ANEXO 1: ESTUDIO AMPLIO DEL ESTADO DEL ARTE DE LA ... · aplicaciones. Desde entonces las...

MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

Juan de Dios Bátiz No. 310 pte. Col. Guadalupe, C.P. 80220

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Subsecretaría de Educación Superior

Dirección General de Educación Superior Tecnológica Instituto Tecnológico de Culiacán

ANEXO 1: ESTUDIO AMPLIO DEL ESTADO DEL ARTE DE LA DISCIPLINA.

Plan de Estudios de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería

Esta sección muestra el estudio del estado del arte de las disciplinas que conformarán las líneas de investigación de la maestría en ciencias en ingeniería propuesta por el Instituto Tecnológico de Culiacán. El estudio describe los conocimientos de frontera –actualmente pertinentes– en donde investigadores de nivel nacional e internacional han contribuido recientemente. El estado del arte de las líneas de investigación propuestas. Estado del Arte de Mecatrónica y Control La definición del concepto de Mecatrónica –por su ambigüedad– ha sido motivo de debate alrededor del mundo, esto ha propiciado adoptar dicho concepto con diferentes acepciones. Sin embargo, la historia acerca de esta innovadora palabra se remonta a los años setentas y es muy

concreta. El inventor del término Mecatrónica fue Tetsuro Mori quien trabajaba para la empresa Yaskawa (Brown 2008). La palabra Mecatrónica fue en realidad una marca comercial que Yaskawa registró para describir algunos de sus productos. Sin embargo, de acuerdo a (Krishnan 2010) a lo largo del tiempo una incorrecta interpretación del término ha descrito a Mecatrónica como la unificación de varias ingenierías (ej. Ingeniería mecánica y electrónica). Al terminar la vigencia de los derechos de autor sobre el concepto Mecatrónica, su definición diverge en varias direcciones. Desde entonces, el concepto de Mecatrónica se ha expandido en el mundo como un concepto interdisciplinario que relaciona a la ingeniería mecánica, electrónica, control, y la informática –que de forma general– se combinan de manera sinérgica para producir máquinas complejas. Por otra parte, en países como Alemania, Reino Unido, y otros de Europa, la Mecatrónica tiene un enfoque centrado en la automatización, esto deja una línea muy delgada entre los dos conceptos. Por otro lado, en países asiáticos, el concepto se centraliza en la idealización de una máquina Mecatrónica como la copia mecánica de un ser humano que pretende tener cierto nivel de inteligencia. En el caso de los países latinoamericanos, el concepto es más nuevo y se adoptó como una ingeniería integradora que permite capacitar ingenieros en varias disciplinas, de tal forma que puedan brindar un servicio más integral en comparación de un especialista. Estos países de Latinoamérica, al tener escasa producción tecnológica no pueden concebir a la Mecatrónica como una disciplina de diseño que impacte en el beneficio de la sociedad. Sin embargo, en el contexto nacional diversos esfuerzos de centros de investigación, instituciones de nivel superior y empresas empiezan a contribuir en el desarrollo de sistemas mecatrónicos a través de posgrados que cultivan esta área.

En relación a los sistemas de control y la construcción de máquinas basadas en principios de regulación – comúnmente conocido como control automático (Franklin, Powell et al. 1993) – tiene una larga historia. Sin embargo, los desarrollos de estos sistemas en los

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inicios de la revolución industrial fueron basados en conocimientos más empíricos que teóricos. Por ejemplo, el trabajo de James Watt en el sistema de control de flujo de vapor basado en fuerza centrífuga fue terminado en 1760 (Bishop 2006) (considerado por diferentes autores la primera máquina de autorregulación de la era moderna), sin embargo, no existió análisis matemático de la dinámica del funcionamiento de la máquina sino hasta casi un siglo después por J. C. Maxwell. La falta de análisis impedía conocer los mecanismos para mejorar el desempeño de la máquina, con el modelo de Maxwell diversas mejoras pudieron sugerirse y la eficiencia mejoró sustancialmente. Desde entonces el estudio de los sistemas de control basados en modelos matemáticos ha sido pilar de la educación en esta área del conocimiento. La física y las matemáticas son las herramientas que acompañan el diseño curricular de universidades y centros de capacitación para los temas de control automático. La Mecatrónica y el control convergen en los mismos años 70s cuando las computadoras de propósito específico (sistemas embebidos) fueron opciones rentables para muchas aplicaciones. Desde entonces las aplicaciones se han extendido a un nivel exponencial, de hecho el 98% de las computadoras digitales en el mundo son usados en sistemas embebidos (Gaetano and Roy 2000) y existen en promedio 3 de estas computadoras por cada ser humano (WSTS 2005). La complejidad y rápido crecimiento del hardware de los ECS crece basado en la predicción propuesta por Gordon Moore en 1979 (las computadoras duplicaran su desempeño cada 2 años aproximadamente) (Moore 1981), sin embargo, el software desarrollado para las computadoras embebidas ha quedado rezagado y no ha alcanzado el nivel de complejidad para ser usado eficientemente con el hardware existente (Napper 1998). Esta situación genera un área de investigación actualmente activa para desarrollar software eficiente y confiable en sistemas mecatrónicos, los cuales emplean estas computadoras embebidas. Adicionalmente los algoritmos de control que –por los actuales estándares de desempeño en los sistemas mecatrónicos– requieren de diversos esquemas no triviales de control. Dentro de este tipo de esquemas de control no triviales se destacan los de tipo robusto, por ejemplo: para sistemas multivariables el control óptimo (LQR), el basado en control de estructura variable y el control H-infinito. Estado del Arte de Biotecnología

Aunque el término biotecnología se empezó a utilizar a principios de la década de los sesenta, para describir una serie de procesos de naturaleza biológica caracterizados en base a los aspectos bioquímicos y microbiológicos involucrados (García-Garibay et al., 2000); las primeras manifestaciones documentadas de manejo biotecnológico se remontan a los años 8000 A. C. a partir del descubrimiento fortuito del proceso de fermentación por la civilización egipcia, al producir alimentos como el vino y el queso

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(Morones-Ramírez, J. R., 2009). De la misma manera, bebidas alcohólicas como el pulque y el pozol, obtenidas de la fermentación de jugo de agave y del maíz respectivamente, han sido consumidas en México desde tiempos prehispánicos (Possani, L. D., 2003). Sin embargo, no fue hasta la Segunda Guerra Mundial que, en Alemania, se estudió y controló el proceso de fermentación a gran escala para la producción de cerveza. El cual tuvo un gran impacto en la medicina al usarse para producir masivamente la penicilina (Morones-Ramírez, J. R., 2009). Los años 1953 y 1973 fueron claves para la biotecnología, primero: Watson y Crick caracterizaron la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), molécula que contiene la información codificada capaz de producir un ser vivo; y veinte años después, Cohen y Boyer inventaron la técnica del ADN recombinante, que permite intercambiar fragmentos de ADN entre distintos organismos (Morones-Ramírez, J. R., 2009). De acuerdo con lo anterior, los especialistas consideran que hay tres generaciones en biotecnología; la primera corresponde a la biotecnología tradicional de fermentaciones y se refiere a la obtención de productos mediante cultivos fermentativos, producción de alimentos y bebidas que incluyen procesos fermentativos, masas de panificación, bebidas alcohólicas fermentadas como vino y cerveza, o las fermentaciones que preceden de la destilación como la del ron o el brandy o los derivados lácteos como los quesos y el yogur. La biotecnología de segunda generación comenzó con las fermentaciones industriales asociadas a la producción de compuestos utilizados en alimentación, farmacia y procesamiento de materiales. En esta generación se ubican las tecnologías microbianas que sirvieron y aún sirven para la obtención de antibióticos, aminoácidos, enzimas y ácidos orgánicos, alcoholes y solventes de uso en las industrias química, farmacéutica y de alimentos. La tercera generación, aún en curso, proviene del manejo de genes, es decir por la tecnología del DNA recombinante, la llamada Ingeniería Genética. Se distingue porque no está exclusivamente orientada al uso de microorganismos, sino que incluye también los métodos de propagación vegetativa de plantas y la clonación de células microbianas, vegetales y animales (Trejo-Estrada et al., 2011). De acuerdo con el convenio sobre la diversidad biológica (CDB), una definición actual de biotecnología es: "Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos" (FAO, 2011). La biotecnología constituye una de las tecnologías emergentes con mayor impacto económico en el mundo. Países de muy diversas culturas y diversos niveles de desarrollo socioeconómico, han reconocido e impulsado su crecimiento, tanto en la base académica y de investigación, como en la creación de empresas y bioindustrias. En los países que han consolidado desarrollo económico a partir de la biotecnología, tales como Corea, Canadá o Brasil, se cuenta con asociaciones empresariales específicamente orientadas a la biotecnología como motor tecnológico. Los Estados Unidos cuentan con el mayor número

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de empresas de biotecnología, como principal actividad económica, con 2,196. En segundo lugar se encuentra Japón con 804 empresas y Francia en tercero con 755 empresas; México, muy por debajo de estas potencias, cuenta con al menos 60 empresas (Trejo-Estrada et al., 2011). México, con cerca de 100 millones de habitantes, y con crecimiento previsible de 20 millones más en los próximos 20 años, enfrenta grandes retos para poder proporcionar a sus habitantes servicios y condiciones necesarios para una vida digna. Las demandas por alimentos seguros y nutritivos, medicamentos y servicios de salud modernos, por un medio ambiente no contaminado, por una industria con procesos limpios y productos competitivos y simultáneamente por el cuidado y uso sustentable de nuestra biodiversidad, representan retos extraordinarios para la sociedad mexicana que debemos enfrentar y resolver de manera concertada, inteligente y respetuosa con el medio ambiente. La biotecnología es una de las herramientas más poderosas con las que cuenta México para contender con muchos de estos retos nacionales (Bolívar-Zapata, 2003). La inmensa mayoría de los alimentos que comemos sufren diversas transformaciones biotecnológicas para obtener el producto que llegará al mercado. Los animales y las plantas de los que provienen estos alimentos han sido modificados por el hombre en múltiples aspectos para adecuarlos a las necesidades de producción, para mejorar sus propiedades nutritivas, o para cambiar sus cualidades sensoriales (olor, sabor, forma, color, textura, etc.). Una vez en la industria, muchas de estas materias primas animales o vegetales sufren transformaciones mediante microorganismos como bacterias, hongos o levaduras, los cuales también han sido seleccionados y mejorados previamente buscando unas características apropiadas. Igualmente, es práctica común en la industria alimentaria el empleo de enzimas y otros aditivos en algunas fases de la producción de los alimentos, los cuales, en su mayor parte, han sido producidos industrialmente a partir de microorganismos (SEBIOT, 2003). Algunas bacterias genéticamente modificadas que se producen en el mundo son capaces de producir insulina humana, quimiosina y hormona de crecimiento bovino, así como de degradar el petróleo. Además se han obtenido cultivos que poseen resistencia a insectos, tolerancia a herbicidas, resistencia a virus y con otras características tales como maduración retardada y cambio de color de las flores (CONABIO, 2008). Estado del Arte de Instrumentación y Procesamiento de Señales

En el siglo XIX se desarrollaron sensores para observar y analizar una serie de fenómenos físicos, teniendo un impacto importante en el desarrollo de la instrumentación de la época. Estos desarrollos siguen teniendo un gran impacto en la actualidad, ya que algunos sensores y actuadores conservan los mismos principios básicos de funcionamiento. Entre estos efectos se encuentran el efecto piezoeléctrico, termoeléctrico (termopares), de variación de resistencia (galgas extensiométricos), entre otros. Estos desarrollos

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provocaron que a finales del siglo XIX ya se contara con sensores capaces de medir variables imperceptibles para los seres humanos, como el análisis del espectro electromágnetico en un rango diferente al visible (Manuel, 2001). La instrumentación continuó con un desarrollo acelerado durante el siglo XX; esto debido a dos grandes influencias, el surgimiento y desarrollo de la electrónica y de los sistemas computacionales. Un gran impulso se dio con la aparición de los amplificadores electrónicos alrededor del 1920, como un medio para poder medir una variedad de efectos y variables físicas. El progreso de la ingeniería electrónica hasta la fecha, ha provocado que se puedan detectar y amplificar señales cada vez más débiles y ruidosas en su naturaleza física de variación, al desarrollar los amplificadores de instrumentación y filtros especiales para la eliminación de ruido. En la actualidad, los instrumentos modernos se conciben como una integración de sensores especializados y sistemas digitales que combinan flexibilidad y potencia de cálculo (basados en software y/o hardware). Por lo que, un instrumento construido para una aplicación específica puede estar constituido de una forma simple por un módulo tradicional, o por un sistema complejo constituido por diferentes elementos hardware y/o software. Es por lo anterior, que la acepción que se adopta para instrumentación, es la que se refiere al sensado y procesamiento de la información proveniente de variables físicas, químicas o de conversión de energía, a partir de las cuales se puede realizar el monitoreo de procesos, empleando dispositivos y tecnologías electrónicas. Entonces, se puede afirmar que la instrumentación moderna involucra la adquisición de señales, el procesamiento, el análisis, almacenamiento y distribución de la información relacionada con una o más de las señales de interés. Entre las señales que se pueden procesar se encuentran las provenientes de sensores de temperatura, de PH, de cámaras digitales con sensores CCD o CMOS, entre otras. Algunas aplicaciones de instrumentación actuales originan un gran volumen de información que ha de ser procesado por sistemas electrónicos especiales. Debido a la gran capacidad de cómputo que los sistemas digitales actuales (computadoras, plataformas de desarrollo con FPGAs, DSP, GPUs, entre otros) pueden realizar, estos son excelentes dispositivos para controlar la adquisición y el procesamiento de la información capturada por algún sensor de un proceso físico, y han dado cabida a lo que hoy en día se le conoce como instrumentación virtual. En la instrumentación virtual se utilizan módulos de software que simulan funcionalmente un instrumento real, para esto se utilizan dispositivos físicos accesibles desde una computadora (tarjetas de adquisición, tarjetas DSP, instrumentos físicos con algún periférico de comunicación, etc). Al ejecutar un instrumento virtual (programa de computadora), lo que se visualiza en una pantalla es un panel que corresponde al instrumento real y se agrega la posibilidad de controlarlo.

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De acuerdo a la evolución actual, se puede augurar que los desarrollos que se logren realizar en los campos de la electrónica y el diseño de sistemas digitales avanzados para el procesamiento de señales, producirán el surgimiento de instrumentos más potentes, flexibles y de fácil operación, con lo que tales instrumentos podrían lograr su fácil adopción en diferentes campos de aplicación. - Tendencias en el campo de investigación y desarrollo científico, del diseño e innovación tecnológica y las investigaciones de frontera que se están desarrollando en el mundo en la disciplina correspondiente. Tendencias en el campo de investigación de la Mecatrónica y Control en el contexto de biotecnología.

A nivel internacional hay un amplio desarrollo de la Mecatrónica y Control el campo de investigación y desarrollo tecnológico de sistemas biotecnológicos. Por ejemplo, la universidad de Illinois en Estados Unidos desarrolla investigación aplicada para diseñar y construir robots agricultores. Actualmente, este tipo de robots están diseñados para realizar los trabajos pesados de la labor en campos agrícolas. Están equipados con sensores para detectar plantas enfermas y alertar a otros robots sobre la existencia de plagas peligrosas. Las nuevas generaciones serán capaces de combatir estas plagas con trabajo cooperativo a base de visión satelital y mecanismos avanzados de coordinación y control. El instituto tecnológico de Massachusetts en Estados Unidos destaca ampliamente en varias líneas de investigación en el área de ingeniería y particularmente son famosos los desarrollos en la línea de Mecatrónica y el Control. En el área de agricultura de precisión han desarrollado robots capaces de cuidar y cosechar frutas y hortalizas. Los desarrollos tecnológicos de esta investigación pueden aplicarse a la agricultura orgánica casera. De la misma forma, investigan el comportamiento de los peces y desarrollan robots capaces de imitar el comportamiento de dichos peces. La finalidad de este trabajo de investigación es conocer los mecanismos de propulsión natural con los que los peces cuentan para realizar una máquina artificial con esos principios físicos. De esta forma será posible en el futuro conocer los esquemas de comportamiento de los peces y organizar adecuadamente el proceso de pesca de una variedad mayor de producto del mar. En la universidad de Estocolmo en Suecia, se desarrolla investigación aplicada para la compañía NEWHOLLAND que se posiciona como líder mundial en el desarrollo de tractores avanzados para la agricultura. Por ejemplo robot Holland CR9090, cosechó 551 toneladas de trigo en sólo 8 horas en una granja de Inglaterra en el 2008. El costo del robot fue de £350,000 ($580,000 dólares), la relación costo beneficio de estos sistemas

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los hace altamente rentables y la investigación aplicada derivada de este desarrollo es una tendencia de los países desarrollados. De forma similar en Japón, en la universidad de Hokkaido se desarrollan máquinas para la producción automática de trigo, arroz y soya (Ito 1990) y (Toyama 2009). El proyecto de este sistema robot está enfocado en realizar las siguientes tareas: siembra, aplicación de pesticidas y cosecha. De la misma forma, países como Inglaterra, Italia, Alemania, India y Rusia tienen institutos de investigación cuya reputación y excelencia se reconoce a nivel internacional. Se pueden enunciar un sin fin de investigadores que destacan en el área de teoría de control que contribuyen a hacer realizables estos sistemas mecatrónicos, sin embargo se desea mencionar las características principales que hacen de estos investigadores un recurso humano invaluable. Por ejemplo, se tiene el conocimiento matemático que se ha ido desarrollando en Rusia desde la segunda guerra mundial. Inclusive, muchos de estos investigadores han emigrado a países como México y de ahí se ha empezado un desarrollo de tecnología aplicada para la teoría de control (modos deslizantes, control impulsivo, entre otros). En Francia, inclusive se ha desarrollado software (SCILAB) para la simulación e implementación de este conocimiento. Curiosamente, las relaciones entre Francia y México han crecido a tal grado que investigadores mexicanos han encontrado trabajo en instituciones francesas (Romeo Ortega, Antonio Loría, entre otros). No se puede hablar de desarrollo tecnológico sin nombrar a los países de Alemania e Italia donde la industria automotriz, con sus departamentos de investigación, toma el liderazgo en este campo, y es así como la teoría de control encuentra su aplicación en estos países. Países como Inglaterra e India cuentan con grandes investigadores en la línea de investigación en la que se incursiona. Controladores a prueba de fallos, observadores, así como algoritmos de control, son parte del conocimiento desarrollado por estos investigadores. Por lo que su participación no puede ser ignorada si se quiere crecer en este campo de la investigación. A continuación se citan algunos de las instituciones líderes en el área de Mecatrónica y control que contribuyen –de forma teórica y/o de tecnológica– al desarrollo de esta línea de investigación propuesta. Otras Universidades y centros de investigación de gran reconocimiento por los productos de investigación en esta área propuesta son: la universidad de Texas en Estados Unidos, la universidad de tecnología de Curtin en Bentley, Australia, la universidad e Abertay en Dundee en Escocia, la universidad de Twente en Enschede en Holanda, el politécnico de Torino en Italia, a la universidad de Konstanz en ciencias aplicadas en Alemania, la universidad de Bradford en el Reino Unido, la universidad internacional Islámica de

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Malasia en Kuala Lumpur Malasia, a la universidad de McGill en Canadá, la universidad de Shefield en el Reino Unido, la universidad de tecnología de Kaunas en Lituania, la universidad de Waseda en Japón, la universidad de tecnología de Darmstadt en Alemania, la universidad de Lund en Suecia y la universidad de Carnegie Mellon. Tendencias en el campo de investigación de la instrumentación y procesamiento de Señales en el contexto de biotecnología.

La Instrumentación y el Procesamiento de Señales es un área multidisciplinaria, científica y práctica, que permite generar y aplicar conocimientos a problemas reales del entorno. Estas dos áreas del conocimiento son base de todo proceso de producción moderno e impactan directamente en las áreas de la industria, control automático, robótica, comunicaciones, energías alternativas, uso y calidad de la energía, producción agrícola controlada, entre otras. En esta sección se describen las tendencias actuales de la Instrumentación y el Procesamiento de Señales, dando especial énfasis en el área Biotecnológica. El desarrolló y uso de instrumentos han encontrado gran cabida en la producción de alimentos (agrícolas y animales), y las áreas relacionadas con cuestiones ambientales. La industria del procesamiento y empaquetado de alimentos ha alcanzado varios trillones de dólares, lo que ha dado origen al establecimiento de estándares, principios de procesamiento y empaquetado, métodos, técnicas, interfaces, entre otros aspectos tecnológicos que dejan de manifiesto la importancia de la instrumentación, (Mahalik, 2009) y (Chao et al., 2009). En la acuacultura, instrumentos basados en el estudio de imágenes por resonancia magnética nuclear se han utilizado para investigar de forma no destructiva la morfología y composición interna de moluscos (Pouvreau, 2006); así como el diseño de sistemas de monitoreo acústico remoto para la acuacultura basada en jaulas instaladas mar adentro (Xu y Zhang, 2007). La instrumentación también se utiliza en la gesta y cría de animales terrestres, por ejemplo, Natalee et al. (2010) propusieron el uso de instrumentación materna y fetal en ovejas para medir los efectos de la duración gestacional y el peso de nacimiento. Baker (2003) y Solárová (2008) resumen y describen la problemática del cambio climático global y la importancia de la instrumentación ambiental para reducir sus impactos negativos. Las problemáticas del cambio climático que han afectado a la agricultura en varias zonas de México, entre ellas Sinaloa, enfatizan la importancia de instrumentar el campo y evitar sus efectos indeseados. Existen algunos esfuerzos que ya se están realizando para contrarrestar los efectos climatológicos, por ejemplo en (Mohammed y Tarpley, 2009) se propuso un método para aplicar un tratamiento de calor por medio de un sistema de calentamiento por infrarrojos a plantas en campo abierto o en invernaderos, este basado en la adquisición de datos de temperatura por una computadora remota y la implantación del control vía Internet. Otro ejemplo de

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aplicación de la instrumentación ambiental se muestra en el trabajo presentado por Taylor et al. (2008) donde se propuso un paquete metereológico a instalarse en Phoenix, que incluye múltiples instrumentos para el monitoreo del viento, la presión y la temperatura. En la actualidad la instrumentación se puede llevar a cabo de manera virtual gracias a los grandes avances en el desarrollo de sistemas digitales basados en software y/o hardware. Es por lo anterior, que la instrumentación virtual es una de las tendencias que siguen muchos investigadores. Con el objetivo de mostrar la importancia de la instrumentación virtual, se describen algunos de los trabajos científicos originados en la última década. En (Chang y Bonnet, 2010) se diseñó una red de sensores para medir la evolución en tiempo y espacio de factores bióticos y abióticos de ecosistemas. Toran (2001) propuso un instrumento virtual para monitorear la calidad del agua a través de Internet. Algunos instrumentos virtuales se han propuesto para el monitoreo de termitas, entre estos se encuentran los basados en estadísticas de alto orden (Gonzáles et al., 2008a), y los basados en detectores acústicos y en el análisis espectral (González et al., 2008b). Liu et al. (2007) desarrolló un birreactor de fermentación de estado sólido basado en un sistema de control y medición bajo el concepto de Instrumentación Virtual. Todo instrumento virtual trata con la adquisición y el procesamiento de señales, ya sea en el dominio temporal o el espectral. Es por esto que en (Orovic et al., 2011) se propuso un instrumento virtual para el análisis tiempo-frecuencia de señales con frecuencias instantáneas altamente no estacionarias. El surgimiento de plataformas de desarrollo hardware y software, como LabVIEW, para la instrumentación virtual, han dado un impulso en los últimos años a los trabajos científicos y desarrollos tecnológicos en el campo de la medición electrónica y el control automático, (Zhang et al., 2011). Los sistemas basados en LabVIEW pueden servir para implementar instrumentos virtuales (osciloscopios, generadores de señales, analizadores de espectro, entre otros), con los que se puede interactuar tanto cualitativa (gráfica) y cuantitativamente (numéricamente) a través de Internet, (Kostic, 2000) y (Sandu et al., 2008). Lo anterior ha convertido a LabVIEW en una de las plataformas preferidas para realizar instrumentación virtual en el monitoreo de variables ambientales como la temperatura y presión del aíre (Wang et al., 2007). La acepción adoptada para instrumentación es la que se refiere al sensado y procesamiento de señales provenientes de alguna variable física de interés (Manuel, 2001). Si bien el procesado de las señales se puede realizar por medio de algún sistema digital hardware y/o software, la adquisición de las señales físicas se tiene que realiza por medio de un sensor. En los últimos años se han desarrollado una variedad de sensores para la adquisición de señales biotecnológicas. En (Delwiche, 2008) se propuso la inspección bicromática a alta

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velocidad de grano de trigo para la remoción de granos dañados usando dos diodos emisores de luz (LEDs) pulsados de alta potencia y un fotodiodo como sensor. En (Amador, 2009) se reportó un análisis del seguimiento de la temperatura en la cadena de suministro de piña utilizando tecnología RFID (Radio Frequency Identification). Algunos esfuerzos se han realizado para detectar y medir las características espectroscópicas vibracionales de la Melanina, el Acido Cianúrico y el Cianurato Melanímico en soluciones acuosas como la leche, mediante la espectroscopía de Raman de superficies mejoradas, (He et al., 2008) y (Liu et al., 2009). También, se han utilizado biosensores magnetoelásticos para detectar Salmonella Typhimurium (Lakshmanan et al., 2008). La detección de patógenos en la comida también se ha logrado utilizando pruebas de inmunidad mediante microesferas magnéticas multiplexadas, (Kim et al., 2010). La utilización de biosensores trae consigo el reto tecnológico de diseñar transductores eléctricos para la adquisición de las señales de interés. Esto fue realizado por Campanella et al. (2009) describiendo una prueba de evaluación de la calidad y seguridad de alimentos basados en cuatro biosensores amperométricos conteniendo electrodos como traductores. Algunos estudios en las propiedades eléctricas del pan de trigo se han realizado para detectar el contenido de humedad durante su almacenamiento, resultando un instrumento basado en la espectroscopía de impedancia eléctrica ( Bhatt y Nagaraju, 2010). Alternativas no destructivas para detectar la humedad en nueces basadas en el diseño de sensores dieléctricos fueron propuestas en (Kandala y Butts, 2008) y (Trabelsi et al., 2009). La determinación de la existencia de hierro en el alimento de peces y/o en su excremento fue realizado por (Saleh et al., 2008) utilizando ultrasonido para la extracción de información y subsecuentemente una cuantificación con la técnica de espectrometría de absorción atómica de flama. En (Haff y Toyofuku, 2008) se describe el estado actual de la ciencia, la técnica y la tecnología que hace posible que un sistema basado en sensores de rayos X pueda desarrollarse para revelar contaminantes o defectos escondidos en los productos alimenticios. El desarrollo de un método no destructivo para evaluar la calidad de los ostiones, por medio de una nariz electrónica, se propuso en (Hu et al., 2008). Ding et al. (2009) propusieron la aplicación de tecnología de microondas para identificar especies y cantidades de insectos, utilizando un nuevo método de medición que requiere un sensor, un dispositivo de campo eléctrico en el rango de frecuencias de 0.3-1200 MHz y técnicas de redes neuronales. En la actualidad, se han desarrollado algunos instrumentos que utilizan como sensor una cámara de video. Por ejemplo Lawrence et al. (2008) propusieron un sistema basado en la captura y procesamiento de imágenes para detectar rupturas en las cáscaras de huevos. Así como los últimos dos trabajos descritos, una gran variedad de sensores utilizados en la instrumentación biotecnológica originan grandes volúmenes de datos que tienen que ser procesados para extraer la información de interés.

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Muchos de los instrumentos actuales que se utilizan en la biotecnología basan su funcionamiento en el análisis espectral de los datos sensados. De hecho los avances actuales en espectroscopía vuelve posible la obtención de la información sobre componentes químicos y físicos en los alimentos o materiales biológicos a nivel molecular, (Prabal et al., 2009). Existen varias técnicas espectroscópicas que han sido utilizadas para estudiar las relaciones funcional-estructural en alimentos, esto para mejorar la calidad general de los alimentos y sus características sensoriales y de seguridad, (Lu, 2008). En (Lin y Ying, 2009) se describe la espectroscopía de infrarrojo cercano como una técnica no destructiva, rápida y precisa que puede utilizarse en la determinación de la calidad de fruta y en (O’Connor, 2009) como una herramienta para el análisis químico de lípidos. En (Renato et al., 2008) se desarrolló y optimizó un método para determinar la existencia de cobre en muestras de alimento y heces de peces por medio de un tipo de espectroscopía de absorción atómica. La espectrometría también se puede realizar sobre los datos obtenidos por el sensado de imágenes. Varios estudios han demostrado que mediante algún análisis hiperespectral de imágenes se pueden detectar la humedad, el contenido en sólidos solubles, el pH, diferentes tipos de micóticos y/o bacterias, (Gowen et al., 2008), (Xie et al., 2008), (Yao et al., 2008), (Yoon et al., 2010) y (Cui et al., 2009), que pueden estar presentes en alimentos. Un análisis del espectro de reflexión en la región visible y del infrarrojo cercano ha sido utilizado para realizar hiperespectroscopía en imágenes de manzanas con el objetivo de distinguir regiones de su superficie con defectos, (Lee et al., 2008). Un paso adelante lo dieron Kim et al. (2008) al combinar la técnica de reflectancia hiperespectral con la de fluorescencia hiperespectral y lograr montar el sistema dentro de un máquina clasificadora de manzanas. Las técnicas espectrales también se pueden utilizar en el análisis de alimentos de origen animal. Un sistema hiperespectral constituido por una cámara CCD y un espectrógrafo que trabaja en la región visible y del infrarrojo cercano, se ha utilizado para predecir, de forma no destructiva, si un bistec de res esta bien cocido, (Cluff et al., 2008). La detección de contaminantes patógenos dañinos en la carne de res sería útil en la protección de la seguridad del consumidor; con tal objetivo (Amamcharla et al., 2010) propusieron el uso de la espectrometría infrarroja basada en la transformada de Fourier para generar unos modelos estadísticos que pueden ser utilizados para discriminar los paquetes de carne de res con Salmonela. En (Yang et al., 2008), un sistema de visión por máquina, se desarrolló y evaluó para la identificación de pollos enfermos dentro de una línea automatizada; el sistema consiste de una cámara EMCCD usada como espectrógrafo y una computadora como controlador, donde las características espectrales esenciales se seleccionaban de entre las imágenes hiperespectrales obtenidas y la diferenciación de los pollos se llevó a cabo mediante un análisis de imágenes multiespectrales. Como la industria del procesamiento de alimentos se automatiza cada vez más, existe una

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necesidad de entender como los datos espectroscópicos pueden ser utilizados para la automatización. Adicionalmente a la espectroscopía existen otras técnicas que pueden utilizarse para el procesamiento de señales provenientes de sensores aplicados a la biotecnología. Entre estas se puede mencionar el desarrollo de algoritmos para analizar e interpretar las señales obtenidas por sensores del tipo RFID que se utilizan en los contenedores marinos, (Laniel et al., 2009). En la actualidad, una tendencia sobresaliente en el sensado de señales biotecnológicas es el uso de narices opto-electrónicas para detectar contaminantes en los productos alimenticios; las señales provenientes de las narices opto-electrónica tienen que ser procesadas por algoritmos especializados para extraer la información de interés; por ejemplo en (Amamcharla et al., 2010) se utiliza una red neuronal para detectar componentes orgánicos volátiles. El procesamiento, análisis, y desplegado de los datos requeridos por los instrumentos puede ser a veces complejo y muy demandante en tiempo y espacio. En ciertas circunstancias, las alternativas software basadas en una computadora de propósito general puede ser suficiente para implementar un instrumento virtual. Por ejemplo en (Hong y Le-yu, 2008) se propuso un sistema de instrumentación virtual basado en un lenguaje de descripción arquitectural en software implementado en computadoras generales, pero utilizando modelos para el diseño y desarrollo en diferentes niveles de abstracción. Cuando un procesamiento masivo de información se requiere, el uso tarjetas de desarrollo especiales pueden ser preferibles. Las tarjetas de desarrollo pueden basar su funcionamiento en dispositivos de procesamiento secuencial (microprocesadores, entre otros) o en dispositivos de procesamiento paralelo (FPGAs reconfigurables, entre otros). En la actualidad algunos investigadores han propuesto alternativas hardware reconfigurables para aumentar la versatilidad y capacidad de cómputo, (Quintans et al., 2006) y (Rodríguez-Andina et al., 2007), en la instrumentación virtual. En (Branden et al., 2006) se discuten experiencias en el uso de la implementación de instrumentos virtuales en plataformas reconfigurables dinámicas. En (Visnevski, 2009) se propone la iniciativa EISA (Embedded Instrumentation Systems Architecture) para desarrollar metodologías en la recolección de datos a gran escala, de manera flexible y no intrusiva. Se demostró que la arquitectura EISA también es útil en el monitoreo y el diagnóstico, para lograr el manejo de sensores como instrumentos virtuales. De la descripción anterior se puede afirmar que el perfil del investigador que nuestra propuesta de maestría pretende formar es congruente con las tendencias científicas actuales sobre la Instrumentación y el Procesamiento de Señales aplicado al sector biotecnológico.

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ANEXO 1: ESTUDIO AMPLIO DEL ESTADO DEL ARTE DE LA ... · aplicaciones. Desde entonces las...

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