Código: M301PR03FO8 INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 1 de 19 1. IDENTIFICACIÓN DEL PROGRAMNPROYECTO 1.1 Información General Programa LIII Proyecto[I Tipo de informe: Parcia Fínal Informe N dE Desarrollo de nuevas tecnologías para la manipulación de partículas y la transferencia de momento angular sin Título contacto empleando vórtices acústicos en aire Código 110671552637 Número de la convocatoria 715-2015 Número de contrato 063-2016 Programa Nacional o área de Colciencias al cual Programa Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación en Ingeniería se encuentra adscrito el proyecto Nombre del investigador principal oao Luis Ealo Cuello Entidades ejecutoras y beneficiarias Universidad del Valle Fecha de inicio del programa/proyecto Mayo 11 de 2016 Fecha de entrega del informe Octubre 11 de 2019 rCiudad/País Cali/Colombia TABLA DE CONTENIDO RESUMEN En términos científicos, los resultados obtenidos nos han permitido, a la fecha, superar con creces los productos inicialmente pactados. En el tiempo de ejecución del presente proyecto se han obtenido los siguientes resultados técnico-científicos: Código: M301PR03FO8 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 ' TiM PRÓYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 2 de 19 Se han caracterizado dispositivos generadores de vórtices acústicos, tanto mono como multielemento. En lo que respecta a los dispositivos monoelemento se han concebido y construido 6 prototipos diferentes: tres (3) basados en película electromecánica Emfit (Ferroelectreto celular), a saber: PMoCH-FCe1, PMou-ADG-Arq y PMou-ADG-ZF; y tres dispositivos Tipo HAL. En lo que respecta a dispositivos multielemento, se ha construido un prototipo de multitransductor para focalizar vórtices ultrasónicos en aire (PMu-UT) y un prototipo multielemento que emplea varias "rejillas de difracción activas" (PMuG-ADG) Todos los dispositivos antes mencionados han sido concebidos, diseñados, fabricados y caracterizados. Con todos ellos es posible generar vórtices acústicos. Así mismo se encuentra en fase de desarrollo y puesta a punto: o Un sistema versátil con arreglo en fase para la generación de campos acústicos arbitrarios (SAF-Aud), a frecuencias audibles (longitudes de onda grandes), con posibilidades de deflexión, apodización y focalización. Este dispositivo hace parte del trabajo de tesis de maestría de uno de los estudiantes financiados por el proyecto, Juan Felipe Hernández, quien, por diferentes situaciones de índole personal, no ha podido culminar a la fecha. - Se ha demostrado la capacidad de controlar sin contacto la rotación de objetos de diferentes geometrías. Este resultado ha permitido la concepción de lo que hemos llamado "Turbinas Acústicas" con las que se vislumbra la posibilidad de recuperar energía acústica en forma de ruido y convertirla en energía eléctrica. Ver video en https:Yyoutube/iKnb vYtJA.A. A su vez, ha sido posible hacer girar, sin contacto, un disco plano de corcho a una velocidad angular de 7 rev/s, empleado un transductor tipo HAL que genera un vórtice ultrasónico (https:!/www. youtubccom/watch?v=vJ jA\V2.fY S_o). - Empleando diferentes dispositivos ha sido posible levitar partículas de poliestireno (icopor) de diámetros aproximados a los 2 mm, así como .. láminas de plástico de hasta 60 mg. Inclusive es posible inducir rotación en ellas (https://www.youtube.cornlwatch?v=vcie3YvhivYU). A la fecha se han logrado los siguientes productos: - 3 artículos científicos en revistas Qi, en colaboración con investigadores de otras universidades (Universidad Autónoma de Occidente, Fuerza Aérea Colombiana y Universidad Nacional Autónoma de México - UNAM). - 6 ponencias internacionales. 2 estudiantes de maestría graduados (No financiados) (Jhon F. Pazos Ospina y Rubén Muelas Hurtado). - 2 estudiantes de maestría vinculados (Financiados) que ya han aprobado todas sus materias y tienen anteproyectos aprobados, en línea con los objetivos del proyecto. Uno de ellos entregó su documento final (Jhoan F Acevedo), el cual se adjunta y se espera pueda sustentar el próximo mes. - 2 estudiantes de pregrado formados (Juan Camilo Rojas y Andrés Suárez Gutiérrez). - 7 prototipos.de generadores de vórtices acústicos construidos y caracterizados. - 1 patente concedida (NC2016/0004743) y 1 solicitud de patente radicada ante la Superintendencia de industria y Comercio (NC2018/0014344). - 1 notificación de invención, fruto del trabajo del estudiante Juan Camilo Rojas. - 1 estudiante de doctorado vinculado (Rubén Muelas Hurtado). Código:_M3O1PRO3FO8 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 .ff• • PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 3 de 19 4. SINOPSIS TÉCNICA La manipulación de partículas sin contacto es de vital importancia en procesos donde se requiere conservar materiales con una alta pureza, libre de contaminantes y sin daños a su estructura. En el campo de la biomedicina, recientemente se ha venido trabajando con la manipulación de células y grupos de células, en aplicaciones como ingeniería de tejidos y sensores biomédicos. En la ingeniería de tejidos se usan los sistemas de manipulación sin contacto para crear o reparar tejidos a partir de la configuración de grupos de células. Algunos biosensores emplean tecnologías de manipulación de partículas sin contacto para la clasificación de partículas y la detección de bacterias, entre otras. En biotecnología y farmacéutica, las técnicas para el transporte de líquidos o muestras para extracción de ADN, por ejemplo, sin contacto, es muy deseable porque el transporte convencional genera residuos en los recipientes utilizados que tienden a contaminar las muestras (por ejemplo, agua pura, medicamentos líquidos, talcos, muestras en polvo, etc.). En las industrias de manufactura de precisión (como la fabricación de dispositivos electrónicos) el uso de sistemas de manipulación sin contacto es requerido para el posicionamiento preciso y sin daño de piezas. Actualmente, tecnologías como las pinzas ópticas, la dielectroforesis, los sistemas de gas comprimido, sistemas magnéticos y levitación acústica empleando ondas estacionarías son algunas de las más utilizadas para la manipulación de partículas sin contacto. Sin embargo, estas tecnologías poseen limitaciones que deben ser mejoradas ya sea mejorando la tecnología existente o con nuevas tecnologías. En el caso de los sistemas ópticos, éstos son sensibles al material de la partícula a manipular, por ejemplo, si el medio no es traslúcido pierden efectividad. Para la dielectroforesis, su efectividad depende de la constante dieléctrica del material y está limitada por el tamaño de las partículas. En cuanto a los sistemas de manipulación magnética, éstos requieren que el material sea magnético, además de los efectos indeseados asociados a la generación misma de campos electromagnéticos. Los sistemas de manipulación de aire comprimido, aunque no presentan los anteriores problemas, suelen poseer un costo mayor debido a la cantidad de aire limpio, compresores y tubos de distribución que se necesitan. Todas estas técnicas también presentan limitaciones en la cantidad de fuerza que se puede generar, así como en el tamaño de las partículas que pueden manejar. Lo anterior, sumado a la complejidad de los equipos componentes, hacen que estas tecnologías no puedan ser escalables, limitando el rango de aplicación. El uso de sistemas de ultrasonido de ondas estacionarias se presenta como una alternativa robusta que no posee limitantes en cuanto al material de las partículas y que puede generar mayores fuerzas que los métodos ópticos, lo que significa la posibilidad de manipular partículas de mayor tamaño. En general, estos sistemas se componen de un transductor piezoeléctrico que genera el campo de ondas y un reflector enfrentado a éste que es el que permite la conformación del campo estacionario. Como desventaja a este sistema se encuentra la poca flexibilidad que ofrece, ya que al ser campos estacionarios solo son capaces de atrapar la partícula y para moverla se hace necesario desplazar el dispositivo que genera el campo de ondas. Cabe anotar que no hay soluciones comerciales basadas en esta tecnología y la mayor parte de las que han sido propuestas a nivel de investigación aún están bajo desarrollo y/o estudio. En vista del panorama anterior, el presente proyecto incluyó el desarrollo de nuevos generadores de vórtices acústicos a frecuencias audibles y ultrasónicas, que compitan como tecnología viable y competitiva para la manipulación y control sin contacto de partículas u objetos. - - Código: M301PR03FO8 1 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 1 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 4 de 19 5. CUMPLIMIENTO DE OBJETIVOS 5.1. Cumplimiento del(os) objetivo(s) general(es) Cuantificar el potencial de nuevas tecnologías/dispositivos mono y multielemento para la OBJETIVO GENERAL: manipulación de partículas y la transferencia de momento angular sin contacto empleando vórtices % 100 de % acústicos en aire cumplimiento: RESULTADO ANEXO SOPORTE DEL DESARROLLO '' OBTENIDO OBTENCIÓN DE RESULTADOS DIFICU LTADES OBSERVACIONES Diseño y caracterización Anexo 1: Tres (3) Artículos publicados en Disponer de los estudiantes de Buena parte de los resultados experimental de revistas Al. maestría financiados encaraados de obtenidos a la fecha se lograron con el prototipos generadores de avanzar en los diseños y esfuerzo de dos estudiantes de vórtices. APL20I 8. Generation of mu/tiple vortex beam caracterización de los prototipos maestría no financiados vinculados al Simulación analítica y by means of Active Diffraction Gratings. pendientes. Contratarles implicó proyecto, uno de los cuales adelanta numérica de desempeño Applied Physics Letters. 2018. retrasos. estudios doctorales en la temática. Esto de prototipos. JASA20I7. Cfiaracterization of phased array- nos dio la dinámica suficiente, así como Generación experimental steered acoustic vortex beams. Journal of the Al comienzo, las exigencias de el compás de espera para que los de vórtices acústicos y Acoustical Society of America. 2017. investigación de¡ proyecto limitaron el estudiantes contratados con el proyecto transferencia de momento JASA20I8. Acoustic analysis of a broadband desempeño académico de los avanzaran con éxito en sus angular spiral source for the simu/taneous generafion estudiantes de maestría. Esto nos responsabilidades académicas de of mu/tiple Bessel vortices in air. Journal of the hizo replantear los cronogramas de maestría. Acoustical Society of America. 2018. trabajo de manera que pudieran A la fecha, los dos estudiantes de dedicar horas suficientes a sus maestría financiados han concluido 2. Anexo II: Una (1) Patente, una (1) solicitud estudios de maestría, que de por sí todas sus responsabilidades (en lo que radicada y una (1) notificación de invención. son exigentes, y evitar que respecta a cursos) con sus respectivos fracasaran. Resultó fundamental el programas de posgrado. Uno de ellos Patente concedida (Resolución SIC No. 43797 apoyo de los dos estudiantes de entregó su documento final para y expediente NC201610004743). Descripción maestría no financiados por el revisión y sustentación pública. El otro de la invención: Generador de Vórtices proyecto. ha tenido dificultades de diferente Acústicos Foca/izados. índole que no le han permitido llegar a Solicitud de Patente radicada ante SIC. La devaluación continua de¡ peso este punto. (Expediente NC20I 8/0014344). Dispositivo colombiano ante el dólar supuso Se cuenta actualmente con un paquete vibrante resonante para generación de replantear el proceso de adquisición tecnológico de dispositivos para vórtices acústicos de equipos, así como el presupuesto generación de vórtices acústicos y Notificación de invención ante Vicerrectoría de a ejecutar. La importación de equipos manipulación de partículas. Se espera Código: M301 PR03FO8 INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 5 de 19 Investigaciones de la Universidad del Valle, sigue siendo un lastre importante con ellos explorar nichos de aplicación Transductor tipo Placa Vibrante Helicoidal para los investigadores de las que permitan en el futuro patentar para generación de Vórtices Acústicos en Aire. universidades públicas en general. internacionalmente, así como evaluar la Comprar cualquier equipo puede posibilidad de concretar una iniciativa 3. Anexo III. Seis (6) Ponencias Internacionales, tardar hasta 6 meses o más, sin de emprendimiento de base contar la ampliación de requisitos que tecnológico. a- 1US2016. Muelas H, R. D., Casanova, G.F. se presenta cuando es necesario dar Ealo J.L. (2016) Dynamic quantification of the cumplimiento a la Ley de Garantías. Angular Momentum Transferred fo Objects through an airborne Acoustic Vortex b- ASA20I7. Muelas H, R. D., Pazos-Ospina, J. F., & Ealo, J. L. (2017). Electric power generation using acoustic helical wavefronts in air. c- ASA20I7. Muelas H, R. D., Pazos-Ospina, J. E., & Ealo, J. L. (2017). Active diffracting gratings for vortex beam generation in air. d- ASA20I7. Muelas H, R. D., Pazos-Ospina, J. F., & Ealo, J. L. (2017). Experimental study of fhe angular momentum transfer capacity of grating vortex beams. e- ASA20I8. Muelas H, R. D., Ealo, J. L., Pazos- Ospina, J. F., & Volke-Sepulveda, K. (2018). Focusing Airborne Acous tic Vortex Beams by means of Active Diffracfion Gratings. f- 1CU2019. Ealo, J.L, Quiceno, F.A., Pazos, J.F., Collazos-Burbano, D.A. & Muelas H, R.D. (2019) Focusing airborne ultrasonic helical wavefronts using sin gle-element transducer. 4. Anexo W. Tesis de grado. Dos (2) de pregrado y tres (3) de Maestría en Ingeniería con énfasis en Ingenierías Mecanica y Aeroespacial a- Muelas H., R.D. (2016). Estimación del Código: M301PR03FO8 INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 6 de 19 momento angular transferido por un vórtice acústico a objetos con diferentes geometrías. Maestría en Ingeniería con énfasis en Ing. Aeroespacial. Universidad del Valle. Pazos-Ospina, J.F. (2016) Exploración de nuevas alternativas para la generación de vórtices acústicos y su potencial aplicación en la manipulación de partículas. Maestría en Ingeniería con énfasis en Ing. Mecánica. Universidad del Valle. Acevedo, J.F. (2019) Diseño, Construcción y Puesta en Marcha de un Dispositivo Tipo HAL para la Generación de Vórtices Acústicos en Aire. Maestría en Ingeniería con énfasis en Ing. Aeroespacial. Universidad del Valle. En revisión. Rojas, J.C. (2019) Diseño, construcción y caracterización de un transductor ultrasónico tipo placa vibrante. Pregrado en Ingeniería Mecánica. Universidad del Valle. Suárez Gutiérrez, A. (2019). Caracterización y validación experimental de modelos de generadores de vórtices acústicos tipo HAL. Pregrado en Ingeniería Mecánica. Universidad del Valle. Anexo V - Anteproyectos aprobados de trabajos de maestría. a- González Hernández, J.F. (2017). Sistema con arreglo en fase para generación de campos acústicos a frecuencias audibles. Maestría en Ingeniería con énfasis en Ing. Electrónica. Universidad del Valle. Anexo VI. Informes Técnicos. Código: M301 PR03FO8 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02. . PROYECTOS DE CTeI . Fecha: 2019-02-08 Página 7 de 19 Informe técnico resumido de¡ diseño y caracterización generador de vórtices focalizados (PMoCH-FCeI). Informe técnico Dispositivo multielemento construido (PMu-UT) 5.2. Cumplimiento de los objetivos específicos OBJETIVO Fabricar, caracterizar y poner a punto al menos un dispositivo para la generación de vórtices ESPECIFICO: focalizados a partir de la combinación de superficies desarroUables (cónico-helicoidal) y utilizando % 100 de % ferroelectretos celulares como maten. al activo. cumplimiento: r , ANEXO SOPORTE DEL RESULTADO OBTENIDO rWL,UJTJ (si aplica) DESARROLLO Y OBTENCIÓN OBSERVACIONES DE RESULTADOS Fabricación y caracterización de 1. Dos (2) artículos científicos Al en las Anexos 1_a y l_c. Artículos La revista Applied Physics Letters Generador de Vórtices Focalizados revistas Journal of the Acoustical científicos APL2018 y JASA es una revista muy prestigiosa en Society of Arnerica y Applied Physics 2018. el campo de la física. La Dispositivos multi y monoelemento, Letters. Anexo II_a posibilidad de generar múltiples fabricados con ferroelectretos, 2. Una (1) Patente concedida por 3. Anexos 111_a lllc, 111_e y Ill_f. vórtices empleando un único empleando rejillas difracción activas Superintendencia de Industria y Ponencias en 1US2016, transductor fabricado empleando Comercio (Expediente ASA2017 (1 de 3), ASA2018 e ferroelectretos celulares ha NC2016/0004743). 1CU2019. resultado en una contribución 3. Cuatro (4) ponencias internacionales: 4. Anexo VI_a científica importante de este Dynamic quantification of the proyecto. angular momentum transferred to El ingeniero Rubén Muelas objects through an airborne Hurtado, quien participó en este acoustic vortex. proyecto es actualmente Active Diffraction Gratings for estudiante doctoral, becario Vortex Beam Generation in air Colciencias, quien continúa Focusing Airborne acoustic vortex trabajando en este tema de beams by means of active investigación. Código:_M3O1PRO3FO8 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 PROYECTOSDECTeI Fecha: 2019-02-08 Página 8 de 19 diffration gratings. Al interior de¡ grupo de d. Focusing airborne ultrasonic investigación, actualmente nos helical wavefronts using single- encontramos escribiendo dos element transducer manuscritos relacionados con los resultados: 4. Informe técnico resumido del diseño y - Active Spiral-Fresnel Zone caracterización generador de vórtices Plate with Tunable Focal focalizados Length for Airborne Generation of Focused Acoustic Vortices. - Developable Surface Ferroelectret-based for Complex Airborne Ultrasoud Applications. - Focusing helical wavefronts using a single element helico-conical ferroelectret- based transducer. OBJETIVO Construir, caracterizar y poner a punto un dispositivo multi-elemento para la generación, % 100 de ESPECIFICO: focalización y deflexión de vórtices acústicos en aire cumplimiento: ANEXO SOPORTE DEL RESULTADO OBTENIDO PRODUCTO (si aplica) DESARROLLO Y OBTENCIÓN OBSERVACIONES DE RESULTADOS Generación y focalización de vórtices 1. Resultados incluidos en el artículo Anexos la,, I_cy III. Uno de los estudiantes acústicos en aire empleando rejillas de Generation of multipte vortex beam by Anexo l_b. financiados de maestría (Juan difracción activas "Active Difraction means of Active Diffraction Gratings y Anexos ll_b y ll_c. Felipe González Hernández) ha Gratings" conformadas por más de una en las ponencias presentadas en la Anexos 1V_a, IV_b y IV_c. tenido dificultades personales espiral. En particular dos espirales. conferencia 173th Meeting of the Anexos IV_d, 1V_e y IV_f reiteradas que han retrasado su Acoustical Society of Anerica, en Anexo V. trabajo de poner a punto una Diseños de generadores de vórtices Boston, MA. USA. Junio 2017. Título: Anexo VI_b plataforma con arreglo en .fase empleando estructuras múltiples Active diffracting gratings for vortex para generación de campos Código: M301PR03FO8 r INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y 1 Versión: 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 9 de 19 resonantes para lograr altas intensidad y beam generation in air. acústicos a frecuencias audibles lograr inducir torques altos sobre objetos 2. Artículo publicado en el Journal of the (SAF-Aud). No obstante, se han distantes. Acoustical Society of America. Título: logrado resultados con una Characterization of phased array- plataforma similar puesta a punto Generación de vórtices acústicos steered acoustic vortex beams. y que funciona a frecuencias empleando multitransductores a 3. Patente radicada ante la SIC ultrasónicas (Anexo VI_b). frecuencias ultrasónicas. (Expediente NC20I 810014344): En general, se superó con creces Dispositivo vibrante resonante para este objetivo. Además de de los Comprensión en la generación de generación de vórtices acústicos y artículos publicados, se radicó vórtices acústicos empleando notificación de invención ante una segunda solicitud de patente dispositivos multielemento. Se realizó un Vicerrectoria de Investigaciones de la (Dispositivo vibrante resonante análisis especial a la aparición de¡ Universidad de¡ Valle: Transductor tipo para generación de vórtices vórtice de rejilla y su potencial de Placa Vibrante Helicoidal para acústicos) y se notificó una aplicación, incluso en el caso deflectado. generación de Vórtices Acústicos en tercera invención a la Aire Vicerrectoría de Investigaciones Avances en el diseño de una plataforma 4. Tres (3) estudiantes de maestría (Transductor Ultrasónico Tipo con arreglo en fase para generación de formados. Placa Vibrante Helicoidal), y se campos acústicos arbitrarios (incluyendo - Ruben Dario Muelas. Título de tesis: construyeron tres prototipos los vórtices), a frecuencias audibles, Estimación de¡ Momento Angular generadores de vórtices basados permitiendo la posibilidad de Transferido por un vórtice acústico a en estructuras resonantes, como focalización, deflexión y apodización. objetos con diferentes geometrías. consta en los trabajos de grado - Jhon F. Pazos. Título de tesis: de los estudiantes Jhoan Exploración de nuevas alternativas Acevedo, Andrés Suáres y Juan para la generación vórtices acústicos y Camilo Rojas (ver Anexos IV_c, su potencial aplicación en la IV_d y 1V_e). Esta tecnología no manipulación de partículas. estaba incluida en las - Jhoan Acevedo. Título de tesis: proyecciones de desarrollo Diseño, construcción y puesta en tecnológico iniciales. marcha de un dispositivo tipo HAL para generación de vórtices acústicos en aire. En revisión para sustentación. 5. Dos (2) estudiantes formados en Ingeniería Mecánica - Andrés Suárez. Título de tesis: Código: M301 PR03FO8 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 10 de 19 Caracterización y Validación experimental de modelos de generadores de vórtices acústicos tipo HAL. - Juan Camilo Rojas. Título de tesis: Diseño, construcción y caracterización de un transductor ultrasónico tipo placa vibrante. Tesis de maestría en curso en Ingeniería con énfasis en Ingeniería electrónica. Estudiante: Juan Felipe González H. Título: Sistema con Arreglo en Fase para Generación de Campos Acústicos a Frecuencias Audibles. Informe técnico Dispositivo multielemento construido. OBJETIVO Demostrar experimentalmente el potencial de los prototipos construidos para su ESPECÍFICO: 1 aplicación en la manipulación y control de partículas/objetos sin contacto. % 100 de cumplimiento: ANEXO SOPORTE DEL RESULTADO OBTENIDO PRODUCTO DESARROLLO Y (si aplica) OBTENCIÓN DE OBSERVACIONES RESULTADOS Resultados experimentales de¡ 1. Tesis de maestría en curso en Anexo 1V_a. Se han realizado experimentos con diferentes potencial de los prototipos Ingeniería con énfasis en Anexo lV_c tecnologías desarrolladas (mono y multielemento), con desarrollados para levitar e Ingeniería Aeroespacial. Anexos lV_d y 1V_e las cuales ha sido posible atrapar y orbitar partículas en inducir rotación en objetos, sin Estudiante: Rubén Muelas. el aire, así como transferir momento angular contacto, empleando vórtices Título: Estimación de¡ momento controladamente a objetos. Por ejemplo, en el video: acústicos. angular •transferido por un https://www.youtube.comiwatch?v=vJ ¡AW2fYS o vórtice acústico a objetos con se puede observar la transferencia de momento diferentes geometrías.. angular desde un vórtice acústico de gran Código: M301 PRO3FO8 INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 :i. PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 11 de 19 Tesis de maestría en Ingeniería intensidad generado con prototipo tipo HAL (ver con énfasis en Ingeniería Anexo 1V_e), hacia un disco de corcho de 4 cm de Aeroespacial. En revisión, diámetro. Una velocidad angular máxima de hasta Estudiante Jhoan Acevedo. 7 rev/s es medida, resultado que hasta donde nos Título: Diseño, construcción y consta no ha sido reportado para aplicaciones puesta en marcha de un ultrasónicas en aire y en objetos de ese tamaño. dispositivo tipo HAL para Este prototipo consta en la notificación de generación de vórtices acústicos invención mencionada en el Anexo 1II_c. Este en aire. resultado es posterior a nuestro resultado inicial Dos (2) estudiantes formados en que combina levitación y rotación: Ingeniería Mecánica h!Ws://www.yotitube.com/watch?v-vqe3YvhivYU. - Andrés Suárez. Título de tesis: Caracterización y Validación A su vez, en el video: experimental de modelos de https://voutuhe/iKnb_vYIJAA se muestra un generadores de vórtices experimento similar anterior empleando un acústicos tipo HAL. prototipo de multitransductor fabricado. Este tipo - Juan Camilo Rojas. Título de de montaje está siendo utilizado para comprender tesis: Diseño, construcción y la interacción acústica-estructura que ocurre en la caracterización de un transferencia del momento (angular y lineal) que transductor ultrasónico tipo transporta un frente de ondas hacia objetos de placa vibrante. diferentes geometrías. Esto hace parte de la investigación actual que estamos realizando en el diseño de "turbinas acústicas" para la recuperación de energía proveniente de ruido residual. 6. DESCRIPCIÓN DE OTROS RESULTADOS OBTENIDOS INDICADOR DE DESCRIPCIÓN DEL OTROS RESULTADOS CUMPLIMIENTO RESULTADO OBTENIDO ANEXO SOPORTE A continuación, se listan Las tesis de grado de los Los detalles de los prototipos se Anexo II_a y II_b los prototipos diseñados, estudiantes dan constancia de encuentra en los anexos 1 al 4 y Anexos la, II1_f, fabricados Y cumplimiento en lo que en los informes técnicos. Anexo Vl_b. caracterizados en el respecta a los prototipos Anexos IV marco del proyecto: construidos. Código: M301PR03FO8 , INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 "•• PROYECTOS DE CteI Fecha: 2019-02-08 Página 12de 19 Un prototipo En lo que respecta al monoelemento conico- estudiante doctoral vinculado, helicoidal para se anexa la propuesta generación de vórtices doctoral del estudiante Rubén acústicos focalizados Muelas, quien a la fecha es (PMoCH-FCe1). becario Colciencias y Prototipos mono y candidato a doctor en multielemento generador Ingeniería por la Universidad de Vórtices Acústicos del Valle. por medio de rejillas de difracción activas 2.1 Con geometría de espiral de Arquímedes. (PMou- ADG-Arq) 2.2 Basado en placas zonales de Fresnel. (PMou-ADG-FZ) Un prototipo generador/focalizador de vórtices multielemento a frecuencias ultrasónicas (PMu- UT). 19 Tres dispositivos monoelemento Tipo HAL, basados en estructuras resonantes: 4.1 Dispositivo Vibrante Resonante basado en placas escalonadas. 4.2 Dispositivo Vibrante Resonante basado en - _modo extensional. Código: M301 PR03FO8 MMI INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 13 de 19 4.3 Dispositivo de tipo - placa vibrante. S. RESULTADOS ADICIONALES DESCRIPCIÓN DEL RESULTADO ADICIONAL ANEXO SOPORTE 1. Estancia Internacional como investigador invitado en el Laboratoire Anexos VII_a y VIl_b - Carta de invitación y resolución de comisión d'Acoustique. Univesidad de Le Mans - Francia. Enero27 a Febrero 17 académica. de 2019. Tema de investigación: Generation of acoustic vórtices by Anexo Vll_c y https://www.youtube.com/watch?v=09GCtXttwwk nonlinear effect. Financiada completamente por la Universidad de Le Anexo VII_d - Propuesta doctoral aprobada al estudiante. Mans, sin cargo alguno al proyecto y como producto de los resultados de investigación obtenidos. 2. La investigadora Karen Volke Sepúlveda, del Instituto de Física de la Univesidad Nacional Autónoma de México, con quien se hizo contacto en la conferencia ASA2016, ha venido como investigador visitante a la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle (una vez en 2017 y dos veces en 2018, con recursos propios) para trabajar en el tema central del proyecto. Desde Agosto de 2019 y hasta Abril de 2020 estará como investigadora en año sabático, financiada por la UNAM, trabajando en temas derivados del proyecto en el Laboratorio de Vibraciones y Acústica. Cabe anotar que la Dra. Karen Volke tiene una experiencia de investigación importante en vórtices ópticos, por lo que en la actualidad trabajamos en aprovechar analogías con la acústica para el desarrollo de nuevas aplicaciones, con especial interés en las trampas acústicas (tweezers en inglés) para la manipulación de partículas. 3. Estudiante doctoral vinculado. Rubén Muelas Hurtado terminó su maestría en Ingeniería en el marco del proyecto e inmediatamente inició estudios doctorales en la temática del mismo. Actualmente es candidato a doctor en Ingeniería. Posteriormente, el ingeniero Jhon Fernando Pazos, quien también trabajó en el proyecto y obtuvo su título maestría, inició estudios doctorales en la temática del proyecto y Código: M301PR03FO8 7. V INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE.PROGRAMAS Y Versión: 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 14 de 19 actualmente está en la etapa de aspirante. Lo anterior ha permitido dar continuidad al trabajo de investigación que se inició con la aprobación de¡ proyecto. CUMPLIMIENTO DE LA METODOLOGÍA En términos generales, el cumplimiento de la metodología fue adecuado. Cabe destacar que los nuevos desarrollos han abierto oportunidades de investigación que esperamos den frutos en el futuro cercano. CRONOGRAMA DE EJECUCIÓN A LA FECHA, DIFICULTADES Y PLAN DE CONTINGENCIA CAMBIOS SOLICITADOS Y APROBADOS POR PLAN DE CONTINGENCIA ACTIVIDADES OBJETIVO FECHA DE RELACIONADO EJECUCIÓN COLCIENCIAS (si aplica) (si_aplica) PROYECCIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS FRENTE A LOS IMPACTOS REGISTRADOS EN EL PROYECTOIPROGRAMA (Si APLICA) TIPO DE IMPACTO DESCRIPCIÓN DEL IMPACTO PROYECCIÓN DEL IMPACTO Impactos de ciencia, tecnología o innovación Se han concebido y fabricado 7 prototipos Con las tecnologías desarrolladas y las - de dispositivos capaces de generar vórtices tecnologías de excitación disponibles, • acústicos en aire. Adicionalmente se trabaja se espera gestar la creación de una actualmente en el diseño y fabricación de empresa de base tecnológica enfocada • • plataforma de excitación con un rango de en la manipulación de partículas y el operación que va desde el rango audible. control de objetos empleando campos Código: M301PR03FO8 ________ .• 1 INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 15 de 19 Uno de los prototipos fue patentado, otro acústicos a medida (no solo vórtices). radicado para patentamiento y un tercero Esto dependerá de la reglamentación está en evaluación ante Vicerrectoría de en la universidad de la ley 1828 de Investigaciones con el fin de evaluar si se 2017 ( o ley de las spin off), inicia un proceso de patentamiento. recientemente firmada por el Presidente de la República, así como de los resultados de investigación que se persiguen actualmente al interior de¡ grupo de investigación. Los desarrollos logrados nos permitirán una Esto da pie a la síntesis de campos mayor comprensión sobre la interacción de acústicos arbitrarios, capaces de los frentes helicoidales y la materia cumplir diferentes funciones y tareas. (interacción acústica-estructura). Será cuestión de continuar trabajando en el tema para concretar aplicaciones y encontrar un mercado para nuestros dispositivos. Impactos sobre la productividad y la competitividad Se ha radicado una solicitud de patente y, Esto coadyuva hacia la creación en el si todo sale según lo esperado, se espera corto plazo de una empresa de base radicar una segunda patente (Dispositivo tecnológica en manipulación sin tipo HAL) contacto de objetos/partículas impactos Los resultados obtenidos son pioneros en A la fecha el grupo de trabajo se ha Colombia, en donde la acústica es una venido posicionando en la temática y rama de la física poco estudiada. Asimismo, se espera el fortalecimiento de las el proyecto ha permitido la formación de relaciones académicas tanto profesionales, maestros, y actualmente nacionales como internacionales doctores, en estas temáticas, quienes se forjadas gracias al proyecto. espera contribuyan al desarrollo de la acústica/ultrasónica en el país. 9. ASPECTOS FINANCIEROS Se anexa el informe de ejecución financiero. Código: M301 PR03F08 fnr-i INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 16 de 19 DISCUSIÓN Y ANÁLISIS Se han superado con creces los productos pactados en la propuesta aprobada. De esto dan constancia los diferentes anexos al presente informe. Esto ha sido posible gracias a la dinámica de trabajo generada alrededor de las ideas concebidas inicialmente, así como a los trabajos realizados con el apoyo de los estudiantes de maestría que trabajaron en el proyecto (4 en total) y el apoyo de los estudiantes de pregrado (2 en total). Cabe anotar que, actualmente, dos de los estudiantes de maestría formados adelantan estudios de doctorado, trabajando en las temáticas de investigación desarrolladas durante el proyecto. Lo anterior, sumado a los avances logrados hacia la consolidación de una red de cooperación internacional, nos permiten ser optimistas en cuanto a la posibilidad de dar continuidad al trabajo realizado, lo cual es tal vez el resultado más sobresaliente del proyecto. En lo que respecta a la ejecución financiera, se aprecia que la ejecución presupuestal relacionada con el personal ha sido la inicialmente proyectada. La compra de equipos sufrió un retraso en su ejecución, el cual ocurrió propósito ya que fue posible avanzar en la obtención de resultados con los recursos disponibles en nuestros laboratorios y evitar la compra de equipos ya disponibles. Optimizar la compra de los componentes y dispositivos es tal vez una asignatura pendiente a la hora de hacer investigación de calidad, respetando cronogramas. Los usos de los recursos disponibles para servicios técnicos resultaron determinantes para agilizar los procesos constructivos. Así mismo, los dineros disponibles para publicación y patentes fueron aprovechados adecuadamente, dando frutos no sólo en términos de propiedad intelectual (patentes), sino también en la consolidación de relaciones académicas con pares nacionales e internacionales. Finalmente, cabe resaltar la importancia de las prórrogas concedidas durante la ejecución del Proyectos, sin las cuales el buen desarrollo del mismo no hubiera sido posible. CONCLUSIONES Durante la ejecución del presente proyecto se han obtenido los siguientes avances y resultados técnico-científicos: Se han concebido, diseñado, fabricado y caracterizado dispositivos generadores de vórtices acústicos, tanto mono como multielemento. En lo que respecta a los dispositivos monoelemento se han concebido y construido tres prototipos diferentes, basados en película electromecánica Emfit (Ferroelectreto celular), a saber: Prototipo monoelemento Focalizador de vórtices acústicos en aire (PMoCH-FCe1), el cual combina una superficie helicoidal con otra cónica. Este dispositivo fue patentado ante la Superintendencia de Industria y Comercio, Expediente NC201610004743. Prototipo mono y multielemento generador de múltiples vórtices acústicos (PMou-ADG-Arq), el cual bajo el concepto de lo que hemos denominado "rejillas de difracción activas" (Active Diffraction Gratings), y empleando la estructura de una espiral de Arquímedes, permite generar, a partir de una superficie plana, frentes de onda helicoidales colineales y de diferente carga topológica, a diferentes frecuencias. Esto último lo hace un dispositivo muy versátil. Código: M301PR03FQ8 Ç INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 17 de 19 Prototipo mono y multielemento generador de vórtices acústicos basado en Placas Zonales de Fresnel (PMou-ADG-FZ) que permite focalizar el frente de ondas helicoidal y cuyo principio de funcionamiento se basa también en una rejilla de difracción activa. En lo que respecta a dispositivos multielemento, se han construido: Prototipo multitransductor para generar campos acústicos complejos, incluyendo vórtices ultrasónicos en aire, (PMu-UT), que por medio de sistema electrónico basado en FPGA permite controlar los desfases temporales de las señales eléctricas enviadas a un anay/arreglo de transductores. Este dispositivo opera a 40 kHz. Prototipo multielemento para conformar campos acústicos arbitrarios a frecuencias audibles y su respectivo sistema electrónico de excitación. A la fecha, el multitransductor fue construido. Para excitarlo se ha diseñado un sistema versátil con arreglo en fase (SAF-Aud), con posibilidades de deflexión, apodización y focalización. El SAF-Aud no ha sido concluido, aunque está en un 80% de desarrollo. Esta actividad ha estado a cargo del estudiante Juan Felipe González, quien, como se ha mencionado, ha tenido diferentes dificultades. Teniendo en cuenta que se cuenta con el diseño, el equipamiento y los componentes necesarios, se espera acelerar la terminación del sistema contratando personal con recursos del grupo de investigación. Durante el transcurso del proyecto se concibieron ideas nuevas relacionadas con la generación de frentes Helicoidales de gran intensidad utilizando estructuras resonantes, combinadas con un transductor Langevin, a los que hemos denominado "Tipo HAL". Si bien fueron propuestas diferentes configuraciones, se han construido tres prototipos diferentes a saber: Dispositivo Vibrante Resonante basado en placas escalonadas. Se radicó una solicitud de patente para este prototipo y sus variantes. Dispositivo Vibrante resonante basado en modo extensional. Dispositivo de tipo placa vibrante. Este dispositivo se notificó como invención ante Vicerrectoría de Investigaciones. A la fecha tenemos completa certeza del funcionamiento de los dispositivos fabricados y, además, se han desarrollado y validado experimentalmente modelos numéricos y analíticos que soportan el proceso de diseño de nuevos dispositivos. Se ha demostrado la capacidad de controlar sin contacto la rotación de objetos de diferentes geometrías empleando el PMu-UT. Este resultado ha permitido la concepción de lo que hemos llamado "Turbinas Acústicas" con las que se espera recuperar energía acústica en forma de ruido y convertirla en energía eléctrica. Ver video en https://youtu.be/iK'nb vYtJAA, en el cual se puede ver cómo el vórtice acústico generado por el PMu-UT es capaz de hacer girar una hélice (propeler) acoplada a un microgenerador. En la actualidad tenemos un estudiante de doctorado vinculado al proyecto que trabaja en cuantificar el potencial esta idea concebida dentro del proyecto. También empleando el PMu-UT ha sido posible levitar partículas de poliestireno (icopor) de diámetros aproximados a los 2 mm, así como en láminas de plástico de hasta 60 mg. Inclusive es posible inducir rotación en ellas. Código: M301PR03FO8 * INFORME TÉCNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Versión: 02 " PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 18 de 19 Empleando los prototipos Tipo HAL también se han realizado promisorios experimentos relacionados con la transferencia de momento angular. En particular con el prototipo de placa vibrante, concebido durante el trabajo del estudiante Juan Camilo Rojas. En el video se puede ver al fondo el transductor tipo HAL cuya placa radiante fabricada en aluminio induce un vórtice acústico ultrasónico y hace girar un disco de corcho a velocidades angulares de hasta 7 rev/s. https:i/www.youtube.com/watch?v=vJIAW2fYSo A la fecha se han logrado los siguientes productos y resultados: 3 artículos científicos publicados en revistas Al, en colaboración con investigadores de otras universidades (Universidad Autónoma de Occidente, Escuela Militar de Aviación de la Fuerza Aérea Colombiana y Universidad Nacional Autónoma de México - UNAM) 6 ponencias internacionales. 2 estudiantes de maestría formados (No financiados). 2 estudiantes de maestría vinculados (Financiados) que ya han aprobado todas sus materias, uno de ellos en fase de sustentación. 2 estudiantes de pregrado formados. 7 prototipos de generadores de vórtices acústicos concebidos, diseñados, construidos y caracterizados. 1 plataforma versátil con arreglo en fase (SAF-Aud), con posibilidades de deflexión, apodización y focalización, al 80% de desarrollo. 1 Patente concedida. 1 solicitud de patente radicada en la Superintendencia de Industria y Comercio. 1 Notificación de invención 1 estudiante de doctorado vinculado, candidato a doctor. 1 investigadora visitante en estancia sabática trabajando en el proyecto y dando continuidad a las investigaciones gestadas durante el Proyecto. En vista de lo anterior, es posible afirmar que haber recibido la financianción del Proyecto ha resultado en beneficios importantes a nivel de formación, investigación y desarrollo. Se espera dar continuidad al trabajo realizado, con la meta a mediano piazo de embarcarnos en una iniciativa de emprendimiento de base tecnológica. 12. SIGLAS Y ABREVIATURAS PMouCH-FCel - Prototipo Mono y multielemento Generador de vórtices acústicos Focalizados basado en Ferroelectretos Celulares PMou-ADG-Arq - Prototipo Mono y multielemento Generador de vórtices acústicos basado en Rejillas de Difracción Activas (Active Diffraction Gratings) de Arquímedes PMu-UT - Prototipo Multielemento Generador de vórtices acústicos por control de Fase a frecuencias UlTrasónicas. PMou-ADG-ZF Prototipo Multielemento Generador de vórtices acústicos basado en Rejillas de Difracción Activas de Placas Zonales de Fresnel. SAF-Aud - Sistema con Arreglo en Fase para generación de campos acústicos arbitrarios a frecuencias Audibles. Código: M301PR03FO8 INFORME TECNICO DE AVANCE O FINAL DE PROGRAMAS Y Version 02 PROYECTOS DE CTeI Fecha: 2019-02-08 Página 19 de 19 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 14. LISTA DE ANEXOS Anexos 1— Artículos científicos publicados. Anexos II— Patentes y notificación de invención. Anexos III - Ponencias Internacionales Anexos IV - Trabajos de grado de Pregrado y Posgrado concluidos. Anexos V - Trabajos de grado por concluir. Anexos Vi— Informes técnicos. Anexos VII - Trabajos doctorales en curso Anexos VIII - Resultados adicionales.