Correo: erojas@una.cr

Resumen de Propuesta Doctoral.

Los sistemas de computación de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés) cada día son más relevantes por su aplicación científica ya que incrementa la velocidad de procesamiento de grandes cantidades de datos provenientes de simulaciones y experimentos. Desde modelos del cambio climático, hasta análisis de secuencias genéticas, muchos dominios científicos dependen de HPC es debido a los millones de núcleos de procesamiento que los componen. Sin embargo, los sistemas HPC están basados en múltiples y complejas arquitecturas paralelas, lo que los hace propensos a fallos que en la mayoría de los casos detienen la ejecución de las simulaciones. Es fundamental, entonces, entender como fallan los sistemas HPC y crear aplicaciones resilientes a fallos.

Basado en lo anterior y tomando en cuenta como base el análisis de fallos y el paralelismo en sistemas HPC, la propuesta aporta a nivel científico los siguientes elementos i) el análisis estadístico de bitácoras de fallos en sistemas HPC, ii) la paralelización de un algoritmo preexistente para la simulación de un código científico, iii) una plataforma resiliente para el sistema HPC y por ultimo iv) la divulgación mediante repositorios en línea de todos los desarrollos y resultados de experimentos con el objetivo de que la comunidad general y científica relacionada con HPC pueda conocer los aportes.

Los aportes científicos mencionados anteriormente son resultado de la investigación y experimentación que se genera durante el proceso doctoral, en el cual se realiza el desarrollo de varios productos ingenieriles como: i) un programa automatizado para la extracción de descriptores de bitácoras de fallos, ii) un programa computacional paralelo para la ejecución de una simulación, iii) un programa paralelo y resiliente para la ejecución de una simulación y iv) la construcción de repositorios para compartir desarrollos, resultados y hallazgos.

La propuesta engloba la investigación y desarrollo de elementos relevantes (análisis de fallos, paralelismo, resiliencia) en los sistemas HPC, lo que implica que los resultados, experimentos, desarrollos y hallazgos producto del proceso doctoral tiene un alto potencial de impactar de manera positiva a la comunidad HPC mundial. Además, no se deja de lado el impacto a nivel local ya que los aportes a nivel científico y los productos desarrollados pueden ser implementados por organizaciones nacionales como plataformas para la ejecución de sus experimentos y simulaciones.

Por último, es necesario mencionar que la propuesta tiene un componente fuerte de innovación, al proponer investigación en un área de la computación (HPC) que en la actualidad no es desarrollada de manera enérgica en el país y que a nivel mundial todavía requiere de mucha investigación con el objetivo de mejorar las tecnologías de software y hardware actuales relacionados con los sistemas HPC.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Correo: jnavas@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

El desarrollo y mantenimiento de grandes sistemas es realizado con frecuencia por extensos equipos de programadores que pueden estar divididos en subgrupos, los cuales pueden estar ubicados en diferentes países y localidades. Las tareas que realiza cada programador deben integrarse de forma satisfactoria con las que llevan a cabo los demás programadores para contribuir con el conjunto del sistema.

Esas tareas con frecuencia involucran, además de escribir código, comprender y modificar miles de artefactos, variables y millones de líneas de código, entender las relaciones e interacciones entre los elementos que los componen y los diferentes niveles de atracción.

En síntesis, el desarrollo y mantenimiento de software producen grandes volúmenes de información que se enmarcan en el contexto de Big Data.

La investigación abarcará aspectos avanzados de ingeniería de software y análisis de datos, y se enfocará en el diseño de métodos de minería de repositorios de software para apoyar la evolución de los sistemas.

Como consecuencia, el objetivo de esta investigación es diseñar una metodología de minería de repositorios de software usando métricas de complejidad, mantenibilidad y verificabilidad para caracterizar la calidad del diseño de los sistemas durante su evolución.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Metodología de análisis multi-sensor con Sistemas Aéreos no Tripulados (UAS) para aplicaciones agrícolas y forestales.

Correo:   sarriola@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

La agricultura en Costa Rica ha sido históricamente una de las principales actividades económicas tanto para el consumo local como para la exposición. De forma conexa, actividades forestales también han ganado interés como actividades productivas y de conservación asociadas con la neutralidad de carbono. A parte de ingresos económicos y divisas al país, las actividades agrícolas y forestales se asocian con seguridad alimentaria y protección del medio ambiente, respectivamente, generan fuentes de empleo que garantizan una estabilidad laboral y social a diversos sectores.

Como consecuencia de malas prácticas agrícolas, deforestación excesiva, en combinación con el cambio climático y otras actividades humanas, se hace muchas veces un uso ineficiente de los recursos naturales, el suelo y las plantaciones.

Por esto, la intercesión de tecnología en actividades agrícolas y forestales han ganado interés en años recientes, debido a que se logra aumentar, las cuales tienen un impacto mucho menor en el medio ambiente. No obstante, este paradigma tecnológico ha generado también desigualdad entre los sectores productivos debido a que grandes productores tienen un mejor acceso a estas tecnologías en comparación con pequeños y medianos productores que tienen una solvencia económica limitada.

En este contexto, los acercamientos con sensores remotos y sistemas aéreos no tripulados par ale monitoreo de zonas productivas permiten alcanzar una mejor cobertura, altas resoluciones temporales y espaciales, y son mínimamente invasivos, es decir, tienen poca interferencia con la producción.

Con la intensión de colaborar con la inserción de tecnología en actividades productivas agrícolas y forestales en Costa Rica, este trabajo doctoral propone el desarrollo de una metodología con múltiples sensores remoto, capaz de contribuir a mejorar y reducir el impacto ambiental en aplicaciones agrícolas y forestales. El enfoque multi-sensor se refiere a la utilización de diversos medios de recopilación de información como cámaras y escáneres (RGB+multi-espectral+LiDAR) a bordo de sistemas aéreos no tripulados (UAS).

La incorporación tecnológica utilizando un enfoque multi-sensor permitiría, entre otros, el desarrollo de aplicaciones para la cuantificación de biomasa, análisis de suelos, análisis de la calidad de plantas/árboles químico y vigor en plantaciones. La metodología por desarrollarse está concebida a partir de la integración de un sistema UAS multi-sensor de escala media, la sistematización metodológica para la recolección de información de todos los sensores y manejo de la información para la conformación de productos fotométricos de alta resolución. Por último, se propone una validación en campo con aplicaciones reales, con el objetivo de generar recomendaciones para mejorar la productividad.

La solución además busca lograr lo antes mencionado a un costo económico razonable, para que el conocimiento generado esté al alcance tanto de grandes como pequeños productores.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Desarrollo de un biomaterial compuesto por una aleación nanoestructurada de titanio y un recubrimiento biofuncionalizado para aplicación en dispositivos médicos implantables

Se ha demostrado mejoras sustanciales tanto en las propiedades mecánicas, como en la tasa de adhesión de tejidos y la respuesta biológica de los materiales metálicos nanoestructurados por medio de procesos de Deformación Plástica Severa (SPD, por sus siglas en inglés), lo cual presenta un gran potencial para su aplicación en dispositivos médicos implantables.

Es por esta razón que en el presente proyecto de doctorado se plantea una estrategia novedosa en la que se va a combinar la Deformación Plástica Severa de aleaciones biomédicas de titanio, con diversos recubrimientos compuestos por materiales cerámicos, biopolímeros; y posteriormente se estudiarán propiedades de biocompatibilidad de los mismos, en cultivos in vitro.

Las mejoras en propiedades al nanoestructurar el material, permiten la eliminación de elementos tóxicos utilizados actualmente en aleaciones comerciales de titanio, tales como el vanadio. Además, se espera probar otras aleaciones utilizando elementos vitales como hierro y niobio.

Adicionalmente, se ha comprobado que al modificar la superficie inerte del metal con la deposición de recubrimientos que incorporan elementos osteoconductores y osteo-generadores se mejora la integración con los tejidos; y que el uso de biomoléculas como factores de crecimiento, antibióticos, analgésicos, etc. Ha abierto una nueva gama de posibilidades generando recubrimientos que emulan señales y estructuras similares a las del cuerpo.

De esta manera en este proyecto se pretende producir un biomaterial compuesto por una aleación de titanio nanoestructurada y un recubrimiento biofuncionalizado para su posible aplicación en la industria biomédica.

Estas actividades se llevarán a cabo en el Centro de Investigación y Extensión en Materiales (CIEMTEC) principalmente. El material será evaluado por ensayos in vitro en colaboración con el Centro de Investigación en Biotecnología.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingenieria TEC-UCR.

Correo: fmezacr@gmail.com 

Resumen de Propuesta Doctoral

En este trabajo se investiga la aplicación de diversos mecanismos de aprendizaje automático, para estimar una serie de parámetros necesarios en el estudio de las condiciones del medio interplanetario en los alrededores de la tierra y llevar a cabo predicciones del clima espacial. Primeramente, se desarrollará una etapa de pre-procesado para construir una base de datos completa de los parámetros asociados a los pares de eventos CME-ICME, dicha base de datos será utilizada como parámetros de entrada en el sistema de aprendizaje automático encargado de llevar a cabo las predicciones, entre tales parámetros se encuentra el tiempo de tránsito de las CMEs desde que su origen es observado en el disco solar hasta su detección en la tierra como un ICME.

Durante el tránsito de las CMEs en el medio interplanetario, estos pueden interactuar con otros que fueron eyectados cerca, temporal y espacialmente, uno del otro. Debido a este fenómeno, los resultados de las predicciones del tiempo de tránsito de las CMEs dirigidas a la tierra, podrían verse influenciados. Es por esta razón que adicionalmente se desarrollará un modelo de interacción basado también en técnicas de aprendizaje automático, en el cual se espera determinar la posible interacción entre dos o más CMEs.

Dicho modelo incorporado como parámetro de entrada en la predicción, podría minimizar el error en el tiempo de tránsito predicho para las CMEs dirigidas hacia la tierra.

La velocidad de propagación de las CMEs no sólo es un importante parámetro de entrada en el sistema de predicción, sino que también es estimada a partir de la emisión en rayos X suaves (SXR) y microondas a 9 GHz asociados a su origen, por lo anterior, el sistema completo será incorporado al Radio Telescopio Solar (RT-SAC) ubicado en el recinto de Santa Cruz de la Universidad de Costa Rica para el desarrollo de predicciones del clima espacial en tiempo real.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Correo: arce@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

Tradicionalmente, las tareas de interacción persona-computadora en analítica visual se han basado en dispositivos computacionales convencionales equipados con un teclado y un monitor. Como consecuencia, el proceso de análisis presenta dificultades durante la interacción aplicada al descubrimiento de similitudes y diferencias, así como al establecimiento de relaciones en los datos que generan conocimiento, en donde además se debe tener en consideración que el proceso de toma de decisiones con frecuencia se lleva a cabo mediante la colaboración entre dos o más personas. Es por esto que la analítica visual se puede beneficiar con el uso de los entornos de múltiples dispositivos (MDE por sus siglas en inglés) para superar los problemas de interacción en el análisis y visualización de datos y facilitar la realización de tareas de análisis de forma colaborativa mediante un ambiente de computación omnipresente (ubicuo) que conste de más de un dispositivo conectado, en los cuales la interacción abarca múltiples componentes de entrada/salida y puede ser realizada por varios usuarios simultáneamente.

El problema de investigación que esta propuesta aborda consiste en diseñar y validar una metodología de analítica visual para facilitar el análisis colaborativo con un enfoque distribuido geográficamente y basado en el uso de múltiples dispositivos (MDE). Nuestra intención es apoyar a los usuarios que cuentan con conocimientos especializados para que puedan recolectar, y visualizar, analizar y compartir datos e ideas en un ambiente colaborativo que les facilite la toma informada de decisiones.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Reconfiguración del arreglo de paneles solares para optimizar la extracción de potencia considerando los eventos de fallo.

Correo: lmurillo@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

En la presente propuesta se plantea investigar arquitecturas de conmutación de paneles y sus algoritmos de control, así como los algoritmos de detección y diagnóstico de fallos en paneles solares, con la finalidad de diseñar, desarrollar e implementar un sistema que reconfigure el arreglo de paneles solares con el propósito de mantener alta la eficiencia del sistema o detecte y reacomode paneles específicos que sufren fallos.

El sistema de reconfiguración debe operar en línea, en tiempo real y no ser invasivo de tal forma que se pueda conectar en paralelo con equipos comerciales existentes.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Diseño, caracterización y evaluación de biopartículas de quitosano-oligogalacturónidos con potencial de inducción innata en plantas.

Correo: rchachon@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

La producción agrícola actual enfrenta importantes retos ambientales y económicos, como la aparición de nuevas plagas y enfermedades, el calentamiento global, la escasez del agua, la contaminación de suelos, agua y ambiente, que inciden drásticamente en las condiciones óptimas de los cultivos.

En la mayoría de los casos, la solución es incrementar la aplicación de insumos agrícolas incluyendo los pesticidas lo que  conlleva a consecuencias negativas a nivel ambiental, económico y en la salud humana. La necesidad de enfrentar de forma eficiente esta problemática ha impulsado el desarrollo de aplicaciones de las tecnologías multidisciplinarias como la bionanotecnología en la producción agrícola, proponiendo soluciones sostenibles a los retos planteados.

Una de las aplicaciones de esta combinación es el desarrollo de partículas inteligentes para el transporte dirigido de sustancias dentro de las plantas, maximizando los resultados esperados y disminuyendo la dosificación.

Este proyecto busca un desarrollo en correspondencia a esta aplicación, controlando el mecanismo de inducción de resistencia en las plantas a través de la estimulación bioquímica celular (elicitación) con partículas diseñadas para este proceso natural. 

Conociendo el mecanismo bioquímico por medio del cual las plantas se preparan y enfrentan el ataque de patógeno, se propone el diseño y síntesis de biopartículas construidas con polímeros estructurales de fotopatógenos generalistas, como el quitosano (QTS) y los oligogalacturónidos (OGAs).

Este proceso se realizará mediante métodos químicos de encapsulamiento y funcionalización de QTS-OGAs por gelación y entrecruzamiento iónico bajo diseños factoriales robustos, con el fin de obtener bioparticulas con potencial elicitor. Los materiales de síntesis y las bioparticulas se caracterizan físico-quimicamente, incluyendo microscopia electrónica de barrido viscosimetría, GPC/ESC, Infrarrojo-FTIR, RAMAN. DSC, TGA y Potencial Zeta.

Además se medirá el efecto bioquímico que las mismas produzcan en plantas modelo de papa, mediante análisis de la expresión genética y la fisiología defensiva de las mismas. Se espera generar una alternativa a la aplicación excesiva de agroquímicos, sintetizando bioparticulas que tengan potencial para contribuir a la producción de cultivos de forma sostenible.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Identificación de especies forestales maderables de Costa Rica en peligro de extinción, mediante técnicas de Visión Artificial

La identificación de especies forestales maderables a partir de una muestra de su madera es un proceso que tradicionalmente requiere de un alto nivel de expertise, especialmente en países con biodiversidad tan rica como Costa Rica. Sin embargo, para la protección de especies maderables amenazadas, es fundamental poner en manos de una población más amplia la posibilidad de identificarlas.

En particular, es muy importante facultar a oficiales del MINAE para que hagan la identificación de manera más eficiente y rápida en pericias legales y otras labores de conservación de la biodiversidad. 
 
El procedimiento que realiza un experto para la identificación de una especie forestal maderable se basa en la observación de ciertas características anatómicas macroscópicas de una muestra. Dicha muestra se obtiene al realizar tres cortes en la madera: transversal, tangencial y radial.

Se ha propuesto diseñar e implementar un algoritmo que realice la identificación del tipo de madera de manera automática y a partir de imágenes digitales de cortes de la muestra. Para esto se usarán técnicas de visión artificial y clasificación que los investigadores han aplicado en otros dominios.

Se espera que el sistema pueda identificar al menos 50 de las 90 especies forestales maderables amenazadas de Costa Rica. Además, con el propósito de aumentar el impacto de esta investigación se propone enriquecer la Xiloteca del TEC con más muestras de especies maderables, una base de datos de imágenes digitales para hacer identificaciones, una aplicación móvil para apoyar la labor de los oficiales del MINAE y la enseñanza de estas destrezas en cursos de dendrología.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingenieria TEC-UCR.

Evaluación de las propiedades físico-químicas y mecánicas del hidróxido férrico durante el proceso de remoción de arsénico mediante coagulación/floculación junto con mecanismos de separación.

Correo: jobando@tec.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

En Costa Rica, se han identificado aguas de consumo humano con concentraciones de arsénico, hierro y manganeso mayores al límite permitido (0,01; 0,3 y 0,5 mg/L, respectivamente). A pesar de que se han hecho grandes esfuerzos por atender esta situación, surge la necesidad de considerar otras opciones de tratamiento de bajo costo. En ese sentido, la técnica de co-precipitación puede ser potencialmente utilizada, no obstante, existe poca información relacionada con la caracterización del precipitado que se forma durante el proceso de remoción de estos contaminantes, por lo que evidentemente, se puede mejorar los criterios de diseño y los parámetros operacionales basados en esta información.

Por ello, basado en la comprensión de las propiedades coloidales del precipitado, el presente proyecto pretende el diseño y evaluación a escala piloto de dos sistemas de co-precipitación utilizando oxidación química y biológica como alternativa de tratamiento para la remoción simultánea de arsénico, hierro y manganeso, la cual se ha llamado “co-precipitación avanzada”. 

Se espera no solo contribuir al conocimiento del comportamiento de las propiedades coloidales del precipitado durante la remoción de este tipo de contaminantes, sino que, mediante el diseño de los sistemas se pretende aportar al país otras opciones de tratamiento para complementar los esfuerzos relacionados con la atención de este tipo de contaminantes en las comunidades afectadas.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingenieria TEC-UCR.