En el presente trabajo de tesis se diseña un sistema Neuro-difuso para automatizar el proceso de transporte de cargas que realiza una Grúa Torre. Debido a que no se ha podido disponer de una Grúa Torre real ni de un prototipo a escala, se ha optado por diseñar un simulador 3D de Grúa Torre que puede ser operado tanto manualmente, a través de un panel de botones en la pantalla, como automáticamente, cuando se inserta algún algoritmo de control. Durante el estudio teórico se ha tenido acceso a trabajos de investigación de la universidad Virginia Tech (Virginia Polytechnic Institute and State University – USA) referidos al estudio de la automatización de grúas, pero se ignoran los detalles del simulador utilizado en ellos; por este motivo, se ha sometido a prueba el simulador de la presente tesis aplicando los algoritmos de control publicados por los investigadores de dicha universidad. Al haber obtenido respuestas similares a las publicadas, se verificó que el simulador propuesto es equivalente al utilizado en aquellos trabajos. Por tanto, se tuvo la certeza de haber diseñado un simulador confiable que permitiese, posteriormente, probar el desempeño del sistema de automatización Neuro-difuso. La operación manual del simulador, emulando la labor de un obrero de construcción, ha permitido extraer datos experimentales para obtener una base de datos del funcionamiento de la Grúa Torre. Del total de valores experimentales, se seleccionaron los más representativos a través de un proceso de agrupamiento de datos o clusterización (clustering). Esta etapa, así como las demás etapas del diseño del algoritmo Neuro-difuso, se realizó utilizando el entorno de desarrollo fuzzyTECH del Instituto de Investigación de la FIE-UNMSM. Posteriormente, el sistema Neuro-difuso fue probado en el simulador 3D, en su modo de operación automático, y los resultados fueron comparados con los obtenidos al aplicar los algoritmos de las tesis de PostGrado de Virginia Tech en el simulador. Finalmente, se logró demostrar que un Sistema de Automatización Neuro-difuso para una Grúa Torre es tan eficiente como los desarrollados a través de métodos clásicos, con la ventaja de ser más fácil de diseñar ya que no necesita de modelos matemáticos, sino de datos de su operación manual.

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El presente trabajo de título tiene como objetivo principal la exposición del flujo de procesos involucrado en el diseño de un circuito integrado digital. Como consecuencia de ésto, se espera poder demostrar y motivar a explorar esta área en Chile, partiendo por el entorno más cercano: el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Para conseguir este objetivo, se diseña un controlador USB 2.0 desde la asimilación de su protocolo para el modelamiento de una solución, hasta el esquemático de la disposición física del circuito resultante. El flujo de diseño consiste principalmente en: a partir de una idea, generada por una necesidad del mercado o bien por una razón académica, determinar sus especificaciones eléctricas y dividir sus funcionalidades; caracterizar el circuito utilizando un lenguaje de descripción de hardware, para esta memoria, Verilog HDL; traducir la descripción del circuito a una lista de compuertas lógicas reales interconectadas; y finalmente, utilizando la representación física de cada compuerta y conexiones, producir un plano físico del circuito. El desarrollo del controlador es guiado y facilitado por las herramientas de diseño de Synopsys®. El resultado final es un informe que reúne los principales conceptos comprometidos en cada etapa del diseño, junto con su aplicación al modelamiento de un controlador USB 2.0. Aunque el uso de las herramientas de diseño no es detallado, los pasos realizados para cada proceso están basados en los flujos de diseño específicos de cada una de ellas. Respecto a lo anterior, se entrega como resultado un CD que contiene los módulos Verilog del controlador, la lista de compuertas interconectadas y archivos guión que contienen las principales instrucciones ejecutadas en las herramientas de Synopsys®. USB es un protocolo de comunicación de mediana complejidad que requiere de un equipo de diseñadores para desarrollarlo con profundidad en todos sus aspectos. A su vez, el flujo de diseño de circuitos integrados posee una gran cantidad de conceptos que deben ser manejados para realizar un trabajo de nivel profesional, probablemente con especialistas en cada etapa. Se concluye que el diseño de circuitos integrados, sin considerar la fabricación, es posible de realizar completamente en Chile, considerando la existencia de las herramientas adecuadas y profesionales especializados o con interés en hacerlo.

[ES] La electrofisiología extracelular es una técnica ampliamente usada en investigación neurocientífica, la cual estudia el funcionamiento del cerebro mediante la medición de campos eléctricos generados por la actividad neuronal. Esto se realiza a través de electrodos implantados en el cerebro y conectados a dispositivos electrónicos para amplificación y digitalización de las señales. De los muchos modelos animales usados en experimentación, las ratas y los ratones se encuentran entre las especies más comúnmente utilizadas. Actualmente, la experimentación electrofisiológica busca condiciones cada vez más complejas, limitadas por la tecnología de los dispositivos de adquisición. Dos aspectos son de particular interés: Realimentación de lazo cerrado y comportamiento en condiciones naturales. En esta tesis se presentan desarrollos con el objetivo de mejorar diferentes facetas de estos dos problemas. La realimentación en lazo cerrado se refiere a todas las técnicas en las que los estímulos son producidos en respuesta a un evento generado por el animal. La latencia debe ajustarse a las escalas temporales bajo estudio. Los sistemas modernos de adquisición presentan latencias en el orden de los 10ms. Sin embargo, para responder a eventos rápidos, como pueden ser los potenciales de acción, se requieren latencias por debajo de 1ms. Además, los algoritmos para detectar los eventos o generar los estímulos pueden ser complejos, integrando varias entradas de datos en tiempo real. Integrar el desarrollo de dichos algoritmos en las herramientas de adquisición forma parte del diseño experimental. Para estudiar comportamientos naturales, los animales deben ser capaces de moverse libremente en entornos emulando condiciones naturales. Experimentos de este tipo se ven dificultados por la naturaleza cableada de los sistemas de adquisición. Otras restricciones físicas, como el peso de los implantes o limitaciones en el consumo de energía, pueden también afectar a la duración de los experimentos, limitándola. La experimentación puede verse enriquecida cuando los datos electrofisiológicos se ven complementados con múltiples fuentes distintas. Por ejemplo, seguimiento de los animales o miscroscopía. Herramientas capaces de integrar datos independientemente de su origen abren la puerta a nuevas posibilidades. Los avances tecnológicos presentados abordan estas limitaciones. Se han diseñado dispositivos con latencias de lazo cerrado inferiores a 200us que permiten combinar cientos de canales electrofisiológicos con otras fuentes de datos, como vídeo o seguimiento. El software de control para estos dispositivos se ha diseñado manteniendo la flexibilidad como objetivo. Se han desarrollado interfaces y estándares de naturaleza abierta para incentivar el desarrollo de herramientas compatibles entre ellas. Para resolver los problemas de cableado se siguieron dos métodos distintos. Uno fue el desarrollo de headstages ligeros combinados con cables coaxiales ultra finos y conmutadores activos, gracias al seguimiento de animales. Este desarrollo permite reducir el esfuerzo impuesto a los animales, permitiendo espacios amplios y experimentos de larga duración, al tiempo que permite el uso de headstages con características avanzadas. Paralelamente se desarrolló un tipo diferente de headstage, con tecnología inalámbrica. Se creó un algoritmo de compresión digital especializado capaz de reducir el ancho de banda a menos del 65% de su tamaño original, ahorrando energía. Esta reducción permite baterías más ligeras y mayores tiempos de operación. El algoritmo fue diseñado para ser capaz de ser implementado en una gran variedad de dispositivos. Los desarrollos presentados abren la puerta a nuevas posibilidades experimentales para la neurociencia, combinando adquisición elextrofisiológica con estudios conductuales en condiciones naturales y estímulos complejos en tiempo real. / [CA] L'electrofisiologia extracel·lular és una tècnica àmpliament utilitzada en la investigació neurocientífica, la qual permet estudiar el funcionament del cervell mitjançant el mesurament de camps elèctrics generats per l'activitat neuronal. Això es realitza a través d'elèctrodes implantats al cervell, connectats a dispositius electrònics per a l'amplificació i digitalització dels senyals. Dels molts models animals utilitzats en experimentació electrofisiològica, les rates i els ratolins es troben entre les espècies més utilitzades. Actualment, l'experimentació electrofisiològica busca condicions cada vegada més complexes, limitades per la tecnologia dels dispositius d'adquisició. Dos aspectes són d'especial interès: La realimentació de sistemes de llaç tancat i el comportament en condicions naturals. En aquesta tesi es presenten desenvolupaments amb l'objectiu de millorar diferents aspectes d'aquestos dos problemes. La realimentació de sistemes de llaç tancat es refereix a totes aquestes tècniques on els estímuls es produeixen en resposta a un esdeveniment generat per l'animal. La latència ha d'ajustar-se a les escales temporals sota estudi. Els sistemes moderns d'adquisició presenten latències en l'ordre dels 10ms. No obstant això, per a respondre a esdeveniments ràpids, com poden ser els potencials d'acció, es requereixen latències per davall de 1ms. A més a més, els algoritmes per a detectar els esdeveniments o generar els estímuls poden ser complexos, integrant varies entrades de dades a temps real. Integrar el desenvolupament d'aquests algoritmes en les eines d'adquisició forma part del disseny dels experiments. Per a estudiar comportaments naturals, els animals han de ser capaços de moure's lliurement en ambients emulant condicions naturals. Aquestos experiments es veuen limitats per la natura cablejada dels sistemes d'adquisició. Altres restriccions físiques, com el pes dels implants o el consum d'energia, poden també limitar la duració dels experiments. L'experimentació es pot enriquir quan les dades electrofisiològiques es complementen amb dades de múltiples fonts. Per exemple, el seguiment d'animals o microscòpia. Eines capaces d'integrar dades independentment del seu origen obrin la porta a noves possibilitats. Els avanços tecnològics presentats tracten aquestes limitacions. S'han dissenyat dispositius amb latències de llaç tancat inferiors a 200us que permeten combinar centenars de canals electrofisiològics amb altres fonts de dades, com vídeo o seguiment. El software de control per a aquests dispositius s'ha dissenyat mantenint la flexibilitat com a objectiu. S'han desenvolupat interfícies i estàndards de naturalesa oberta per a incentivar el desenvolupament d'eines compatibles entre elles. Per a resoldre els problemes de cablejat es van seguir dos mètodes diferents. Un va ser el desenvolupament de headstages lleugers combinats amb cables coaxials ultra fins i commutadors actius, gràcies al seguiment d'animals. Aquest desenvolupament permet reduir al mínim l'esforç imposat als animals, permetent espais amplis i experiments de llarga durada, al mateix temps que permet l'ús de headstages amb característiques avançades. Paral·lelament es va desenvolupar un tipus diferent de headstage, amb tecnologia sense fil. Es va crear un algorisme de compressió digital especialitzat capaç de reduir l'amplada de banda a menys del 65% de la seua grandària original, estalviant energia. Aquesta reducció permet bateries més lleugeres i majors temps d'operació. L'algorisme va ser dissenyat per a ser capaç de ser implementat a una gran varietat de dispositius. Els desenvolupaments presentats obrin la porta a noves possibilitats experimentals per a la neurociència, combinant l'adquisició electrofisiològica amb estudis conductuals en condicions naturals i estímuls complexos en temps real. / [EN] Extracellular electrophysiology is a technique widely used in neuroscience research. It can offer insights on how the brain works by measuring the electrical fields generated by neural activity. This is done through electrodes implanted in the brain and connected to amplification and digitization electronic circuitry. Of the many animal models used in electrophysiology experimentation, rodents such as rats and mice are among the most popular species. Modern electrophysiology experiments seek increasingly complex conditions that are limited by acquisition hardware technology. Two particular aspects are of special interest: Closed-loop feedback and naturalistic behavior. In this thesis, we present developments aiming to improve on different facets of these two problems. Closed-loop feedback encompasses all techniques in which stimuli is produced in response of an event generated by the animal. Latency, the time between trigger event and stimuli generation, must adjust to the biological timescale being studied. While modern acquisition systems feature latencies in the order of 10ms, response to fast events such as high-frequency electrical transients created by neuronal activity require latencies under $1ms$. In addition, algorithms for triggering or generating closed-loop stimuli can be complex, integrating multiple inputs in real-time. Integration of algorithm development into acquisition tools becomes an important part of experiment design. For electrophysiology experiments featuring naturalistic behavior, animals must be able to move freely in ecologically meaningful environments, mimicking natural conditions. Experiments featuring elements such as large arenaa, environmental objects or the presence of another animals are, however, hindered by the wired nature of acquisition systems. Other physical constraints, such as implant weight or power restrictions can also affect experiment time, limiting their duration. Beyond the technical limits, complex experiments are enriched when electrophysiology data is integrated with multiple sources, for example animal tracking or brain microscopy. Tools allowing mixing data independently of the source open new experimental possibilities. The technological advances presented on this thesis addresses these topics. We have designed devices with closed-loop latencies under 200us while featuring high-bandwidth interfaces. These allow the simultaneous acquisition of hundreds of electrophysiological channels combined with other heterogeneous data sources, such as video or tracking. The control software for these devices was designed with flexibility in mind, allowing easy implementation of closed-loop algorithms. Open interface standards were created to encourage the development of interoperable tools for experimental data integration. To solve wiring issues in behavioral experiments, we followed two different approaches. One was the design of light headstages, coupled with ultra-thin coaxial cables and active commutator technology, making use of animal tracking. This allowed to reduce animal strain to a minimum allowing large arenas and prolonged experiments with advanced headstages. A different, wireless headstage was also developed. We created a digital compression algorithm specialized for neural electrophysiological signals able to reduce data bandwidth to less than 65.5% its original size without introducing distortions. Bandwidth has a large effect on power requirements. Thus, this reduction allows for lighter batteries and extended operational time. The algorithm is designed to be able to be implemented in a wide variety of devices, requiring low hardware resources and adding negligible power requirements to a system. Combined, the developments we present open new possibilities for neuroscience experiments combining electrophysiology acquisition with natural behaviors and complex, real-time, stimuli. / The research described in this thesis was carried out at the Polytechnic University of Valencia (Universitat Politècnica de València), Valencia, Spain in an extremely close collaboration with the Neuroscience Institute - Spanish National Research Council - Miguel Hernández University (Instituto de Neurociencias - Consejo Superior de Investigaciones Cientí cas - Universidad Miguel Hernández), San Juan de Alicante, Spain. The projects described in chapters 3 and 4 were developed in collabo- ration with, and funded by, Open Ephys, Cambridge, MA, USA and OEPS - Eléctronica e produção, unipessoal lda, Algés, Portugal. / Cuevas López, A. (2021). Development of Advanced Closed-Loop Brain Electrophysiology Systems for Freely Behaving Rodents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179718 / TESIS

[ES] Esta tesis doctoral se enfoca en la creación y validación de sistemas optoelectrónicos para aplicaciones biomédicas, en concreto para la terapia fototérmica contra el cáncer de piel y la optogenética para la regeneración de tejido nervioso. En su transcurso, se ha desarrollado un conjunto de herramientas y dispositivos que abarcan desde la experimentación sobre cultivos celulares hasta modelos computacionales que simulan el tratamiento. Para la terapia fototérmica, se ha diseñado y construido un equipo de experimentación in vitro validado sobre cultivos celulares. Este dispositivo, equipado con funcionalidades para controlar la potencia del láser, gestionar los tiempos de irradiación, realizar un posicionamiento automático de varias muestras bajo el haz, y monitorizar la evolución de la temperatura, se presenta como una herramienta altamente beneficiosa para la investigación en esta área. Después, se exploró la simulación mediante el Método de Elementos Finitos para analizar el comportamiento de las nanopartículas y sus suspensiones en agua, arrojando luz sobre sus potenciales aplicaciones en terapias fototérmicas y campos relacionados. Gracias al aprendizaje obtenido en los primeros pasos de este estudio, se logró el desarrollo de dos nuevos equipos que habilitan la realización de experimentos in vivo. Además, se ha implementado un modelo computacional diseñado para investigar el impacto de la terapia fototérmica en tejido biológico. Por último, se desarrolló un dispositivo optoelectrónico de reducidas dimensiones y alta potencia para la estimulación optogenética de neuronas modificadas genéticamente, con el objetivo de observar el transitorio de la estimulación y así entender en mayor medida las posibilidades que ofrece la optogenética en el campo de la regeneración de tejidos. / [CA] Aquesta tesi doctoral es centra en la creació i validació de sistemes optoelectrònics per a aplicacions biomèdiques, específicament per a la teràpia fototèrmica contra el càncer de pell i l'optogenètica per a la regeneració del teixit nerviós. Durant el seu desenvolupament, s'han dut a terme un conjunt d'eines i dispositius, des de l'experimentació en cultius cel·lulars fins a models computacionals que simulen el tractament. Per a la teràpia fototèrmica, s'ha dissenyat i construït un dispositiu de experimentació in vitro validat en cultius cel·lulars. Aquest dispositiu, equipat amb funcionalitats per controlar la potència del làser, gestionar els temps d'irradiació, realitzar un posicionament automàtic de diverses mostres sota el feix i monitoritzar l'evolució de la temperatura, es presenta com una eina altament beneficiosa per a la recerca en aquest àmbit. A continuació, s'ha explorat la simulació mitjançant el Mètode d'Elements Finits per analitzar el comportament de les nanopartícules i les seves suspensions en aigua, aportant llum a les seves possibles aplicacions en teràpies fototèrmiques i camps relacionats. Gràcies al coneixement adquirit en les primeres etapes d'aquest estudi, s'ha aconseguit el desenvolupament de dos nous dispositius que possibiliten realitzar experiments in vivo. A més, s'ha implementat un model computacional dissenyat per investigar l'impacte de la teràpia fototèrmica en teixit biològic. Finalment, s'ha desenvolupat un dispositiu optoelectrònic de reduïdes dimensions i alta potència per a l'estimulació optogenètica de neurones modificades genèticament, amb l'objectiu d'observar la estimulació transitoria i comprendre millor les possibilitats que ofereix l'optogenètica en el camp de la regeneració de teixits. / [EN] This doctoral thesis focuses on the creation and validation of optoelectronic systems for biomedical applications, specifically for photothermal therapy against skin cancer and optogenetics for nerve tissue regeneration. During its course, a set of tools and devices has been developed, ranging from experimentation on cell cultures to computational models simulating the treatment. For photothermal therapy, an in vitro device has been designed and constructed for experimentation in cell cultures. This device, equipped with functionalities to control laser power, manage irradiation times, perform automatic positioning of multiple samples under the beam, and monitor temperature evolution, emerges as a highly beneficial tool for research in this area. Next, simulation using the Finite Element Method was explored to analyze the behavior of nanoparticles and their suspensions in water, shedding light on their potential applications in photothermal therapies and related fields. Thanks to the knowledge gained in the early stages of this study, the development of two new devices enabling in vivo experiments was achieved. Furthermore, a computational model designed to investigate the impact of photothermal therapy on biological tissue has been implemented. Finally, a compact, high-power optoelectronic device was developed for the optogenetic stimulation of genetically modified neurons, with the aim of observing the stimulation transient and gaining a better understanding of the possibilities that optogenetics offers in the field of tissue regeneration. / El material y las instalaciones utilizados en el desarrollo de este trabajo fueron financiados por las ayudas PID2021-126304OB-C44 y PID2021-124359OB-I00 de MCIN/AEI/10.13039/5011000110-33, el programa H2020 FetOpen con el proyecto número 964562, la ayuda de la Conselleria de Educación, Investigación, Cultura y Deporte de la Generalitat Valenciana CIPROM/2021/007 y el proyecto PROMETEO 2018/024, la Fundación Social Europea ACIF/2019/120, y el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades con las becas doctorales FPU17/03239 y FPU17/03800. El trabajo ha recibido también financiación de la Agencia Estatal de Investigación con los proyectos números RTI2018-100910-B-C41, RTI2018-100910-B-C43-AR y PID2021-126304OB-C41, el Instituto de Salud Carlos III - CIBER-BBN: Safe N Medtech and Smart-4-Fabry Projects (asociado a los programas europeos del marco H2020 (H2020/2014-2020) con la ayuda número 814607) y el Ministerio de Ciencia e Innovación con las beca predoctorales FPU17/03800 y FPU17/03239 / Terrés Haro, JM. (2023). Sistemas optoelectrónicos para terapias fototérmicas dirigidas al cáncer de piel y optogenética en la regeneración de tejido nervioso [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202285