótesis de mano. En este documento se describe el sistema electrónico diseñado e implementado. Para ello fueron analizados y escogidos los componentes de hardware a ser empleados y se desarrollaron los algoritmos para el control de apertura y cierre de la mano, así como el de la lógica principal. La electrónica completa fue diseñada para ir embebida dentro del espacio de la palma protésica. Con el fin de validar el diseño en software y hardware, se desarrollaron ensayos del sistema, en el Laboratorio de Investigación en Biomecánica y Robótica Aplicada (LIBRA), con una primera versión de la prótesis ensamblada para determinar el funcionamiento con objetos de diferentes pesos y geometrías para validar el comportamiento de sujeción con la misma. Con los resultados satisfactorios obtenidos, se puede concluir que se consigue un diseño e implementación funcional del sistema electrónico para una prótesis transradial mioeléctrica con un costo de S/ 2475,22.

La estimación y verificación de las prestaciones de los diseños de sistemas embebidos de la forma más rápida posible al principio del proceso de diseño es un hito de gran importancia. Por ello, esta tesis propone una nueva solución basada en simulación por anotación de código fuente, que a costa de algo de precisión, permite realizar simulaciones muy rápidas con un mínimo esfuerzo de diseño. La primera tarea realizada en esta tesis ha sido extender el lenguaje SystemC para incluir primitivas de un sistema operativo de tiempo real(RTOS) que permiten la ejecución y el refinado de módulos software. La segunda parte de la tesis se ha centrado en la generación de una librería capaz de obtener datos dinámicamente sobre las prestaciones temporales de dichos sistemas a partir del código fuente, para poder verificar el cumplimiento de las características requeridas. Junto con los elementos SW se han desarrollado componentes SystemC de alto nivel capaces de modelar los elementos principales de un sistema embebido, como buses, memorias, redes de comunicaciones, etc. Por último se han desarrollado los componentes necesarios para poder incluir toda esta infraestructura en procesos de exploración automática del proceso de diseño, de forma que en base a descripciones iniciales del sistema en formato XML. La infraestructura de simulación y estimación de rendimiento ha sido desarrollada y probada en diversos proyectos europeos. / Estimating and verifying system performance of embedded designs at the beginning of the design process is a very important task. Fast estimation tools are required in order to evaluate different design possibilities, such as HW/SW partitioning or resource allocation, to verify the fulfillment of the system constraints, or to support design space exploration flows. In this context, the thesis proposes a tool capable of simulating embedded systems using source code annotation. As a consequence, fast estimations are obtained with minimal design effort, obtaining an adequate accuracy. For developing such tool several tasks has been performed. First, the SystemC language has been extended to provide the designer with a model of a real-time operating system. This model enables the correct simulation, scheduling and debugging of embedded SW. The second element added is an infrastructure capable of estimating and annotating performance information for each basic block in the source code. This infrastructure enables obtaining timed simulations of the SW. Additionally generic TLM elements have been developed to enable creating models of the HW platforms. Finally, additional components has been developed to use the proposed tool in a complete Design Space Exploration flow. The simulation infrastructure has been developed and checked in several European projects, and in collaboration with private companies.

[ES] La capacidad de las células madre para proliferar formando distintas células especializadas les otorga la potencialidad de servir de base para terapias efectivas para patologías cuyo tratamiento era inimaginable hasta hace apenas dos décadas. Sin embargo, esta capacidad se encuentra mediada por estímulos fisiológicos, químicos, y eléctricos, específicos y complejos, que dificultan su traslación a la rutina clínica. Por ello, las células madre representan un campo de estudio en el que se invierten amplios esfuerzos por parte de la comunidad científica. En el ámbito de la regeneración nerviosa, para modular su desarrollo y diferenciación el tratamiento farmacológico, la electroestimulación, y la estimulación optogenética son técnicas que están consiguiendo prometedores resultados. Es por ello por lo que en la presente tesis se ha desarrollado un conjunto de sistemas electrónicos para permitir la aplicación combinada de estas técnicas in vitro, con perspectiva a su aplicación in vivo. Hemos diseñado una novedosa tecnología para la liberación eléctricamente controlada de fármacos. Esta tecnología está basada en nanopartículas de sílice mesoporosa y puertas moleculares de bipiridina-heparina. Las puertas moleculares son electroquímicamente reactivas, y encierran los fármacos en el interior de las nanopartículas, liberándolos ante un estímulo eléctrico. Hemos caracterizado esta tecnología, y la hemos validado mediante la liberación controlada de rodamina en cultivos celulares de HeLa. Para la combinación de liberación controlada de fármacos y electroestimulación hemos desarrollado dispositivos que permiten aplicar los estímulos eléctricos de forma configurable desde una interfaz gráfica de usuario. Además, hemos diseñado un módulo de expansión que permite multiplexar las señales eléctricas a diferentes cultivos celulares. Además, hemos diseñado un dispositivo de estimulación optogenética. Este tipo de estimulación consiste en la modificación genética de las células para que sean sensibles a la radiación lumínica de determinada longitud de onda. En el ámbito de la regeneración de tejido mediante células precursoras neurales, es de interés poder inducir ondas de calcio, favoreciendo su diferenciación en neuronas y la formación de circuitos sinápticos. El dispositivo diseñado permite obtener imágenes en tiempo real mediante microscopía confocal de las respuestas transitorias de las células al ser irradiadas. El dispositivo se ha validado irradiando neuronas modificadas con luz pulsada de 100 ms. También hemos diseñado un dispositivo electrónico complementario de medida de irradiancia con el doble fin de permitir la calibración del equipo de irradiancia y medir la irradiancia en tiempo real durante los experimentos in vitro. Los resultados del uso de los bioactuadores en procesos complejos y dinámicos, como la regeneración de tejido nervioso, son limitados en lazo abierto. Uno de los principales aspectos analizados es el desarrollo de biosensores que permitiesen la cuantización de ciertas biomoléculas para ajustar la estimulación suministrada en tiempo real. Por ejemplo, la segregación de serotonina es una respuesta identificada en la elongación de células precursoras neurales, pero hay otras biomoléculas de interés para la implementación de un control en lazo cerrado. Entre las tecnologías en el estado del arte, los biosensores basados en transistores de efecto de campo (FET) funcionalizados con aptámeros son realmente prometedores para esta aplicación. Sin embargo, esta tecnología no permitía la medición simultánea de más de una biomolécula objetivo en un volumen reducido debido a las interferencias entre los distintos FETs, cuyos terminales se encuentran inmersos en la solución. Por ello, hemos desarrollado instrumentación electrónica capaz de medir simultáneamente varios de estos biosensores, y la hemos validado mediante la medición simultánea de pH y la detección preliminar de serotonina y glutamato. / [CA] La capacitat de les cèl·lules mare per a proliferar formant diferents cèl·lules especialitzades els atorga la potencialitat de servir de base per a teràpies efectives per a patologies el tractament de les quals era inimaginable fins fa a penes dues dècades. No obstant això, aquesta capacitat es troba mediada per estímuls fisiològics, químics, i elèctrics, específics i complexos, que dificulten la seua translació a la rutina clínica. Per això, les cèl·lules mare representen un camp d'estudi en el qual s'inverteixen amplis esforços per part de la comunitat científica. En l'àmbit de la regeneració nerviosa, per a modular el seu desenvolupament i diferenciació el tractament farmacològic, l'electroestimulació, i l'estimulació optogenética són tècniques que estan aconseguint prometedors resultats. És per això que en la present tesi s'ha desenvolupat un conjunt de sistemes electrònics per a permetre l'aplicació combinada d'aquestes tècniques in vitro, amb perspectiva a la seua aplicació in vivo. Hem dissenyat una nova tecnologia per a l'alliberament elèctricament controlat de fàrmacs. Aquesta tecnologia està basada en nanopartícules de sílice mesoporosa i portes moleculars de bipiridina-heparina. Les portes moleculars són electroquímicament reactives, i tanquen els fàrmacs a l'interior de les nanopartícules, alliberant-los davant un estímul elèctric. Hem caracteritzat aquesta tecnologia, i l'hem validada mitjançant l'alliberament controlat de rodamina en cultius cel·lulars de HeLa. Per a la combinació d'alliberament controlat de fàrmacs i electroestimulació hem desenvolupat dispositius que permeten aplicar els estímuls elèctrics de manera configurable des d'una interfície gràfica d'usuari. A més, hem dissenyat un mòdul d'expansió que permet multiplexar els senyals elèctrics a diferents cultius cel·lulars. A més, hem dissenyat un dispositiu d'estimulació optogenètica. Aquest tipus d'estimulació consisteix en la modificació genètica de les cèl·lules perquè siguen sensibles a la radiació lumínica de determinada longitud d'ona. En l'àmbit de la regeneració de teixit mitjançant cèl·lules precursores neurals, és d'interés poder induir ones de calci, afavorint la seua diferenciació en neurones i la formació de circuits sinàptics. El dispositiu dissenyat permet obtindré imatges en temps real mitjançant microscòpia confocal de les respostes transitòries de les cèl·lules en ser irradiades. El dispositiu s'ha validat irradiant neurones modificades amb llum polsada de 100 ms. També hem dissenyat un dispositiu electrònic complementari de mesura d'irradiància amb el doble fi de permetre el calibratge de l'equip d'irradiància i mesurar la irradiància en temps real durant els experiments in vitro. Els resultats de l'ús dels bioactuadors en processos complexos i dinàmics, com la regeneració de teixit nerviós, són limitats en llaç obert. Un dels principals aspectes analitzats és el desenvolupament de biosensors que permeteren la quantització de certes biomolècules per a ajustar l'estimulació subministrada en temps real. Per exemple, la segregació de serotonina és una resposta identificada amb l'elongació de les cèl·lules precursores neurals, però hi ha altres biomolècules d'interés per a la implementació d'un control en llaç tancat. Entre les tecnologies en l'estat de l'art, els biosensors basats en transistors d'efecte de camp (FET) funcionalitzats amb aptàmers són realment prometedors per a aquesta aplicació. No obstant això, aquesta tecnologia no permetia el mesurament simultani de més d'una biomolècula objectiu en un volum reduït a causa de les interferències entre els diferents FETs, els terminals dels quals es troben immersos en la solució. Per això, hem desenvolupat instrumentació electrònica capaç de mesurar simultàniament diversos d'aquests biosensors i els hem validat amb mesurament simultani del pH i la detecció preliminar de serotonina i glutamat. / [EN] The stem cells' ability to proliferate to form different specialized cells gives them the potential to serve as the basis for effective therapies for pathologies whose treatment was unimaginable until just two decades ago. However, this capacity is mediated by specific and complex physiological, chemical, and electrical stimuli that complicate their translation to clinical routine. For this reason, stem cells represent a field of study in which the scientific community is investing a great deal of effort. In the field of nerve regeneration, to modulate their development and differentiation, pharmacological treatment, electrostimulation, and optogenetic stimulation are techniques that are achieving promising results. For this reason, we have developed a set of electronic systems to allow the combined application of these techniques in vitro, with a view to their application in vivo. We have designed a novel technology for the electrically controlled release of drugs. This technology is based on mesoporous silica nanoparticles and bipyridine-heparin molecular gates. The molecular gates are electrochemically reactive and entrap the drugs inside the nanoparticles, releasing them upon electrical stimulus. We have characterized this technology and validated it by controlled release of rhodamine in HeLa cell cultures. For combining electrostimulation and controlled drug release we have developed devices that allow applying the different electrical stimuli in a configurable way from a graphical user interface. In addition, we have designed an expansion module that allows multiplexing electrical signals to different cell cultures. In addition, we have designed an optogenetic stimulation device. This type of stimulation consists of genetically modifying cells to make them sensitive to light radiation of a specific wavelength. In tissue regeneration using neural precursor cells, it is interesting to be able to induce calcium waves, favoring the cell differentiation into neurons and the formation of synaptic circuits. The designed device enable the obtention of real-time images through confocal microscopy of the transient responses of cells upon irradiation. The device has been validated by irradiating modified neurons with 100 ms pulsed light stimulation. We have also designed a complementary electronic irradiance measurement device to allow calibration of the irradiator equipment and measuring irradiance in real time during in vitro experiments. The results of using bioactuators in complex and dynamic processes, such as nerve tissue regeneration, are limited in an open loop. One of the main aspects analyzed is the development of biosensors that would allow quantifying of specific biomolecules to adjust the stimulation provided in real time. For instance, serotonin secretion is an identified response of neural precursor cells elongation, among other biomolecules of interest for the implementation of a closed-loop control. Among the state-of-the-art technologies, biosensors based on field effect transistors (FETs) functionalized with aptamers are promising for this application. However, this technology did not allow the simultaneous measurement of more than one target biomolecule in a small volume due to interferences between the different FETs, whose terminals are immersed in the solution. This is why we have developed electronic instrumentation capable of simultaneously measuring several of these biosensors, and we have validated it with the simultaneous pH measurement and the preliminary detection of serotonin and glutamate. / Monreal Trigo, J. (2023). Electronic Devices for the Combination of Electrically Controlled Drug Release, Electrostimulation, and Optogenetic Stimulation for Nerve Tissue Regeneration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193841