Ingeniería e Investigación

Near-Infrared Spectroscopy: Assessment of Soil Organic Carbon Stock in a Colombian Oxisol

ABSTRACT Soil organic carbon (SOC) is a property known for its influence on the physical, chemical, and biological characteristics of soils, which are essential when assessing their quality. SOC stock (SOCS) monitoring is a key task in climate change mitigation studies. However, the resources necessary to obtain the information required by these studies tend to be high. The objective of this study was to develop a model for estimating the SOCS of a Colombian oxisol using near-infrared (NIR) diffuse reflectance spectroscopy. In a sampling scheme of 70 points distributed over 248 ha, 313 soil samples were collected in five defined depth intervals of 10 cm each, from 0 to 50 cm. SOC was determined through an elemental analyzer, and bulk density (BD) by means of sampling cylinders. A NIRFlex spectrometer was used to acquire spectral signatures in the NIR range from the processed soil samples, and, together with the data measured in the laboratory, a statistical analysis was performed using partial least squares regression (PLSR) in order to calibrate the spectral models. Based on the residual prediction deviation (RPD), the root mean square error (RMSE), and the coefficient of determination (R2) of the validation groups, a highly representative model was achieved for the estimation of SOCS (R2 = 0,93; RMSE = 2,12 tC ha-1; RPD = 3,69), which was also corroborated with geostatistical interpolation surfaces and depth splines. This research showed NIR diffuse reflectance spectroscopy to be a viable technique for SOCS estimation in the study area.

RESUMEN El carbono orgánico del suelo (COS) es una propiedad conocida por su influencia en las propiedades físicas, químicas y biológicas de los suelos, que son fundamentales para evaluar su calidad. El monitoreo del stock de COS (SCOS) es una labor clave en los estudios de mitigación del cambio climático. Sin embargo, los recursos necesarios para obtener la información requerida en estos estudios suelen ser elevados. El objetivo de este estudio fue desarrollar un modelo para estimar el SCOS de un oxisol colombiano utilizando espectroscopia de reflectancia difusa de infrarrojo cercano (NIR). En un esquema de muestreo de 70 puntos distribuidos en 248 ha, se recolectaron 313 muestras de suelo en cinco intervalos de profundidad definidos de 10 cm cada uno, de 0 a 50 cm. El COS se determinó mediante un analizador elemental, y la densidad aparente (DA) mediante cilindros de muestreo. Se utilizó un espectrómetro NIRFlex para adquirir firmas espectrales en el rango NIR de las muestras de suelo procesadas, y, junto con datos medidos en laboratorio, se realizó un análisis estadístico usando regresión de mínimos cuadrados parciales (RMCP) para calibrar los modelos espectrales. Con base en la desviación de predicción residual (DRP), raíz del error cuadrático medio (RECM) y el coeficiente de determinación (R2) de los grupos de validación, se logró un modelo de alta representatividad para la estimación de SCOS (R2 = 0,93; RECM = 2,12 tC ha-1; DRP = 3,69), lo cual también se corroboró con superficies de interpolación geoestadística y splines de profundidad. Esta investigación mostró que la espectroscopia de reflectancia difusa NIR es una técnica viable para la estimación de SOCS en el área de estudio.

Identification of Eroded and Erosion Risk Areas Using Remote Sensing and GIS in the Quebrada Seca watershed

ABSTRACT The aim of this research was to identify eroded areas and areas at risk of erosion (EAER) as indicators of soil degradation by water erosion in a semiarid watershed of the Venezuelan Andes in 2017. To this effect, remote sensing techniques and geographic information systems (GIS) were used, focusing on spectral reflectance data from a satellite image, given the absence of continuous pluviographic information and data on soil properties in developing countries. This methodology involved estimating the potential water erosion risk (PWER) and mapping eroded and erosion risk areas (EAER) based on calculating the spectral Euclidean distance to bare soils and a remote sensing technique, which was selected via linear regression. Receiver operating characteristics (ROC) curves were determined to define classification thresholds, which were validated by means of a supervised classification and associated to PWER values. The main results indicate that EAER1 identified more eroded areas with bare soils (229,77 ha) as opposed to EAER2 (195,57 ha). Similarly, it was evident that the first alternative was more successful that the second (sum of the first three principal components). The PWER analysis, in addition to the erosion mapping developed and other data and criteria, such as minimum area size of interest, could help to consider necessary soil conservation measures.

RESUMEN El objetivo de esta investigación fue identificar áreas erosionadas y en riesgo de erosión (AERE) como indicadores de degradación de suelos por erosión hídrica en una cuenca semiárida de los Andes venezolanos en el año 2017. Para ello, se emplearon técnicas de percepción remota y sistemas de información geográfica (SIG), enfocándose en los datos espectrales de reflectancia de una imagen satelital, dada la ausencia de información pluviográfica continua y datos de propiedades del suelo en países en vías de desarrollo. Esta metodología implicó la estimación del riesgo potencial de erosión hídrica (RPEH) y la generación de cartografía de áreas erosionadas y en riesgo (AEER) a partir del cálculo de distancia espectral euclidiana a suelos desnudos y de una técnica de percepción remota seleccionada mediante regresión lineal. Se determinaron curvas ROC (características operativas del receptor) para definir umbrales de clasificación, los cuales fueron validados mediante una clasificación supervisada y asociados a valores de RPEH. Los resultados principales indican que EAER1 identificó más áreas erosionadas con suelos desnudos (229,77 ha) a diferencia de EAER2 (195,57 ha). De igual modo, se evidenció que la primera alternativa tuvo mayores aciertos en contraste con la segunda (sumatoria de los tres primeros componentes principales). El análisis de RPEH, además de las cartografías de erosión desarrolladas y otros datos y criterios como el tamaño del área mínima de interés, podrían ayudar a considerar medidas necesarias en cuanto a conservación de suelos.

Leachate Treatment via TiO₂/UV Heterogeneous Photocatalysis: A Multiple Polynomial Regression Model

ABSTRACT Advanced oxidation processes such as TiO2/UV heterogeneous photocatalysis are suitable treatment methods for wastewater with high pollutant loads such as landfill leachates. Optimizing the variables that influence the process is a fundamental aspect. However, in this regard, experimental conditions are limited in terms of resources and time, which is why modeling allows obtaining a general understanding of the phenomenon from a set of experimental data. This work sought to model the photocatalytic process via multivariate polynomial regression, considering variables such as the catalyst concentration, the pH level, and the accumulated energy concerning the percentage of degradation in terms of dissolved organic carbon (DOC). The implemented fitting method resulted in a third-degree polynomial with an R2 of 0,8652, concluding that the model and its conclusions are valid. Moreover, with greater degrees, the model curve overfitted, even with better R2. DOC abatement showed a negative correlation with pH and the catalyst dose, while an opposite trend was observed for the accumulated energy. The model predictions allow inferring that, at low catalyst doses and medium and high pH levels, it is possible to find maximum degradations at low cumulative energies.

RESUMEN Los procesos de oxidación avanzada como la fotocatálisis heterogénea TiO2/UV son métodos de tratamiento adecuados para aguas residuales con altas cargas contaminantes como los lixiviados de rellenos sanitarios. La optimización de las variables que influyen en el proceso es un aspecto fundamental. Sin embargo, en este aspecto, las condiciones experimentales son limitadas en términos de recursos y tiempo, por lo que el modelado permite obtener una comprensión general del fenómeno a partir de un conjunto de datos experimentales. Este trabajo pretendió modelar el proceso fotocatalítico mediante regresión polinómica multivariada, teniendo en cuenta variables como la concentración del catalizador, el nivel de pH y la energía acumulada en relación con el porcentaje de degradación en términos de carbón orgánico disuelto (DOC). El método de ajuste implementado dio como resultado un polinomio de grado 3 con un R2 de 0,8652, concluyendo que el modelo y sus conclusiones son válidos. Además, a mayor grado, la curva del modelo se sobreajustó, incluso con mejor R2. La remoción de DOC mostró una correlación negativa con el pH y la dosis de catalizador, y se observó una tendencia opuesta para la energía acumulada. Finalmente, las predicciones del modelo permiten inferir que, a dosis bajas del catalizador y niveles medios y altos de pH, es posible encontrar degradaciones máximas con bajas energías acumuladas.

Physicochemical, Rheological, and Thermal Properties of Pot-Honey from the Stingless Bee Melipona beecheii

ABSTRACT The availability of data on physicochemical properties is crucial to direct efforts towards identifying the quality standards of the Neotropical stingless bee Melipona beecheii's pot-honey. In this vein, other properties apart from those typically considered for Apis mellifera could also be relevant in characterizing the honey of this stingless bee. The physicochemical, rheological, and thermal properties of pot-honey from Melipona beecheii (Yucatán, México) were analyzed. Samples were collected from two annual harvests (2018 and 2019) and from a rural and an urban location. Free acidity, moisture, total reducing sugars, diastase activity, hydroxymethylfurfural content, and electrical conductivity were measured using standard techniques. The rheological and thermal behaviors were determined via Couette rheometry and differential scanning calorimetry, respectively. The physicochemical properties of Melipona beecheii pot-honey can be incorporated into a general quality specification for honey of the Neotropical Melipona genus, or as the basis for a regional (Mesoamerican) standardization of honey from this particular bee species. The rheological analyses indicated the Newtonian behavior of Melipona honey in the full studied range of 10-40 °C (7,545-244 cp), showing dynamic viscosities significantly lower than those expected for Apis mellifera honey, primarily due to its high water content. Two main endothermic transitions were detected via differential scanning calorimetry: at 96-162 °C and at 169-230 °C. The Apis mellifera honey samples showed the same thermal transitions but differed from Melipona beecheii honey in their peak temperatures and enthalpies.

RESUMEN La disponibilidad de datos de propiedades fisicoquímicas es fundamental para direccionar esfuerzos hacia la identificación de los estándares de calidad de la miel de pote de Melipona beecheii. En este contexto, otras propiedades diferentes de aquellas típicamente consideradas para Apis mellifera podrían también ser relevantes para caracterizar la miel de esta abeja sin aguijón. Se analizaron las propiedades fisicoquímicas, reológicas y térmicas de la miel de pote de Melipona beecheii (Yucatán, México). Se recolectaron muestras de dos temporadas de cosecha anuales (2018 y 2019) y de una locación rural y una urbana. Empleando técnicas estándar, se midieron la acidez libre, la humedad, los azúcares reductores totales, la actividad diastásica, el contenido hidroximetilfurfural y la conductividad eléctrica. Los comportamientos reológico y térmico se determinaron por reometría tipo Couette y calorimetría diferencial de barrido respectivamente. Las propiedades fisicoquímicas de la miel de pote de Melipona beecheii se pueden incorporar a una especificación general de calidad para la miel de género Neotropical Melipona, o como base para una estandarización regional (Mesoamericana) de la miel de esta especie particular de abeja. Los análisis reológicos indicaron el comportamiento Newtoniano de la miel de Melipona para todo el rango estudiado de 10-40 °C (7,545-244 cp), mostrando viscosidades dinámicas significativamente menores que aquellas esperadas en la miel de Apis mellifera, primordialmente debido a su mayor contenido de agua. Se detectaron dos transiciones endotérmicas relevantes por calorimetría diferencial de barrido: a 96-162 °C y a 169-230 °C. Las muestras de miel de Apis mellifera presentaron las mismas transiciones térmicas, pero discreparon de la miel de Melipona beecheii en la temperaturas pico y las entalpías.

Study on Closely Spaced Asymmetric Footings Embedded in a Reinforced Soil Medium

ABSTRACT In practice, footings are rarely laid on the surface or at ground level; usually, they are embedded in the soil medium. Most studies focus on surface footings. This research examines the behavior of two interfering asymmetric footings while considering their widths to be dissimilar and the effect of embedment depth to enhance the ultimate bearing capacity and limit the settlement within the working range. This was evaluated through the finite element method of the ABAQUS software. The soil was assumed to have a Mohr-Coulomb failure, and the asymmetry corresponded to the footing widths. The results are presented in terms of interference factors, i.e., the ultimate bearing capacity (UBC) and the settlement, which are defined as the UBC/settlement ratio of the left/ right footing in the presence of the other one placed on reinforced soil. This, in comparison with an identical isolated footing on unreinforced soil. Interference is more significant in small footings than in large ones. Due to behavioral variations, the bearing capacity and settlement are different. This effect increases with an increase in the width of large footings, and the interference factors decrease with an increase in the embedment depth of the footings. When the right footing width is twice that of the other and considering one layer of reinforcement and soil friction angles of 30° and 40°, the per-cent increments in the bearing capacity of interfering left footings, for a spacing of 0,5 times the left footing width, are 104 and 148%, respectively.

RESUMEN Las zapatas, en la práctica, rara vez se colocan en la superficie o al nivel del suelo; por lo general, están incrustadas en el medio del suelo. La mayoría de los estudios se centran en zapatas superficiales. Esta investigación examina el comportamiento de dos zapatas asimétricas que interfieren, considerando que sus anchos son diferentes y que el efecto de la profundidad de empotramiento mejora la capacidad portante última y limita el asentamiento dentro del rango de trabajo. Esto se evaluó a través del método de elementos finitos del software ABAQUS. Se asume la falla de Mohr-Coulomb en el suelo, y la asimetría corresponde al ancho de las zapatas. Los resultados se presentan en términos de factores de interferencia, i.e., la capacidad portante última (UBC) y el asentamiento, que se definen como la relación de UBC/asentamiento de la zapata izquierda/derecha en presencia de la otra, colocada sobre suelo reforzado. Esto, en comparación con una zapata aislada idéntica sobre suelo no reforzado. La interferencia es más significativa en las zapatas pequeñas que en las grandes. Debido a las variaciones de comportamiento, la capacidad de carga y el asentamiento son distintos. Este efecto aumenta con el aumento del ancho las zapatas grandes, y los factores de interferencia disminuyen con el aumento de la profundidad de empotramiento de las zapatas. Cuando el ancho de la zapata derecha es el doble de la otra, y considerando una capa de refuerzo y ángulos de fricción del suelo de = 30° y 40°, el incremento porcentual en la capacidad portante de las zapatas izquierdas que interfieren, para un espaciamiento de 0,5 veces el ancho de la zapata izquierda, son 104 y 148 % respectivamente.

Design and Control of a Photovoltaic Distribution System Based on Modular Buck-Boost Converters

ABSTRACT The main contribution of this research is the design of a series hybrid topology for a photovoltaic distribution system using Buck-Boost converter modules. This design incorporates a maximum power point tracking (MPPT) algorithm based on the perturb and observe method, linear PI controllers, and an energy management algorithm. The controllers' design is validated through simulation using PSIM and SISOTOOL/MATLAB. This work aims to achieve active power sharing in the AC grid through a control loop implemented with a three-phase inverter. The validation of the topology and controller design demonstrates tracking and robustness in four test scenarios for the state variables in microgrids: constant and variable irradiance conditions, auxiliary storage device (ASD) protection and control loops, and power sharing with the AC grid, while considering the DC system dynamics.

RESUMEN La principal contribucion de este trabajo de investigacion es el diseño de una topologia híbrida en serie para un sistema de distribucion fotovoltaico, empleando modulos de convertidores Buck-Boost. Este diseño incorpora un algoritmo de seguimiento del punto de maxima potencia basado en el metodo perturbar y observar, controladores PI lineales y un algoritmo de gestion de energia. El diseño de los controladores se valida mediante simulacion en PSIM y SISOTOOL/MATLAB. El objetivo de este trabajo es el reparto de potencia activa en la red mediante un lazo de control implementado en un inversor trifasico. La validacion de la topología y el diseño de controladores demuestra seguimiento y robustez en cuatro escenarios de prueba para las variables de estado en microrredes: condiciones de irradiancia constantes y variables, lazos de control y proteccion de dispositivos de almacenamiento auxiliar (ASD) y reparto de potencia en la red AC considerando la dinamica de los sistemas DC.

Lean Six Sigma Tools for Efficient Milking Processes in Small-Scale Dairy Farms

ABSTRACT This research paper aims to use lean six sigma tools to handle milk in small Brazilian dairy estates. The search for efficiency in this process preponderates in all productive sectors. However, it is still not exploited in the dairy chain, specifically by small-scale producers, although milking is the main income for many of them. In Brazil, small producers are the main suppliers of the chain, and maintaining their competitiveness requires specific actions. Therefore, through the action-research method, four small producers in the center-west of the state of São Paulo, Brazil, were involved in identifying problems in their milking management process, investigating and implementing practical solutions. To this effect, lean tools such as flowcharts, Ishikawa diagrams, value stream mapping, and PDCA cycles were employed, and six feasible improvements were defined. The successful implementation of said improvements led to the acquisition of knowledge by small producers, who received financial returns, i.e., an increase in the amount paid per liter of milk. This research shows that, through interdisciplinari, positive solutions to problems of different and complex natures, such as those in the dairy chain, can be obtained.

RESUMEN Este artículo de investigación tiene por objetivo utilizar herramientas lean six sigma en el manejo de la leche en propiedades pequeñas de Brasil. La búsqueda de la eficiencia en este proceso es preponderante en todos los sectores productivos. Sin embargo, esta aún no se ha explotado en la cadena láctea, específicamente en el caso de productores de pequeña escala, si bien el ordeño representa el principal ingreso de muchos de ellos. En Brasil, los productores pequeños son los principales proveedores de la cadena, y mantener su competitividad requiere acciones específicas. Por lo tanto, mediante el método de investigación-acción, se involucró a cuatro pequeños productores del centro-oeste del estado de São Paulo, Brasil, investigando e implementando soluciones prácticas. Para este fin, se emplearon herramientas lean como diagramas de flujo, diagramas Ishikawa, mapas de flujo de valor, y ciclos PDCA, definiendo seis mejoras viables. La implementación exitosa de dichas mejoras llevó a la adquisición de conocimientos por parte de los pequeños productores, que recibieron rendimientos financieros, i.e., un aumento en la cantidad pagada por litro de leche. Esta investigación muestra que, a través de la interdisciplinaridad, se pueden obtener soluciones a problemas de naturalezas distintas y complejas, como es el caso de aquellos en la cadena láctea.

Design and Manufacturing of a Low-Cost Prosthetic Foot

ABSTRACT Below-knee prosthetics are used to restore the functional activity and appearance of persons with lower limb amputation. This work attempted to design and manufacture a low-cost, novel, comfortable, lightweight, durable, and flexible smart below-knee foot prosthesis prototype. This prosthesis foot was designed according to the natural leg measurement of an adult male patient. The foot is composed of rigid PVC layers interspersed with elastic strips of PTFE, and the axis of the ankle joint is flexible and consists of metal layers and a composite of polymeric damping strips with different mechanical properties, making it flexible and allowing it to absorb shocks and store and release energy. The design, modeling, and simulation of the manufactured prosthetic foot were performed via the ANSYS 18.0 software and the finite element method (FEM), where a large number of parallel and oblique planes and sketches were created. This work included four adult patients weighing 50, 75, 90, and 120 kg with different walking cycles. The results show that the highest equivalent von Mises stress and total deformations for the prosthetic limb occur at the beginning of the walking step, while the highest equivalent elastic strains and strain energy release rates are observed at the end of the walking step, regardless of the weight. This prototype can satisfactorily perform the biomechanical functions of a natural human foot, and it can be produced in attractive sizes, models, and shapes to suit different levels of below-knee amputations for different ages and weights, especially for patients with limited income.

RESUMEN Las prótesis debajo de la rodilla se utilizan para restaurar la actividad funcional y la apariencia de personas con amputación de miembros inferiores. Este trabajo intentó diseñar y fabricar un prototipo de prótesis de pie inteligente debajo de la rodilla, novedoso, cómodo, liviano, duradero, flexible y de bajo costo. Esta prótesis de pie fue diseñada según la medida natural de la pierna de un paciente masculino adulto. El pie está compuesto por capas rígidas de PVC intercaladas con tiras elásticas de PTFE, y el eje de la articulación del tobillo es flexible y está formado por capas metálicas y un compuesto de tiras amortiguadoras poliméricas con diferentes propiedades mecánicas, que la hacen flexible y le permiten absorber impactos y almacenar y liberar energía. El diseño, modelado y simulación de la prótesis de pie fabricada se realizó mediante el software ANSYS 18.0 y el método de elementos finitos (FEM), donde se crearon una gran cantidad de planos y bocetos paralelos y oblicuos. Este trabajo incluyó a cuatro pacientes adultos que pesaban 50, 75, 90 y 120 kg con diferentes ciclos de caminata. Los resultados muestran que la tensión de von Mises equivalente más alta y las deformaciones totales para la extremidad protésica ocurren al comienzo del paso de caminar, mientras que las deformaciones elásticas equivalentes y las tasas de liberación de energía de deformación más altas se observan al final del paso de caminar, independientemente del peso. Este prototipo puede realizar satisfactoriamente las funciones biomecánicas de un pie humano natural y puede producirse en tamaños, modelos y formas atractivos para adaptarse a diferentes niveles de amputaciones por debajo de la rodilla para diferentes edades y pesos, especialmente para pacientes con ingresos limitados.

A Study on the Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Ternary Higher Alcohol Biofuel Blends

ABSTRACT This study focused experimentally on the evaluation of a higher alcohol biofuel utilization with diesel fuel in a compression ignition engine. To this effect, two different ternary higher alcohol biofuel blends with different percentages by volume were used, i.e., DA5 (85% diesel + 5% butanol +5% pentanol + 5% hexanol) and DA10 (70% diesel + 10% butanol + 10% pentanol + 10% hexanol). The performance and emission results were compared against reference standard diesel fuel. Experiments revealed the brake power (BP) values of the engine to be reduced due to the lower calorific value of the alcohols. In addition, this phenomenon led to increased levels of brake-specific fuel consumption (BSFC), which resulted in a higher fuel consumption to obtain unit power. Regarding emissions, carbon monoxide (CO) was reduced as a result of the additional oxygen content of alcohols, which triggered the more oxidized CO with oxygen. The results regarding unwanted nitrogen oxides (NOx) emissions were also attractive according to the alcohol utilized. Considerable reductions were obtained with alcohol mixtures when compared to diesel fuel, which can be explained by the reduced combustion temperatures in the cylinder, given the higher latent heat in the evaporation of alcohols.

RESUMEN Este estudio se centró experimentalmente en la evaluación de una mayor utilización de biocombustible de alcohol con combustible diésel en un motor de encendido por compresión. Para ello, se utilizaron dos mezclas ternarias de biocombustible de alcohol superior distintas y con diferentes porcentajes en volumen DA5 (85 % diésel + 5 % butanol + 5 % pentanol + 5 % hexanol) y DA10 (70 % diésel + 10 % butanol + 10 % pentanol + 10 % hexanol). Los resultados de rendimiento y emisiones se compararon con combustible diésel estándar de referencia. Los experimentos revelaron que los valores de la potencia de frenado (BP) del motor se redujeron debido al menor poder calorífico de los alcoholes. Además, este fenómeno llevó a obtener mayores niveles de consumo de combustible específico de frenado (BSFC), lo que resultó en un mayor consumo de combustible para obtener potencia unitaria. Con respecto a las emisiones, el monóxido de carbono (CO) se redujo como resultado del contenido de oxígeno adicional de los alcoholes, lo cual activó el CO más oxidado con oxígeno. Los resultados de la emisión no deseada de óxidos de nitrógeno (NOx) también fueron atractivos según el alcohol utilizado. Se obtuvieron reducciones considerables con las mezclas de alcoholes en comparación con el combustible diésel, lo que puede deberse a temperaturas de combustión reducidas en el cilindro, dado el mayor calor latente en la evaporación de alcoholes.

Upgrade and Modification of a Machine for Micro-Abrasion Wear Testing in Simulated Biological Environments with Oscillatory Motion

ABSTRACT Aiming to evaluate the useful life of biomaterials used in joint prostheses, this study performed different wear tests in stainless steel 316L, a biomaterial used in hip joint replacements. The tests were carried out in a dry medium, with the help of an equipment that was improved regarding some of its characteristics and allows conducting wear tests via the contact of two bodies, one of them being the biomaterial under study and the other one a sphere of a harder material. For the evaluation, a device was developed to change the rotation of the sphere, varying the angle it traveled and the frequency with which it did it. Once the improvements were made to the aforementioned equipment, tests were conducted which involved obtaining wear tracks in order to observe the surface morphology through scanning electron microscopy (SEM) and to measure the length and the width of the tracks, with which the biomaterial wear coefficient was obtained for each case studied. In these tests, the wear coefficient showed variations with respect to the sphere's angle of travel.

RESUMEN Con el objetivo de evaluar la vida útil de los biomateriales utilizados en prótesis articulares, este estudio llevó a cabo ensayos de desgaste en acero inoxidable 316L, un biomaterial usado en prótesis articulares de cadera. Los ensayos se realizaron en seco, con la ayuda de un equipo que se mejoró en algunas características y que permite realizar ensayos de desgaste mediante el contacto de dos cuerpos, siendo uno de estos el biomaterial a estudiar y el otro una esfera de un material más duro. Para la evaluación se desarrolló un dispositivo para cambiar el giro de la esfera, variando el ángulo que recorría y la frecuencia con la que lo hace. Una vez realizadas las mejoras al equipo mencionado, se realizaron ensayos donde se obtuvieron huellas de desgaste para observar la morfología superficial mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y medir el largo y el ancho de las huellas, con los cuales se obtuvo el coeficiente de desgaste del biomaterial para cada caso estudiado. En estas pruebas, el coeficiente de desgaste presentó variaciones con respecto al ángulo de recorrido de la esfera.

Towards a Theory of Interoperability of Software Systems

ABSTRACT Interoperability is a property of software quality that is related to the cooperation between software systems for exchanging information. However, this concept is not well explained or understood. A theory would be useful to explain interoperability in terms of its essential elements and propositions. Theoretical contributions of interoperability are intended to formalize this concept by using common frameworks, models, and meta-models. However, tentative contributions developed in the past have failed to propose a theory of interoperability due to four reasons: (i) a disunified vocabulary is used, (ii) the essential elements for describing interoperability are not well identified, (iii) only a single level of interoperability is assessed, and (iv) interoperability principles are not well formalized. This paper tentatively proposes an axiomatic theory of interoperability as a complementary approach to the existing knowledge. The proposed theory seeks to better formalize the concepts of interoperability and suggest actions aimed at establishing interoperability. After a brief review of related works and the state of the art, a set of axioms and propositions is presented. This theory is evaluated by a group of experts, and an example is presented to illustrate its use. Conclusions and future works are outlined at the end of the paper.

RESUMEN La interoperabilidad es una propiedad de calidad del software que tiene que ver con la cooperación entre sistemas de software para intercambiar información. Sin embargo, este concepto carece de una explicación o un completo entendimiento. Una teoría permitiría explicar la interoperabilidad en términos de sus elementos esenciales y proposiciones. Las contribuciones teóricas acerca de la interoperabilidad proponen formalizar este concepto utilizando marcos comunes, modelos y metamodelos. No obstante, las contribuciones tentativas desarrolladas en el pasado no logran proponer una teoría. Esto, debido a cuatro razones: (i) usan un vocabulario desunificado, (ii) omiten los elementos esenciales para describir la interoperabilidad, (iii) se enfocan en un nivel particular de interoperabilidad y (iv) presentan una formalización incompleta con respecto a los principios de interoperabilidad. En este artículo se propone una teoría axiomática de interoperabilidad como un enfoque complementario al conocimiento existente. Con la teoría propuesta se pretende formalizar los conceptos de interoperabilidad y sugerir acciones para establecer la interoperabilidad. Con base en una revisión de los trabajos relacionados y el estado del arte, se define un conjunto de axiomas y proposiciones. Un conjunto de expertos valida la teoría, y se expone un ejemplo para ilustrar su uso. Las conclusiones y los trabajos futuros se describen al final del artículo.

An Automatic Approach for Bone Tumor Detection from Non-Standard CT Images

ABSTRACT Image processing techniques are applied in many fields of science. This study aims to detect tumors in the foot and create 3D models via computed tomography (CT), as well as to produce biometric data. 1 039 CT images were obtained from a server. The parameters used were a collimation of 64 detectors, a scanning thickness of 0,5-3 mm, and a pixel size of 512 x 512, with a radiometric resolution of the 16-bit gray levels. Noise reduction, segmentation, and morphological analysis were performed on CT scans to detect bone tumors. In addition, this study used digital image processing techniques to create a virtual three-dimensional (3D) model of bone tumors. The performance of our proposal was evaluated by analyzing the receptor operating characteristics (ROC). According to the results, the sensitivity, specificity, and precision in tumor detection were 0,96, 1, and 0,98%, respectively, with a 0,99% average F-measure. Radiologist reports were used for the sake of comparison. The proposed technique for detecting bone tumors of the foot via CT can help radiologists with its increased precision, sensitivity, specificity, and F-measure. This method could improve the diagnosis of foot and ankle tumors by allowing for the multidirectional quantification of abnormalities.

RESUMEN Las técnicas de procesamiento de imágenes se aplican en muchos campos de la ciencia. El objetivo de este estudio es detectar tumores en el pie y crear modelos 3D mediante tomografia computarizada (CT), así como producir datos biométricos. 1 039 imágenes de CT se obtuvieron de un servidor. Los parámetros utilizados fueron una colimación 64 detectores, un grosor de escaneo de 0,5-3 mm y un tamaño del píxel de 512 x 512, con una resolución radiométrica de niveles de gris de 16 bits. Se realizó reducción de ruido, segmentación y análisis morfológico a imágenes CT para detectar tumores óseos. Adicionalmente, en este estudio se aplicaron técnicas de procesamiento de imágenes digitales para crear un modelo virtual tridimensional (3D) de tumor óseo. El rendimiento de nuestra propuesta se evaluó con base en el análisis de las características operativas del receptor (ROC). Según los resultados, la sensibilidad, la especificidad y la precisión en la detección de tumores fue de 0,96, 1 y 0,98 % respectivamente, con un F-measure promedio de 0,99 %. Se utilizaron reportes de radiología para efectos de comparación. La técnica propuesta para detectar tumores óseos del pie mediane CT puede ayudar a los radiólogos dada su alta precisión, sensibilidad, especificidad y F-measure. Este método puede mejorar el diagnóstico de tumores de pie y tobillo al permitir la cuantificación multidireccional de anomalías.

Mask Detection and Categorization during the COVID-19 Pandemic Using Deep Convolutional Neural Network

ABSTRACT With COVID-19 spreading all over the world and restricting our daily lives, the use of face masks has become very important, as it is an efficient way of slowing down the spread of the virus and an important piece to continue our daily tasks until vaccination is completed. People have been fighting this disease for a long time, and they are bored with the precautions, so they act carelessly. In this case, automatic detection systems are very important to keep the situation under control. In this research, deep learning models are trained with as little input data as possible in order to obtain an accurate face mask-wearing condition classification. These classes are mask-correct, mask wrong, and no mask, which refers to proper face mask use, improper face mask use, and no mask use, respectively. DenseNets, EfficientNets, InceptionResNetV2, InceptionV3, MobileNets, NasNets, ResNets, VGG16, VGG19, and Xception are the networks used in this study. The highest accuracy was obtained by the InceptionResNetV2 and Xception networks, with 99,6%. When other performance parameters are taken into consideration, the Xception network is a step forward. VGG16 and VGG19 also show an accuracy rate over 99%, with 99,1 and 99,4%, respectively. These two networks also had higher FPS and the two lowest initialization times during implementation. A comparison with recent studies was also carried out to evaluate the obtained accuracy. It was found that a higher accuracy can be obtained with the possible minimum input size.

RESUMEN Con el COVID-19 extendiendose por todo el mundo y restringiendo nuestra vida diaria, el uso de mascarillas se ha vuelto muy importante, pues es una forma eficiente de frenar la propagación del virus, y una pieza importante para continuar con nuestras tareas diarias hasta que se complete la vacunacion. La gente ha estado luchando contra la enfermedad durante mucho tiempo y se aburre con las precauciones, por lo que actóa con descuido. En este caso, los sistemas de deteccion automatica son muy importantes para mantener la situacion bajo control. En esta investigacion se entrenan modelos de aprendizaje profundo con el mínimo de datos de entrada posibles para obtener una clasificacion precisa de las condiciones de uso de las mascarillas. Estas clases son maskcorrect, maskwrong y nomask, que se refieren al uso adecuado, a un uso inadecuado y al no uso de la mascarilla facial, respectivamente. DenseNets, EfficientNets, InceptionResNetV2, InceptionV3, MobileNets, NasNets, ResNets, VGG16, VGG19 y Xception son las redes utilizadas en este estudio. La mayor precision la obtuvieron las redes InceptionResNetV2 y Xception, con un 99,6 %. Cuando se tienen en cuenta otros parámetros de rendimiento, la red Xception un paso adelante. VGG16 y VGG19 presentan una tasa de precision superior al 99 %, con 99,1 y 99,4 % respectivamente. Estas dos redes tambien presentaron FPS mas altos y los dos tiempos de inicializacion mas bajos en la implementacion. Tambien se realizo una comparacion con estudios recientes para evaluar la precision obtenida. Se encontró que se puede obtener una mayor precision con el mínimo tamano de entrada posible.

A Gender Gap Analysis on Academic Performance in Engineering Students on Admission and Exit Standardized Tests

ABSTRACT This paper describes a gender-based research work on academic performance in engineering students. This study is based on the results of 9 469 students from Universidad Nacional de Colombia in the college's Admission and exit standard tests (the latter known as Saber Pro Tests). Tools such as descriptive statistics, regression analysis, and data mining are used to estimate both gaps and leaps in scores per gender. These tools are not only used to estimate said gaps, but also to determine whether these gaps are broadened or closed throughout the university education process. The results show that there are still gender gaps in favor of men in the area of mathematics, even in STEM programs. On the contrary, a gap in favor of women is noted in the area of writing, although a decline is also observed in reading comprehension skills for both genders. On the other hand, in terms of the global scores, women improve more than men as a result of their undergraduate experience. Finally, purely disciplinary competencies exhibit a notorious gender gap in favor of men, which should lead to future reforms in this type of programs.

RESUMEN Este artículo describe una investigación sobre brechas de genero en el desempeño académico de los estudiantes en programas de ingeniería. El estudio esta basado en los resultados de 9 469 estudiantes de la Universidad Nacional de Colombia en las pruebas de admisión y egreso (estas ultimas conocidas como pruebas Saber Pro). Se utilizan herramientas como la estadística descriptiva, el análisis de regresión y la minería de datos para estimar tanto brechas como saltos de puntaje por genero, las cuales se utilizan no solo para estimar tales brechas, sino para determinar si las mismas han sido ampliadas o cerradas a lo largo del proceso deformación universitaria. Los resultados muestran que aun persisten brechas de genero en favor de los hombres en el area de matemáticas, incluso en programas STEM. Por el contrario, es notoria una brecha en favor de las mujeres en el area de escritura, aunque también se observa un deterioro en las habilidades de comprensión de lectura para ambos géneros. Por otra parte, en términos de puntajes globales, las mujeres mejoran mas que los hombres como resultado de la experiencia del pregrado. Finalmente, las competencias puramente disciplinares exhiben una notoria brecha de genero en favor de los hombres, lo que debe llevar a futuras reformas en este tipo de cursos.

Adapting to Remote Learning during COVID-19: An Engineering Education Approach

ABSTRACT With a focus on the problems faced by the education sector, this article shows the main technological tools used by teachers for remote teaching in an engineering education program during the first year of the COVID-19 pandemic. Through a case study in a Latin American university positioned in the QS World University Ranking, the tools most frequently used for communication, storing information, messaging, and sharing learning videos are described. This study examines engineering's areas of knowledge, considering that learning them poses a challenge for teaching in virtual environments due to the need to carry out laboratory practices. Using statistical methods, the relationships between the areas of the education program, the teachers' sociodemographic variables, and the technological tools used to offer online classes during the lockdown are described. The results show that, from the perspective of the teacher and for the field of engineering, the tools with the most significant effect, in sometimes essential for teaching during the pandemic, were those related to the Google platforms, which were used in 75% of the cases for video communication and storage. Meanwhile, with 44 and 56% WhatsApp and Moodle, were the most used for messaging and sharing contents and learning materials.

RESUMEN Con énfasis en las problemáticas que enfrentó el sector educativo, en este artículo se muestran las principales herramientas tecnológicas utilizadas por los docentes para la enseñanza remota en un programa educativo de ingeniería durante el primer año de la pandemia del COVID-19. A través de un caso de estudio en una universidad latinoamericana posicionada en el QS World University Ranking, se describen las herramientas que se utilizaron con mayor frecuencia para la comunicación, el almacenamiento de información, la mensajería y el envío de materiales de aprendizaje y videos. Este estudio examina las áreas de conocimiento de la ingeniería, considerando que el aprendizaje de estas representa un reto para la enseñanza en entornos virtuales debido a la necesidad de realizar prácticas de laboratorio. Utilizando métodos estadísticos, se describen las relaciones entre las áreas del programa educativo, las variables sociodemográficas del docente y las herramientas tecnológicas utilizadas para dar clases en línea durante el confinamiento. Los resultados muestran que, desde la perspectiva del docente y para el campo de la ingeniería, las herramientas con el efecto más significativo y que incluso resultan esenciales para la enseñanza en pandemia fueron aquellas relacionadas con las plataformas de Google, siendo utilizadas en un 75 % de los casos para la comunicación y el almacenamiento. Entretanto, con 44 y 56 %, WhatsApp y Moodle fueron las de mayor uso para enviar mensajes y compartir contenido y materiales de aprendizaje.

A Hybrid-Flipped Classroom Approach: Students' Perception and Performance Assessment

ABSTRACT This study presents an improved hybrid-flipped classroom (hybrid-FC) education method based on technology-enhanced learning (TEL) along with diluted classes for a course on probability and random processes in engineering. The proposed system was implemented with the participation of two student groups who alternated weekly between attending face-to-face activities and fully online classes as a sanitary measure during the pandemic. The education model was combined with the flipped classroom (FC) approach in order to improve the quality of learning and address the negative effects of remote education. Before the lessons, the students studied the course material, filled a question form, and then took a low-stake online quiz. Then, the students attended a session where the questions reported in the forms were discussed, and they took an online problemsolving session followed by an individual quiz. Class sessions were available to both online and face-to-face students, as well as in the form of video recordings for anyone who missed lessons. Qualitatively and quantitatively, the proposed education method proved to be more effective and comprehensive than conventional online methodologies. The students' performances were evaluated via quizzes and exams measuring the achievement of the course learning outcomes (CLOs). Weekly pre/post-tests were applied to examine the students' progress in each topic. Midterm and final exams were planned to measure the level of success for all course topics. Additionally, the students' perception was assessed with questionnaires and face-to-face interviews. A performance assessment showed an apparent increase in the success rate, and the students' perception was found to be positive.

RESUMEN Este estudio presenta un método educativo mejorado de aula invertida híbrida (hybrid-FC) basado en el aprendizaje mejorado por tecnología (TEL) junto con clases diluidas para un curso sobre probabilidad y procesos aleatorios. El sistema propuesto se implementò con la participación de dos grupos de estudiantes que alternaban semanalmente entre asistir a actividades presenciales y totalmente en línea como una medida sanitaria durante la pandemia. El modelo educativo se combinó con el enfoque de aula invertida (FC) para mejorar la calidad del aprendizaje y hacer frente a los efectos negativos de la educación a distancia. Antes de asistir a clase, los estudiantes estudiaban el material del curso, completaban un formulario de preguntas y luego tomaban un quiz en línea de bajo impacto. Luego, los estudiantes asistían a una sesión en la que se discutían las respuestas en los formularios, y tomaban una sesión en línea de resolución de problemas, seguida de un cuestionario individual. Las clases estaban disponibles tanto para los estudiantes en línea como para aquellos que asistían de forma presencial; también había grabaciones de video para quien faltara a clases. Cualitativa y cuantitativamente, el método educativo propuesto demostró ser más efectivo y completo que los métodos online convencionales. El desempeño de los estudiantes se evaluó mediante cuestionarios y exámenes que medían el logro de los resultados de aprendizaje del curso (CLO). Se realizaron exámenes previos y posteriores semanales para examinar el progreso de los estudiantes en cada tema. Se planificaron exámenes parciales y finales para medir el nivel de éxito de todos los temas del curso. Además, la percepción de los estudiantes se evaluó con cuestionarios y entrevistas presenciales. La evaluación del desempeño mostró un aumento aparente en la tasa de éxito, y se encontró que la opinión de los estudiantes era positiva.