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Año 14

No. 1

Junio 2009

ISSN 0122-820X

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REVISTA DE LA UNIVERSIDADFRANCISCO DE PAULA SANTANDER

San José de Cúcuta, Junio de 2009 No. 1ISSN 0122-820X

Publicación científica que presenta la producción de trabajos de investigación de la Universidad Francisco

de Paula Santander y la comunidad científica en general.

Está abierta a ensayos, artículos de divulgación

científica, de revisión, de reflexión y a informes de investigación de todas las ramas del saber, cuya calidad

se determinará por el grado de innovación y por el cambio del estado del conocimiento que presenten los

artículos publicados.

Periodicidad

Semestral

Presentación

Todos los artículos recibidos se someten antes de su publicación a la revisión crítica de pares evaluadores

externos.

Los autores de los trabajos asumen toda responsabilidad que pudiera derivarse de los mismos.

Los artículos publicados en esta revista se pueden reproducir total o parcialmente, citando la fuente

y el autor.

Diseño, diagramación e impresión

Offset La Opinión S.A. 5710632Cúcuta, Colombia

Admitida en el Indice Bibliografico Nacional PUBLINDEX, Colciencias, categoría C.

Directivos Universidad Francisco de Paula Santander Hector Miguel Parra López Rector Jesús Ernesto Urbina Cárdenas Vicerrector Académico Sergio Ivan Quintero Ayala Vicerrector Administrativo Carlos Humberto Acevedo Peñaloza Vicerrector de Bienestar Universitario Jorge Sánchez Molina Vicerrector Asistente de Investigación y Extensión Olga Marina Vega AngaritaVicerrector Asistente de Estudio Coordinación y dirección general Jorge Sánchez Molina, Esp. Comité editorial Pablo Pastor Mogollón Sánchez, Ph.D.Universidad Francisco de Paula Santander José Ignacio Huertas, Ph.D.Centro de Investigación en Ingeniería Automotríz-CIMA. Tecnológico de Monterrey Florentino Malaver Rodríguez, Ph.D.Pontificia Universidad Javeriana José Humberto Escalante, Ph.D.Universidad Industrial de Santander Jesús Ernesto Urbina Cárdenas, M.Sc.Universidad Francisco de Paula Santander Jorge Fernando Márquez Peñaranda, M.Sc.Universidad Francisco de Paula Santander Comité científico Carmen Leonor Barajas, Ph.D.Universidad Francisco de Paula Santander Héctor Jaime Dulce Moreno, Ph.D.Universidad Francisco de Paula Santander Wencel De la Cruz Hernández, Ph.D.Universidad Nacional Autónoma de México Marco Antonio Márquez Godoy, Ph.D.Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. Editor Gabriel Peña Rodríguez, Ph.D. Asistente editor Ing. Yebrail Alexis Romero Arcos

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Reconocimiento a pares evaluadores año 14 No. 1 / 2009

Ph.D Jorge Ortiz Triviño

Ms.c José Danilo Rairán Antolines

Ing Alexander Galvis Quintero

Ph.D Hermes Javier Eslava Blanco

Ms.c Lucía Ruiz Granada

Ph.D Elías Ramírez Plazas

Ms.c Natividad Pinto Afanador

Ms.c Lucy Barrera Ortiz

Ph.D Néstor Darío Duque Méndez

Ms.c Eduard Gilberto Puerto Cuadros

Ph.D Johans Restrepo Cárdenas

Ph.D Karen Garcia Tellez

Ms.c Oscar Alberto Gallardo Pérez

Ph.D Jairo Armando Cardona Bedoya

Ph.D Jairo Roa Rojas.

Ph.D Juan Pablo Hernández Ortiz

Ph.D María del pilar Noriega

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Contenido

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Editorial

Modelo Circumplejo del afecto aplicado al control de sistemas dinámicos

Circumplex Model of affect applied to Dynamical Systems Control

Fortalecimiento del cuidado a cuidadores de personas con enfermedad crónica en red: resultados del estudio múlticentrico en el Norte de Santander

Strengthening of the care to caretakers of people with chronic illness in net: results of multicenter study in the North of Santander

Reconocimiento de caracteres por medio de una red neuronal artificial

Characters recognition trough an artificial neuronal network

Evaluación de la dinámica de población de bacterias magnetotácticas (MTBs) en medios naturales y enriquecidos, comparación con resultados teóricos obtenidos a partir del modelo de competencia de Lotka-Volterra

MTB Population Dynamics in natural and enriched media: Lotka Volterra Model

Efecto de la concentración de sulfato de sodio en la viscosidad y difusividad térmica de barbotinas de arcillas rojas

Effect of the sodium sulphate concentration in viscosity and thermal diffusivity of red-clays suspensions.

Aplicación móvil para acceder a la información académica de la Universidad Francisco de Paula Santander a través de una picocelda bluetooth

Mobile application for academic information access in Francisco de Paula Santander university through to bluetooth picocell.

Identificacion y caracterizacion de los eslabones, actores y agentes de la cadena productiva forestal madera muebles de la region Norte de Santander

Identification and characterization of the links, actors and agents of the production chain wooden furniture of the forest region of North Santander

Técnicas de minería de datos aplicadas a la valoración de ambientes creativos

Data mining techniques applied to the assessment of creative environments

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alPROPIEDAD INDUSTRIAL MOTIVACIÓN PARA EL DESARROLLO

Entre los diferentes factores que inciden en el desarrollo, tanto económico como intelectual de un país, se encuentran su innovación y tecnología (nuevas creaciones) y la diferenciación a partir de signos

distintivos (marcas) de los productos o servicios que ofrece y comercializa nacional e internacionalmente. De ahí que la propiedad industrial, que básicamente trata estos aspectos, sea de gran importancia en la economía de libre mercado. Desafortunadamente, en nuestro país, la gran mayoría de las personas desconocen la importancia que tiene el sistema de propiedad industrial: la protección y el uso de los documentos de patente como fuente de información tecnológica.

Desde el punto de vista de un investigador la divulgación de la información relacionada con sus desarrollos es importante para que otras personas conozcan su trabajo y lo utilicen como punto de partida para nuevas investigaciones en el campo específico; sin embargo, en muchas ocasiones se olvida la importancia de la protección de esos desarrollos, lo cual priva al inventor y a la institución que lo patrocina de recibir una compensación que sirva tanto de reconocimiento a su labor, como de estímulo para nuevas investigaciones.

Es por esta razón que, en nuestro país, así como en la mayoría de países, se garantiza la protección de la inventiva por medio de la propiedad industrial, la cual permite a los titulares del derecho tener exclusividad sobre la creación durante un tiempo determinado. Entre estos derechos se encuentran las patentes de invención y modelo de utilidad, los registros de diseños industriales y los signos distintivos (marcas, lemas comerciales, etc.).

La entidad encargada de la administración del sistema de propiedad industrial en nuestro país es la Superintendencia de Industria y Comercio, la cual brinda a los usuarios toda la información necesaria para contribuir con el avance tecnológico y económico del país. Para esto pone en su página de internet (www.sic.gov.co), a disposición de toda la comunidad académica, científica y empresarial del país las guías de propiedad industrial, las cuales pueden servir como una sólida base para trabajar hacia el acceso por parte de los inventores nacionales al sistema de propiedad industrial, y adicionalmente, brinda orientación permanente a todos aquellos que estén interesados en ahondar en el tema.

1Superintendencia de Industria y Comercio, Banco de patentes.

Bogotá, D. C. [email protected] govco,

[email protected]

Juanita Catalina Rico Valbuena1 Diana Vivas Francisconi1

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Modelo circumplejo del afecto aplicado al control de sistemas dinámicos

Recibido:9 de marzo de 2009

Aceptado:18 de mayo de 2009

José Danilo Rairán Antolines1

1 Docente en la Universidad Distrital Francisco José de

Caldas. Candidato a Doctor en Ingeniería en Sistemas y

Computación. [email protected]

ResumenEn este artículo se propone la construcción de una estrategia de control de sistemas dinámicos nueva, basada en las emociones humanas. Se quiere emular las emociones porque psicólogos y neurocientíficos han demostrado que son indispensables en el proceso de toma de decisiones, y esta es la tarea de todo controlador. Se exponen cuatro campos de aplicación para esta invención, en los cuales la autonomía y la adaptación son esenciales. Además, ocho modelos computacionales de las emociones son referenciados, dado que involucran la cognición; se concluye que es necesario hacer ajustes para incluir uno de ellos en una estrategia de control. Por esto se formula, como aporte del artículo, el uso del modelo circumplejo del afecto; este etiqueta a la combinación de dos variables como una emoción humana.

Palabras clave: Modelos de las emociones humanas, toma de decisiones, modelo circumplejo del afecto, control autónomo.

AbstractIn this paper we propose the design of a new control strategy for dynamic systems based on human emotions. Since psychologists and neuroscientists have demonstrated that emotions are indispensable in the Decision-Making-Process, and decision-making is the work of every controller, it is our desire to emulate emotions in the systems design. Here we deal with four areas of application for this invention in which autonomy and adaptability are essential. As well, eight emotion computational models are referenced. Given that these involve cognition, it is concluded as necessary to make adjustments to include one of these in a control strategy. For this reason, this article formulates the use of the Circumplex Model of Affect, a model which labels a human emotion as a variable.

Keywords: Human Emotion Models, Decision-Making Processes, Circumplex Model of Affect, Autonomous Control.

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Introducción

El uso de la razón no es suficiente en el proceso de toma de decisiones, además son indispensables las emociones. La

combinación entre la razón y las emociones facilita la elección entre opciones, cuando el número de variables a evaluar aumenta y resulta difícil determinar un óptimo [1].

En el control de sistemas dinámicos tradicional se imita el uso que los humanos damos a la lógica. Esto con el fin de estimar una corrección, la cual es la salida de todo algoritmo de control. La hipótesis de este trabajo es que añadir emociones emuladas a un controlador, incrementa la cantidad de decisiones que este puede exhibir [2], y si a esto se suma una capacidad de aprendizaje, se logra un controlador adaptable a circunstancias, incluso para las cuales este no fue diseñado.

Algunas de las funciones de las emociones son: seleccionar el centro de atención, comparar alternativas en la toma de decisiones, facilitar la comunicación, integrar las señales provenientes de sensores, servir como mecanismo de alarma, formar parte en los procesos de aprendizaje y ayudar en el control de la memoria [3].

Las emociones humanas básicas están relacionadas con motivaciones de supervivencia, y esto puede asociarse con el trabajo de un controlador; sin embargo, debe mencionarse que no todos los controladores necesitan de emociones, solo si estas mejoran su rendimiento. Por ejemplo, la ira es útil para impedir que una situación continúe; el disgusto permite corregir algo que no contribuya con la satisfacción de las necesidades; el temor es un mecanismo de defensa en contra de las amenazas; la alegría es una recompensa cuando se alcanza una meta; la sorpresa es activada en presencia de un objeto novedoso, y la tristeza se manifiesta cuando no se está en condición de satisfacer una necesidad [4].

Un controlador basado en las emociones

humanas, en contraste con uno convencional, tiene las características siguientes [5]:

1. Es flexible, sofisticado y presenta conductas más complejas.

2. Actúa de una manera más cercana a la humana, debido a que no usa solo la razón, sino que combina esta con las emociones para tomar decisiones.

3. Puede responder rápido usando poca información.

Algunas de las aplicaciones más importantes de un controlador basado en emociones son las siguientes:

1. En los vehículos no tripulados, –UAV– por sus siglas en inglés. Estos son utilizados en la exploración de sitios o condiciones ambientales difíciles para el hombre. La propuesta más reciente es la exploración de otros planetas, por esto es deseable el máximo de autonomía en todos sus mecanismos. Los tiempos de transmisión de información pueden hacer que los vehículos se pierdan si esperan órdenes con respecto a continuar o no un movimiento y cómo hacerlo, por tanto deben ser capaces de tomar decisiones y adaptarse a condiciones para las cuales no fueron construidos. Por ejemplo, deben saber elegir su destino y la forma de llegar a él, sin dirección humana, asimismo deben evitar condiciones perjudiciales para su funcionamiento [6].

2. En procesos donde puedan ocurrir fallas múltiples y la seguridad sea primordial, por ejemplo en la aviación. En la actualidad el tratamiento de estas eventualidades se basa en el uso de sistemas redundantes o estrategias de control reconfigurables, en lo cual el control robusto y las redes neuronales son las opciones más probadas [7]. Cuando un avión sufre una avería durante el vuelo, no es posible realizar el proceso de sintonización con las condiciones nuevas; lo ideal es que el controlador se adapte por sí solo y garantice al menos la estabilidad [8].

3. En la robótica. Para que los robots humanoides sean verosímiles deben tener

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expresiones y movimientos similares a los humanos, es decir, con velocidades y rutas que varían de acuerdo con la situación [9]; esto implica que deben reconocer su ambiente y de acuerdo con este adecuar sus movimientos. Son objeto de estudio actual el movimiento de los brazos, de la cabeza y las expresiones del rostro [10]. En otro sentido, si en realidad se quiere que en algún momento los robots sean autónomos, ejecutando planes propios, deben tener voluntad, lo cual implica aspectos aún en discusión como la imaginación, la atención y la conciencia, en los cuales las emociones, emuladas o propias, juegan un papel fundamental [11].

4. En el desarrollo de interfaces humano-computador, –HCI– por sus siglas en inglés; campo dentro del cual se desarrolla la computación afectiva. Esta busca crear algoritmos que capturan la naturaleza de las emociones humanas, para implementarlas en los computadores, con lo que se espera facilitar la interacción entre los humanos y las máquinas, debido a que se tiene en cuenta el estado emocional del usuario y se responde de acuerdo con él [12].

Arquitectura de control convencional

En la figura 1 se presenta la arquitectura de un sistema de control convencional, así se busca dar claridad en cuanto a algunos términos en el artículo. El objetivo del control es que una variable física de salida –y– siga lo que dicta otra, en este caso –r–. Con este fin se compara, en todo momento, lo que se percibe –y– con lo que se desea –r–, así se obtiene la señal de error –e–. Esta señal alimenta al controlador, y con base en ella se toman las decisiones, las cuales se expresan mediante la variable –u–, que sirve de entrada al proceso controlado. –d– representa una señal sobre la cual no se tiene dominio, pero que sí influye en el valor de la salida.

Figura 1. Arquitectura de control convencional. Los bloques y conexiones dentro del cuadro punteado son el sistema de control. El bloque “proceso” es sobre el

que se actúa y el bloque “controlador” es con lo que se actúa.

Un ejemplo de controlador convencional es el conocido como PID. Este tiene en cuenta lo que está pasando con el error en cada instante –P–, la historia del comportamiento del error, resumida en el valor de la integral –I–, y la tendencia de cambio del error, medida por medio de la derivada –D–, como se muestra en la ecuación 1.

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La determinación de las tres ganancias se conoce con el nombre de sintonización. Existen métodos matemáticos, empíricos y combinaciones entre ellos para sintonizar. Una vez determinadas las ganancias no se cambian, pues se supone que tanto el proceso, como los demás partes del sistema de control se mantienen invariantes en el tiempo. Aunque esto es relativamente cierto para algunas aplicaciones, en otras no.

Existen dos formas de compensar los cambios que puedan presentarse en los parámetros de un sistema. La primera es observar el proceso y volver a sintonizar cuando la efectividad del controlador caiga de un nivel prefijado. La segunda es buscar que el algoritmo de control tenga en cuenta los cambios y se reajuste, lo cual es ideal cuando la supervisión humana continua no es posible. Esta es la tarea de un controlador basado en emociones, en el cual se busca el incremento de la autonomía.

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Referentes teóricosCualquier idea acerca de las emociones debe

estar soportada por dos pilares: la psicología y la neurociencia. La primera busca definir las emociones humanas y su relación con la cognición; además, estudia el uso de estas en la interacción social, las expresiones del rostro, el contenido emocional del discurso, e incluso del texto, entre otros [9].

En relación con un controlador, la psicología estudia el aprendizaje; entendido este como un cambio de conducta, resultado de una práctica o una experiencia. Cuando se aprende se obtiene conocimiento, y este es indispensable en el proceso de toma de decisiones que debe realizar el controlador. Hay varios tipos de aprendizaje, uno de ellos es el asociativo. Este se divide en dos, los cuales son conocidos como condicionamiento clásico, o de Paulov, y operante, o de Skinner [13]. Otros tipos de aprendizaje son el juego y la imitación, pero no se exponen en este artículo.

En el condicionamiento clásico se busca, por ejemplo, que una rata asocie un estímulo, como la aparición de un sonido, con una respuesta deseada. Primero se presenta otro estímulo (el cual debe generar la respuesta deseada, por ejemplo un choque eléctrico), a la vez con el sonido. Hasta cuando el animal asocia la aparición del sonido con la ejecución de la respuesta deseada. En ese momento se afirma que el animal aprendió. El motor del aprendizaje en este caso es el temor [14].

Además de la psicología, el otro pilar en el estudio de las emociones es la neurociencia. Esta define al sistema límbico en el cerebro como el centro de las emociones. Los dos componentes fundamentales de este sistema son la amígdala y la corteza orbito-frontal.

La amígdala es considerada como la responsable de la evaluación emocional de los estímulos y de dirigir la atención y la memoria de larga duración. La corteza orbito-

frontal es reconocida por ser la encargada de la toma de decisiones [15]; incluso hasta una decisión perceptiva simple es influenciada por el contenido emocional de un estímulo [16].

Las herramientas básicas de la neurociencia son las imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI, por sus siglas en inglés), la tomografía de emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés), los electroencefalogramas y los magnetoencefalogramas [17]. Mediante estas imágenes los neurocientíficos obtienen conocimiento nuevo, gracias a la correlación de una conducta humana con las imágenes de estructuras especializadas del cerebro, mientras estas están activas. Además, también es importante el estudio de caso, por razón del cual todo el tiempo se están rompiendo paradigmas, así como se sustentan algunos y se reformulan otros más.

El análisis de las imágenes brinda la posibilidad de desarrollar modelos computacionales de las emociones humanas y su relación con el proceso de toma de decisiones. El análisis de los resultados tiene en cuenta la función de cada estructura cerebral y las proyecciones entre estas; de esta manera, las proyecciones y sus funciones son interpretadas y traducidas a algoritmos matemáticos, con lo cual se llega a los modelos.

Modelos computacionales de las emociones

Investigadores en ciencias de la cognición y áreas afines han propuesto muchos modelos computacionales de las emociones; estos son útiles para probar o refutar teorías sobre las emociones, también en la realización de experimentos que por ética no se pueden efectuar sobre humanos o animales. Uno de los más completos, basado en aportes de la neurociencia, estudia la interacción entre la atención y la memoria [18]. Un número

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menor modela el proceso cognitivo de la toma de decisiones, en especial aplicado a la robótica y a los agentes virtuales, en donde se deben planear los movimientos de manera autónoma. De estos se resaltan dos por ser utilizados en el control de sistemas dinámicos, como se propone en este artículo. El primero usa redes neuronales para hacer un control adaptable y autónomo [19]. Aunque este trabajo se ha continuado, no ha tenido un impacto alto, medido en referencias al autor u otras publicaciones.

El segundo modelo ha tenido una relevancia mayor, aunque en principio no fue diseñado para el control de sistemas dinámicos. Sus autores buscan reproducir el aprendizaje emocional que ocurre en la amígdala, así como la reacción de la corteza orbito-frontal, la cual es encargada de inhibir la salida de la amígdala, cuando esta genera una reacción inapropiada [20]. Una de las razones por las cuales el modelo es usado en control es porque las ecuaciones que expresan las conexiones entre los elementos y el trabajo de cada componente se reducen a comparaciones y a las cuatro operaciones básicas. Esto hace que el algoritmo sea útil en aplicaciones que exijan tiempo real.

Las partes del modelo son la amígdala, la corteza orbito-frontal, la corteza sensorial, el tálamo y una señal de recompensa. Esta última sin par en la anatomía humana. Se utiliza la amígdala, debido a que ella reacciona de manera innata ante estímulos, como el dolor o algunos olores, y puede realizar asociaciones nuevas, es decir, aprender de estímulos considerados antes neutros, como explica el aprendizaje asociativo. En el modelo, la salida de la amígdala nunca decrece de valor: una vez aprende nunca olvida. Por esto se requiere la corteza orbito-frontal; su fin es inhibir las reacciones emocionales, si no son adecuadas. La corteza sensorial es la encargada de adquirir y direccionar los estímulos de entrada. Asociada a ella está el tálamo, representado por el máximo de los estímulos de entrada. Su trabajo es simular un sistema rápido de clasificación de señales.

En la validación del modelo se realizan tres experimentos. El primero demuestra que el modelo puede asociar una señal de entrada a una salida emocional, luego desasociarla, cuando no existe señal de refuerzo, y finalmente puede reasociarla. Esta es la funcionalidad mínima de un modelo con aprendizaje asociativo. El segundo experimento demuestra que solo se memoriza un estímulo a la vez y los demás son bloqueados. En el tercero, una señal puede ser entrenada para inhibir la acción de otra.

Con base en el modelo de Morén se ha propuesto una estrategia de control denominada BELBIC, por las siglas en inglés de “controlador inteligente basado en el aprendizaje emocional del cerebro” [21]. De este se promueve su capacidad de adaptación, en aplicaciones tan diversas como un intercambiador de calor, un sistema de potencia, un vehículo espacial, un motor sincrónico, una lavadora eléctrica y un motor de reluctancia variable. En un solo artículo se controlan tres procesos: el oscilador de Duffing, el de Van Der Pol y un sistema balancín [22]. Para comparar los resultados se presenta la tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de ajuste del controlador BELBIC. La salida de cada sistema es yp, la salida deseada es yr, la posición es x, el ángulo del balancín es c, el error es e.

La señal –S– en la tabla 1 es la entrada sensorial del controlador; –Rew– es la señal de recompensa, esta permite el aprendizaje; – a– y – 0– son constantes que definen la velocidad de aprendizaje del modelo. Se deben ajustar entre seis y ocho parámetros para que el control cumpla con su trabajo; sin embargo, en el artículo no hay criterios para seleccionar los valores de las constantes o la composición de las señales –S– o –Rew–,

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sino que todo el trabajo, afirman, le queda al diseñador, mediante ajustes por ensayo y error. El controlador se adapta a cambios en la señal de entrada y a ruido añadido, pero estos están desde el momento de sintonización, por lo cual en realidad no es posible predecir el comportamiento ante condiciones desconocidas para el controlador. Se puede concluir que el controlador se adapta, pero nunca puede decirse que es autónomo.

El valor máximo de la señal de control es otro inconveniente. En el primer sistema llega a 700 N, en el segundo a 200 N y en el tercero, donde el actuador es un motor, a 900 V. Estos no son valores que se puedan lograr en un laboratorio convencional, así que el cálculo matemático e idealizado dista mucho de lo que ocurre en la realidad. Esto significa que aún hace falta trabajo para considerar que se tiene un controlador adaptable, autónomo y basado en las emociones humanas.

A continuación se da una descripción breve de otros modelos computacionales, los cuales pueden tenerse en cuenta en la generación de una estrategia nueva de control de sistemas dinámicos.

Jorge L. Armony, et. al. 1997. Incluye en el grupo de trabajo a Joseph E. LeDoux. Proponen un modelo conexionista para el condicionamiento clásico por temor como método de aprendizaje.

Katsuhiko Miyazaki, et. al. 1998. A partir de las observaciones del comportamiento de ratas ante un experimento, presentan un modelo donde la amígdala influye en la formación de la memoria y en el aprendizaje en el cerebro.

R. Manzotti, G. Metta, G. Sandini. 1999. Emulan en un modelo las conexiones y funciones de estructuras cerebrales, las cuales permiten la asociación entre un estímulo y una señal de refuerzo. Implementan su modelo en el control del movimiento autónomo de un brazo robótico.

François Michoud. 2002. Su modelo se llama EMIB. Este es aplicado en la planeación de movimiento de un robot móvil, del cual se desea autonomía, para lo cual se utilizan las variables motivación y emoción.

Robert P. Marinier III, John E. Laird. 2004. Construyen un modelo y lo prueban con el funcionamiento de un agente en un juego interactivo. El modelo incluye un componente cognitivo y otro físico; dentro de estos están las emociones, la memoria, la percepción y el sistema motor.

Alessandre Grecucci, Richard Cooper, Raffaella Rumiati. 2007. Con base en el estudio del efecto de observar imágenes con contenido emocional negativo mientras se repite una acción, se plantea un modelo. Este explica el punto de vista competitivo y sinérgico de las emociones en la ejecución de tareas cognitivas.

Los modelos computacionales mencionados en este apartado, pueden separarse en dos grupos. Uno en el cual sus componentes son estructuras cerebrales, como la amígdala y la corteza orbito-frontal. En el otro grupo los componentes son las funciones mentales que se quieran emular, como la memoria, la emoción o la evaluación de alternativas. En realidad ninguno de ellos presenta ventajas sobresalientes sobre el otro, así que la construcción de un modelo nuevo puede valerse de cualquiera de los dos enfoques.

Es importante anotar que solo uno de los ocho modelos, EMID, tiene una salida emocional que pueda etiquetarse como alguna de las emociones humanas, para el caso alegría o tristeza, ira o temor. Los demás tienen como salida una variable que pasa de cero a uno, o un rango entre cero y uno, para emular la activación de la emoción. Si se quiere que un controlador emule las emociones humanas, hace falta más, como se explica en el apartado siguiente.

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Teoría dimensional de las emociones

En esta sección se propone asumir un modelo continuo de las emociones en la estrategia de control nueva. Esto significa que existen teorías donde las emociones son discretas, por lo cual algunas de ellas se convierten en principales o básicas. Debido a que el punto de vista discreto ha inspirado la mayoría de aplicaciones en ingeniería, resulta conveniente mencionar algunos de sus teóricos. Robert Plutchik describe las emociones como procesos de adaptación que colaboran en la supervivencia de los seres vivos y distingue ocho emociones principales. Paul Ekman estudia las emociones a través de las expresiones del rostro y define seis emociones básicas. Uno más es Nico Frijda, quien afirma que las emociones son la respuesta a las situaciones, y describe seis emociones principales. Los estudios con base en las emociones básicas buscan utilizar la ira y el temor, en primera instancia, por ejemplo, en algoritmos de búsqueda y en la generación de autonomía [23].

En contraposición con las teorías discretas de las emociones se presentan las continuas, con dos enfoques: uno conocido como teoría de la valoración y otro como teoría dimensional del afecto. Dos expositores de la primera propuesta son los psicólogos Richard Lazarus y Craig Smith. Esta busca definir las emociones como resultado de la evaluación de una situación, lo cual explica el porqué una misma condición activa emociones variadas en una persona, en función del contexto, o emociones distintas en personas distintas.

En la definición de la emoción se tiene en cuenta lo repentino de la situación, la importancia de la meta que se busca, el control que se pueda tener de la situación, la energía disponible, entre otros aspectos. Al respecto se han documentado proyectos que usan de 5 a 16 variables [24]. En la actualidad se trabaja en la sustentación de esta teoría desde la

neurociencia; además, en su complementación con el uso de la teoría de sistemas dinámicos no lineales y en la generación de modelos computacionales [25].

El segundo enfoque de las teorías continuas es la teoría dimensional. Esta es propuesta por James Russell en 1980, quien midió los estados emocionales en los humanos por medio de dos variables: la valencia y la activación. La valencia indica si una experiencia emocional es positiva o negativa, en un rango continuo que pasa por neutro. La activación va de inactiva hasta muy activa [26]. Cuando Russell realizó las mediciones, las ubicó en un sistema coordenado, con la valencia como eje horizontal y la activación como vertical. Así es visible que las emociones ocupan una región circular, por lo cual se conoce a este aporte como el modelo circumplejo de las emociones, véase la figura 2. Aunque esta teoría se planteó desde la psicología, en años recientes se le ha dado sustento desde la neurociencia, por ejemplo [27] demuestra la existencia de un circuito cerebral encargado de definir la valencia y otro, el nivel de activación.

Mediante el uso del modelo circumplejo se han realizado aportes en medicina, en psicología, en el análisis del lenguaje y en música, entre otros campos. Trabajos más cercanos al tema del artículo son la medición del estado emocional de una persona y el cambio de las características de presentación de la pantalla en un teléfono móvil [28]; también, la medición del estado emocional de un jugador, con el fin de cambiar las características de un juego de video [29].

Otro trabajo, realizado por Manny Sanguillen, mide el estado emocional de una persona a través de la velocidad y posición de algunos puntos sobre el brazo y la mano, mientras se golpea una puerta. Esto con el fin de hacer verosímiles los movimientos de los robots.

Otro aporte relacionado con la robótica es el diseño y construcción de EDDIE.

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Este robot regula la actuación de los servomotores que componen el movimiento de sus orejas, ojos y boca en la generación de expresiones emocionales [30]. Del análisis de las aplicaciones se concluye que la teoría dimensional tiene características que la hacen útil en el planteamiento de una estrategia de control basada en las emociones. Una de ellas es la evaluación continua del estado emocional y otra, la facilidad de implementación; esta última medida a través de la variedad de campos en donde se ha usado.

El trabajo futuro consiste en asignar funciones matemáticas a los ejes del modelo circumplejo. Estas deben depender del error y representar estados emocionales, como se presenta en la figura 2. Una vez definida la emoción se evaluará la forma en que cada estado puede transformarse, para llevarlo a un punto de equilibrio emocional. Las acciones que se tomen deben tener en cuenta la experiencia acumulada por el controlador, durante un proceso de aprendizaje continuo.

Figura 2. Modelo circumplejo de las emociones. Russell 1980. a) La alegría es la combinación de una

valencia positiva alta y una activación media; la tristeza, valencia negativa alta y activación baja. b) Definición de los ejes valencia y activación en

función del error.

Ahora bien, recuérdese que el trabajo de un controlador puede considerarse como una toma de decisiones, porque este mantiene, aumenta o disminuye su salida, con el fin de dirigir el comportamiento de un sistema dinámico, para que este pase de un estado inicial a otro deseado, llamado referencia.

Se utilizará el plano fase, porque es una herramienta matemática que permite visualizar la dinámica del sistema controlado. En el eje “x” está la variable a controlar, y en el “y”, la variación temporal de esa variable, o derivada. Se anexa un eje, el “z”, como una medida relacionada con la energía del sistema. A cada coordenada “x,y” se le asocia un valor de energía, con lo cual se genera un paisaje. Así, cuando el estado actual del sistema cambia en el tiempo, este se mueve a través de “valles” y “colinas”, hasta alcanzar un punto de equilibrio estable, en un mínimo; o un máximo, si es un estado de equilibrio inestable, como se presenta en la figura 3.

Figura 3. Dinámica del sistema en el plano fase, extendido a 3D. Las coordenadas del estado actual corresponden a la ubicación de un agente virtual, el cual tiene la tarea de ir a otro estado, deseado, y lo hace tomando decisiones con base en estados

emocionales.

Una de las innovaciones de este trabajo es considerar a la dinámica de la salida de la planta, en cada instante de tiempo, en el plano fase, como si fuera el viaje de un agente virtual, el cual tiene como objetivo llegar a una coordenada específica: la referencia. El agente disminuye la distancia entre el punto donde está y a donde desea llegar, para ello toma decisiones racionales y emocionales. Lo racional es el resultado de la aplicación de cualquier estrategia de control.

La componente emocional del controlador tiene dos partes: el estado emocional (instantáneo), y el ánimo (un acumulado),

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ver la figura 4. El estado emocional ideal es la calma: neutra en valencia y poco activa; ésta se asocia con un estado en donde la distancia a reducir, en el paisaje 3D, es pequeña o nula, y la tendencia es que todo siga igual, por lo cual se decide mantener la corrección que se tenía.

Figura 4. Modelo circumplejo en la definición de las emociones. Se define un estado emocional, y a este se le asocia la corrección que debe hacer el controlador. La señal r - y corresponde a –e– en la figura 1; asimismo –u– es la salida del controlador,

aquí denominado agente.

El ánimo depende de cuanto tiempo el agente experimenta una misma emoción, y se implementa mediante un filtro pasabajos, con el estado emocional como entrada. Con el ánimo se evita el efecto de los cambios rápidos de una emoción a otra, causados por transiciones en la señal de referencia. La corrección que emite el controlador, desde el punto de vista emocional, es la suma de la decisión basada en la emoción y en el ánimo. La corrección aplicada al sistema dinámico corresponde a la suma de la contribución racional y la emocional, con lo cual se emula cooperación; aunque también es posible imitar competencia.

Si bien es cierto que se trabaja en la aplicación del controlador emocional en sistemas no lineales, como adelanto, se han alcanzado resultados sobre sistemas lineales de orden uno y dos. La estrategia de control propuesta está dirigida a sistemas que requieran adaptación, porque alguno de sus parámetros

varía, o en donde se necesita autonomía. Por ejemplo en el tratamiento de sistemas ante fallos, en robótica móvil, o en vehículos no tripulados.

ConclusionesPsicólogos y neurocientíficos han

demostrado que en el proceso de toma de decisiones es indispensable una combinación entre la razón y las emociones. Por esto es acertado emularlas en un controlador de sistemas dinámicos, debido a que el trabajo de este es decidir cuál es una acción de corrección en función de la dinámica de una variable conocida como error. En este sentido se han realizado algunas propuestas, pero aún no se ha alcanzado la autonomía, la cual se cree es la ventaja mayor que estos controladores deben tener.

En la construcción de un modelo de emociones nuevo, pueden utilizarse dos enfoques. El primero es un modelo conexionista, con sus componentes como estructuras cerebrales; en el segundo se utilizan bloques, correspondientes a las funciones cerebrales que se quieren emular. En este artículo se ha visto que ninguno de los dos enfoques presenta una ventaja significativa con respecto al otro.

La teoría dimensional conocida como modelo circumplejo del afecto tiene características que la hacen útil en el planteamiento de una estrategia de control nueva. Una de ellas es la evaluación continua del estado emocional, otra es la facilidad de implementación, pero la más importante es que su salida puede etiquetarse como una emoción humana.

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Recibido:15 de agosto de 2008

Aceptado:3 de junio de 2009

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*Enfermera Magíster en Enfermería con énfasis en cuidado al

paciente crónico, Especialista Medicoquirúrgica con énfasis en neurocirugía. Docente Asociado

Facultad Ciencias de la Salud, Universidad Francisco de Paula

Santander, Grupo de investigación de cuidado de enfermería

E-Mail: [email protected].**Docente Asociado Facultad

Ciencias de la Salud, Universidad Francisco de Paula Santander,

Enfermera Magíster en Enfermería con énfasis en cuidado al

paciente crónico, Especialista Docencia Universitaria. Grupo de investigación de cuidado de

enfermería E-Mail: [email protected].

*** Docente Asociado Facultad Ciencias de la Salud, Universidad

Francisco de Paula Santander, Magíster en Enfermería con

énfasis en cuidado al paciente crónico, Especialista en enfermería

Nefrologica, Especialista en Docencia Universitaria. Grupo de

Investigación en Salud Publica E-mail: [email protected]

Olga Marina Vega Angarita* Dianne Sofía González Escobar** Ma. Mercedes Ramírez Ordoñez.***

ResumenEl proyecto realizado en el Norte de Santander hace parte del Estudio Multicentrico sobre Implementación en Red y Evaluación del Programa Cuidando a los Cuidadores, coordinado por el Grupo de Cuidado al Paciente Crónico de la Universidad Nacional de Colombia, gestora del trabajo colaborativo. Con un abordaje cuantitativo de tipo cuasi experimental, con grupos muestra y control, se realizo medición de la habilidad de cuidado a los cuidadores antes y después de la intervención y análisis comparativo de resultados. La población estuvo constituida por 50 cuidadores para ambos grupos. La investigación mantuvo los parámetros éticos para estudios con seres humanos. Se emplearon los instrumentos inventario de habilidad de cuidado ( CAI) de Ngozi O. Nkongho, caracterización de los cuidadores y el perfil Pulses.

Respecto al CAI total y el componente Valor se logró determinar que existen diferencias estadísticamente significativas entre los promedios de los grupos para los dos momentos de medición; siendo significativamente mayor en el grupo estudio tanto en la medición inicial como en la medición final (p<0,01). Lo cual permite concluir que el programa fortalece la habilidad de cuidado total y el valor en los cuidadores que participan en él, y demuestra la necesidad de continuar explorando estrategias de intervención frente a la problemática de la cronicidad.

Palabras Clave: Cuidadores familiares, enfermedad crónica, programa cuidando a los cuidadores.

AbstractHe studied multicentrico on the implementation in net and evaluation of the program taking care of the caretakers, it constitutes the result of the work carried out in the North of Santander with the participation of investigators of Latin America under the coordination of the National University of Colombia agente of the collaborative work. With a quantitative boarding of quasi experimental type with groups sample and control and mensuration of the ability of care to the caretakers before and after the intervention, with comparative analysis of

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results. The population was constituted by 50 caretakers for both groups. The investigation maintained the ethical parameters for studies with human beings. You uses the instrument inventory of ability of care of Ngozi O. Nkongho, the caretakers’ instrument characterization designed by the group of care to the chronic patient of the National University of Colombia and the profile Pulses.

With regard to the I CAI total and the component Value was possible to determine that differences exist statistically significant among the averages of the groups for the two mensuration moments; being significantly bigger in the group studies so much in the initial mensuration as in the final mensuration (p <0,01).

Keywords: Family carers, chronically ill, carers care program

Introducción

El mundo está experimentando un rápido aumento de los problemas crónicos de salud, hasta el punto que las enfermedades

crónicas constituyen actualmente más de la mitad de la carga mundial de morbilidad1.

La Organización Mundial de la salud ha documentado ampliamente el papel de las enfermedades cardiovasculares como causa principal de defunción en casi todos los países de las Américas. La mayoría de las muertes debidas a enfermedades crónicas y degenerativas se producen a una edad relativamente avanzada, como lo muestran los datos comparativos de principios de los noventa, en muchos de los países, más de la mitad de las muertes se producen a los 65 años o más tarde. Información significativa teniendo en cuenta que se prevé que en los próximos treinta años el índice de envejecimiento se duplicara o triplicara, teniendo en muchos países en el año 2025 menos jóvenes que personas mayores de 60 y mas años. 2 Señala que cerca del 60% de las muertes que ocurren en el mundo hoy se deben a las enfermedades crónicas”3, en especial la enfermedad cardiaca, la enfermedad cerebrovascular, el cáncer y la enfermedad pulmonar. El informe de la OMS para 1999 advierte que estas enfermedades serán probablemente responsables del incremento en la carga de enfermedad, especialmente en los países en

vías de desarrollo.

Actualmente las condiciones demográficas que caracterizan a Colombia son aumento progresivo de la población, rápida urbanización, fuerte tendencia a disminuir las tasas de natalidad y aumento de la expectativa de vida al nacer. Según proyecciones del DANE entre los años 1985 y 2025 el total de la población colombiana aumentará un 168% y la población de adulto mayor crecerá 274%, esta situación traerá considerables implicaciones sociales, económicas y de atención en salud. “El número de habitantes mayores de 60 años sería de 1’911.716 (6.03% del total de la población) en 1.985, 2’900.766 (6.85%) de la población en el 2000 y, 5’251.457 (9.87%) de la población en el 2025”4.

A nivel regional, las enfermedades crónicas no transmisibles especialmente las cardiovasculares y cáncer se han constituido en un problema de salud publica en el Norte de Santander, “presentando una mortalidad creciente y una proporción del 17.24% respectivamente del total ocupando el segundo lugar después de la agresión por disparo en el año de 1.998 y siendo la enfermedad cardiocerebrovascular la primera causa de muerte por enfermedades crónicas”5

Información del Boletín Epidemiológico del año 20056, destaca en el tercer lugar de las diez primeras causas de morbilidad por consulta externa y urgencias en todas las

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edades, la hipertensión arterial con una tasa de 33,40 por 1.000 habitantes, en el grupo de edad de 45 a 59 años; en el grupo de 60 y mas años la hipertensión arterial ocupa el segundo y primer lugar respectivamente. De otra parte, como causas de morbilidad hospitalaria se encuentra en el grupo de edad de 45 a 59 años como primeras causas la enfermedad mental no especificada y la insuficiencia cardiaca congestiva. En el grupo de edad de 60 y más años, las primeras causas de morbilidad hospitalaria están7 representadas por la Insuficiencia cardiaca congestiva, la hipertensión arterial, la enfermedad cardiaca hipertensiva y el accidente cerebro vascular.

La trascendencia de esta situación, con tendencia al aumento, reside no sólo en las tasas de morbilidad y mortalidad sino en su larga duración y elevado número de discapacitados que originan carga social, familiar y económica, y representan años de vida productiva perdidos.

Las limitaciones y discapacidades que provocan las enfermedades crónicas afectan tanto la calidad de vida del individuo como la de su cuidador o cuidadores. Ante este evento los cuidadores deben asumir una serie de tareas de cuidado que requieren del desarrollo de habilidades cognitivas y actitudinales.

Frente a esta realidad es de resaltar como importantes organizaciones en salud han definido políticas y estrategias que atiendan esta problemática. La OPS, al respecto planteo frentes estratégicos de acción de acuerdo con la estrategia mundial para la prevención y el control de las enfermedades no transmisibles. La iniciativa CARMEN (Conjunto de Acciones para la Reducción Multifactorial de las Enfermedades), que ha sido adoptada por varios países miembros, entre ellos Colombia.

A nivel del país y específicamente en el departamento Norte de Santander, se han logrado algunos avances en el diagnóstico de algunas enfermedades crónicas que lamentablemente no se han cristalizado en programas y proyectos de atención continuos

e integrales. Con relación a la diabetes y la hipertensión, por ejemplo, se encuentran experiencias y registros de acciones de prevención con el propósito de disminuir la incidencia con acciones orientadas especialmente al diagnóstico precoz y captación de pacientes para intervenciones puntuales en programas que no han tenido continuidad.

Sin embargo, la situación actual de las enfermedades crónicas en el país y en la región, está acompañada de una problemática que no ha sido abordada por los servicios de salud y por enfermería, las personas que asumen la responsabilidad de cuidado en casa del enfermo crónico, los cuidadores familiares, y el impacto que este cuidado tiene en su salud física y mental, en su desarrollo personal, espiritual, familiar, social y económico, y en su calidad de vida.

En razón a que el objetivo de la atención de enfermería es ayudar a las personas a conseguir la salud, bienestar y calidad de vida óptimos que requieren, recibiendo cuidados que sean coherentes con las necesidades, los valores, deseos y contexto de la persona; el cuidado de las personas que viven en situación crónica de enfermedad requiere un abordaje total, que ayude al individuo y a su familia a adoptar medidas orientadas a reducir o eliminar de ser posible los trastornos y discapacidades a corto, mediano y largo plazo; a reducir al mínimo el sufrimiento, como también de facilitar los procesos de adaptación del paciente y la familia a las dolencias o situaciones irremediables secundarias a la enfermedad.

El Consejo Internacional de Enfermeras (CIE), como federación de las asociaciones nacionales de enfermeras de 125 países, y como portavoz internacional de la enfermería establece que los profesionales de enfermería han de desempeñar una función importante en la pronta detección e intervención, y han de participar en la promoción de la salud, prevención de la enfermedad, en la docencia y en el asesoramiento de programas para las personas discapacitadas y sus familias.

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El conocimiento que los profesionales de enfermería tengan sobre el grado de complejidad de la situación crónica, la habilidad que tiene el cuidador para ofrecer cuidado y los apoyos disponibles para el cuidado, permiten establecer prioridades de acción y formular estrategias educativas, asistenciales e investigativas, conducentes a mejorar la situación de salud en la que se encuentran inmersas estas personas.

En América Latina se ha observado que las personas que tienen un familiar con enfermedad crónica tienen la obligación de desempeñarse como cuidadores, pero no cuentan con la orientación requerida. Se ha documentado de manera importante una deficiente habilidad de cuidado entre estos cuidadores familiares, pero también de han identificado en ellos fortalezas diferentes a las de otras latitudes que pueden apoyar el servicio requerido como disponibilidad de soporte para los cuidadores7.

El cuidador familiar, es la persona que presta cuidado de forma regular y cotidiana de diferentes formas; cuidado directo e instrumental en relación con el baño e higiene del paciente, alimentación, comodidad y confort, administración y control de tratamiento farmacológico y algunos procedimientos básicos necesarios para la estabilidad y bienestar de la persona enferma, sin contar con sus responsabilidades básicas de mantenimiento del hogar, trabajo, etc. Igualmente da cuidado indirecto, cuando supervisa, responde por las decisiones y da protección al paciente.8

Bajo este referente local, es válido afirmar que el desarrollo de habilidades del cuidado de los cuidadores se relaciona con factores ambientales y situacionales. Planteando la urgente necesidad de profundizar en ésta área. Si bien se han adelantado investigaciones sobre el cuidado de los cuidadores en la última década, la mayoría de los estudios son de carácter descriptivo y su aplicabilidad es restringida, por lo que poco apoyan a la situación real de estas situaciones9. Por otra

parte llama la atención la escasa información sobre los aspectos positivos de la experiencia humana de cuidar.

En nuestros servicios de salud el cuidador es desconocido, no se le tiene en cuenta o se considera que no sabe, y no se han generado mecanismos sólidos y colectivos para apoyarlo en su responsabilidad. De forma paradójica, cada día con mayor frecuencia el cuidador recibe nuevas delegaciones para las cuales no está capacitado. Le entregamos un familiar enfermo o discapacitado porque el costo institucional de hospitalización es muy alto para las empresas prestadoras de servicios de salud, o porque no existen servicios adecuados y suficientes de cuidado a largo plazo, y el cuidador debe llevar a esta persona al hogar sin saber que sucederá.

Es entonces necesario desarrollar proyectos donde enfermería trabaje con esquemas que promuevan la salud total de quienes viven en situación crónica de enfermedad y orienten sus esfuerzos al cuidado integral, el fomento de la autonomía, el respeto y la dignidad de la persona en esta situación en su grupo familiar y social.

Para desarrollar este tipo de proyecto es indispensable, incluir al Cuidador (es) real y potencial de las personas en situación de enfermedad crónica, pues son protagonistas importantes, aunque hasta hace poco invisibles, de los procesos de atención, rehabilitación y cuidado permanente. Son personas que sin sufrir la enfermedad se enfrentan a la realidad de sus complicaciones, asumiendo un rol para el que generalmente no se encuentran preparados, modificando su calidad de vida en los aspectos: social, emocional , laboral, económico, familiar y condición de salud.

El presente estudio pretende evaluar la efectividad del programa cuidando a los cuidadores para el desarrollo de habilidades de cuidado en cuidadores familiares de personas adultas con enfermedad crónica en Cúcuta, Norte de Santander. Busca aportar al conocimiento y practica de enfermería

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a través de la experiencia de cuidado de los cuidadores familiares de personas que se encuentran en situación de enfermedad crónica. La responsabilidad de asumir el cuidado demanda al cuidador el desarrollo de habilidades cognoscitivas y actitudinales complejas para el ejercicio protagónico del cuidado en casa.

Solo a través de las experiencias de interacción y encuentro con los cuidadores de las personas en situación crónica de enfermedad, es posible construir conocimiento, alcanzar la comprensión de lo que esta experiencia representa y validar intervenciones terapéuticas que posibiliten el desarrollo de las habilidades necesarias para el ejercicio del cuidado y de su propio autocuidado, con herramientas y recursos adecuados y suficientes para enfrentar los cambios a los que el desempeño de este rol los aboca en todas sus dimensiones, con la mayor seguridad, autonomía e independencia posible.

El entrenamiento ha demostrado ser una herramienta útil, aun en los casos de mas difícil manejo como lo son la situaciones de demencia. Dentro del mismo es preciso desarrollar el conocimiento, apoyar en la adaptación del ambiente cotidiano, respaldar la toma de decisiones, ayudar a establecer y reconocer las redes de soporte social y encontrar significado en cada uno de los actos del cuidado y de las opciones para compartir una vida que puede irradiar luz suficiente para iluminar el sendero de los demás miembros de la misma familia.10

Representa una oportunidad para la cualificación del cuidado de enfermería a las personas en esta situación, la integración de la docencia y la asistencia alrededor de las necesidades de salud del contexto, el desarrollo de procesos administrativos centrados en el cuidado que respondan a las condiciones actuales de organización y prestación de servicios de salud.

Permitirá igualmente, un acercamiento y mayor comprensión de lo que representa para

el cuidador la experiencia de cuidar a una persona en situación de enfermedad crónica y cambios percibidos en ella con el desarrollo de habilidades cognoscitivas y actitudinales, representadas en las tareas e intervenciones de índole instrumental y emocional que debe realizar, la adaptación a los cambios de rol y en las relaciones personales y familiares.

Materiales y métodos Desde lo metodológico el estudio utilizó

un diseño de corte cuasi experimental con abordaje cuantitativo. Los grupos a estudio (muestra y control) estuvieron conformados equitativamente por 50 cuidadores familiares, usuarios de la IPS Instituto de Seguros Sociales Francisco de Paula Santander, ESE Hospital Universitario Erasmo Meoz, Centro de Rehabilitación Cardioneuromuscular y Oncomédical; así como afiliados a grupos organizados, Asociación de Discapacitados de la Ciudadela La Libertad, que reunieron los criterios de inclusión definidos en el proyecto. El grupo muestra recibió el programa de desarrollo de habilidades de cuidado “Cuidando a los Cuidadores”, El grupo control participo en encuentros de apoyo convencionales. Luego de explicar los propósitos del estudio y de obtener el consentimiento informado se obtuvieron los datos del cuidador familiar y del enfermo crónico.

La información se recolectó por medio de los instrumentos Caracterización de los cuidadores, Inventario para la habilidad de cuidado ( CAI) y Escala PULSES. En la identificación de las características sociodemográficas de los cuidadores participantes se utilizó un cuestionario que identifica el sexo, edad del cuidador y del paciente, nivel de escolaridad, estado civil, ocupación, nivel socioeconómico, cuidado desde el momento del diagnóstico, tiempo de cuidado y parentesco con la persona cuidada. La determinación del nivel de funcionalidad del enfermo crónico en términos de su capacidad física y cognitiva fue medida a través del perfil “PULSES” creada por

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Moskowitz en 1957. Esta escala refleja los niveles de funcionalidad en seis parámetros: estabilidad de la patología, utilización de los miembros superiores, locomoción, capacidad sensorial, eliminación, y actividad social según lo esperado; con una graduación tipo likert; donde uno (1) equivale a independiente y cuatro (4) a completamente dependiente.

La evaluación del grado de habilidad de cuidado de una persona para cuidar a otros, se realizo con el instrumento diseñado por la doctora Ngozi O. Nkongho “Inventario para la habilidad de cuidado”, denominado CAI , Caring Hability Inventory. Instrumento que ha mostrado un grado de validez de 0.80 y 0.84 de confiabilidad. Constituido por treinta y siete ítems (37), agrupados en las categorías conocimiento (14), valor (10) y paciencia (13). La estructuración de respuesta tipo Likert del instrumento permite su autoadministración e indican los puntajes más altos mayor grado de habilidad de cuidado para un ítem formulado positivamente; en los ítems negativamente formulados, el puntaje se invierte. Las respuestas a los diferentes ítems se suman en cada sub-escala, dando un puntaje total de habilidad y por cada subescala o categoría. La sub-escala Conocimiento se determina a través de 14 ítems, con un posible rango de puntaje de 14 a 98. Incluye los ítems número 2,3,6,7,9,19,22,26,30,31,33,34,35 y 36 del instrumento. La sub-escala Valor tiene 13 ítems, con posible rango de puntaje de 13 a 91, que corresponden a los ítems 4,8,11,12,13,14,15,16,23,25,28,29 y 32 del instrumento. La sub-escala Paciencia tiene 10 ítems y su puntaje puede ir de 10 hasta 70, los ítems del instrumento que corresponden a esta categoría son el 1,5,10,17,18,20,21,24,27 y 37.

Los datos obtenidos a través de los cuestionarios iníciales y finales se incorporaron a una matriz en Microsoft Excel y se procesaron en el software estadístico MINITAB versión 14.0, con el cual se generaron estadísticas descriptivas e inferenciales.

ResultadosCaracterísticas de los cuidadores.

En el grupo estudio, el 82% de los cuidadores eran mujeres y el 18% hombres. El rango de edad predominante estaba en los mayores de 60 años con un 48%, seguido de 36 a 59 años con el 42% y de 18 a 35 años en el 10% de los casos. La mayoría se dedica al hogar (64 %) y el 26% labora como independiente. En cuanto al nivel de escolaridad se logró identificar que el 52% de los cuidadores del grupo solo ha estudiado algún grado de primaria, con un nivel de analfabetismo del 14%. El 80% de los cuidadores tenían más de 37 meses en el desempeño del rol, el 10% entre 0 y 6 meses, el 6% de 7 a 18 meses y el 4%. En el 68% de los casos la persona es el único cuidador del enfermo crónico, dedicando a las acciones de cuidado las 24 horas del día (66%). Respecto a la relación o parentesco con la persona cuidada, el 40% de los cuidadores son padre ó madre del paciente, 24% esposa(o) del paciente y el 22% son hijas(os). El 48% de los pacientes se encuentra en un rango de edad mayor al de su cuidador, mientras que el 46% se encuentra en un rango inferior. Sólo el 6% de los pacientes se encuentra en el mismo rango de edad del cuidador. Respecto al nivel de funcionalidad del enfermo crónico medido con la escala PULSES, el 48% de los receptores de cuidado tienen un compromiso severo, el 30% un compromiso moderado y el 22% un compromiso leve.

En el grupo control, el 84% de los cuidadores eran mujeres y el 16 % hombres. La edad del cuidador estaba entre 36 a 59 años en un 52% de los casos, entre 18 a 35 años en el 34% y un 10% eran mayores de 60 años. La ocupación de los cuidadores de este grupo es principalmente el hogar en un 54%, el 26 % labora de manera independiente y el 16% es empleado. En cuanto al nivel de escolaridad, el 56% de los cuidadores han realizado estudios de secundaria, con un

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nivel de analfabetismo del 2%. El 42% de los cuidadores lleva un periodo inferior a 6 meses en la experiencia de cuidar, el 26 % más de 37 meses y el 24% entre 7 y 18 meses. Dedican a la labor de cuidar al familiar enfermo las 24 horas del día el 44% de los casos, entre 7 y 12 horas el 22%, entre 13 y 23 horas el 12% y menos de 6 horas al día el 22%. Un 38 % de los cuidadores no cuentan con apoyo en la labor de cuidado del enfermo crónico. En cuanto a la relación de parentesco, el 30% de los cuidadores son el padre ó la madre del paciente, el 20 % son el esposo ó la esposa del paciente y el 24% son hijos(as) del paciente. El 48% de los pacientes se encuentra en un rango de edad mayor al de sus cuidadores, el 46% se encuentra en un rango de edad inferior y el 6% de los pacientes se encuentra dentro del mismo rango de edad que la de su cuidador. El compromiso del nivel de funcionalidad de los enfermos crónicos de acuerdo a la escala PULSES reportó un compromiso severo en el 52% de los casos, compromiso moderado en el 30% y con compromiso leve un18% de los pacientes.

Habilidad de cuidado de los Cuidadores.

Figura 1. Clasificación general habilidad de cuidado

La habilidad de cuidado de los cuidadores fue analizada de manera total y por componentes, antes y después de la intervención, en el grupo estudio y control. El valor promedio del CAI Total se ubico en 200.6 en la valoración inicial, pasando a 203.2 en la valoración final. En el grupo estudio, el valor promedio

inicial se ubico en 205.6 pasando a 206.5 en la valoración final; mientras en el grupo control, la valoración inicial registro un promedio de 195.6 pasando a 199.9 en la valoración final. El valor promedio de habilidad de cuidado total a nivel general presento un incremento en la valoración final respecto a la valoración inicial, tanto en el grupo estudio como en el grupo control. (Figura 1.).

En el componente conocimiento se presentó un incremento en el valor promedio en la medición final en relación con la medición inicial en ambos grupos, significativamente en el grupo control. Para el grupo estudio se encontró que el promedio pasó de 82.8 (DS 10.8) a 83.0 (DS 8.3); mientras que en el grupo control el valor promedio pasó de 81.2 (DS 11.6) en la medición inicial a 89.2 (DS 8.4) en la medición final.

El componente paciencia para el grupo estudio presento una mediana de 62.5 en la medición inicial (DS 8.4) y una mediana de 61 (DS 7.3) en la medición final. Por su parte el grupo control presento una mediana de 62 en la medición inicial (DS 8.1) pasando a una mediana de 67 y (DS 4.6) en la medición final.

El componente valor para el grupo estudio presento una mediana de 60 en la medición inicial (DS 13.4) y una mediana de 63.5 (DS 13.2) en la medición final. Por su parte el grupo control presento una mediana de 56 en la medición inicial (DS 12.4), pasando a una mediana de 44 (DS 10.5) en la medición final.

Comparativo por grupos.

El valor promedio para habilidades de cuidado a nivel general presentó un incremento en su valoración final con respecto a la valoración inicial, tanto en el grupo estudio como en el grupo control (Figura 2.).

Con respecto al componente conocimiento, igualmente se presentó un incremento en el valor promedio en la medición final en relación

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con la medición inicial, significativamente en el grupo control; Para el grupo estudio, el valor promedio pasó de 82,8 a 83, mientras que en el grupo control el valor promedio pasó de 81,2 en la medición inicial a 89,2 en la medición final (Figura 3).

Figura 2. Comparativo general para resultados de habilidad de cuidado

Figura 3. Comparativo resultados componente conocimiento

En el componente paciencia a pesar de que a nivel general se presentó un leve incremento entre una medición y otra, se logró determinar que en el grupo estudio presentó una disminución del valor promedio en su medición final, ya que pasó de 60,8 en la valoración inicial a 59,8 en la valoración final. En el grupo control por el contrario, se observó un incremento significativo, puesto que pasó de 60,5 en la valoración inicial a 64,8 en la medición final (Figura 4.)

Caso contrario se registró con respecto al componente valor, donde se logró observar un leve incremento del valor promedio en el grupo estudio, pasando de 62 en la medición

inicial a 63,7 en la medición final. En cambio se registró una disminución bastante significativa en el valor promedio en el grupo control, ya que paso de 53,9 a 45,9 en su medición final, lo cual repercutió considerablemente en el promedio general (Figura 5).

Figura 4. Comparativo resultados componente paciencia

Figura 5. Comparativo resultados componente valor

Análisis comparativoLos grupos estudio y control fueron

comparados en cada momento de medición, empleando la prueba t de Student, con un nivel de significancia de 0,05, para lo cual se contrasto la hipótesis de diferencia entre las medias de los grupos.

Con respecto al CAI total, se logró determinar que existen diferencias estadísticamente significativas entre los promedios de los grupos para los dos momentos de medición; es decir, el valor promedio para habilidades de cuidado es significativamente mayor en

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el grupo estudio tanto en la medición inicial como en la medición final (p<0,01).

Para el componente conocimiento, se logró determinar que en su valoración inicial, el valor promedio del grupo estudio es mayor que en el grupo control; pero en la valoración final, el valor promedio es significativamente mayor en el grupo control que en el grupo estudio. Caso similar ocurre en el componente paciencia, donde no existen diferencias en su valoración inicial, pero en la valoración final, el valor promedio registrado en el grupo control es mayor al registrado en el grupo estudio.

Con respecto al componente valor se logró determinar diferencias estadísticamente significativas entre los promedios grupales; es decir, el valor promedio registrado en el grupo estudio tanto en su valoración inicial como en la medición final, es significativamente mayor al promedio registrado en el grupo control (p<0,01) (Tabla 1).

Tabla 1. Comparación entre los grupos estudio y control, antes y despues de la intervención

Al realizar la comparación de los momentos de medición del CAI total y los componentes en cada uno de los grupos, se determinó que a nivel general no se encontraron diferencias significativas entre el valor promedio inicial y final en el grupo estudio, observándose únicamente un incremento significativo en cuanto al componente valor (p<0,05). En el grupo control, tanto a nivel general como en el componente conocimiento y el componente paciencia se registró un incremento significativo en la medición final, mientras que en el componente valor se presentó una disminución significativa en su medición final (p<0,05) (Tabla 2).

Tabla 2. Comparación de los momentos de medición para cada uno de los grupos

DiscusiónSe encontró similar distribución por género

en ambos grupos vinculados a la investigación. Los resultados obtenidos son apoyados por la literatura de enfermería en la que establecen que la preocupación por la salud y el cuidado del enfermo en el hogar ha sido por mucho tiempo responsabilidad de un familiar, generalmente una mujer (madre, hija, esposa, abuela)11

Se reporta en ambos casos mayor porcentaje de cuidadores familiares en el rango de 36 a 59 años, etapa en la que los cuidadores se encuentran en su periodo de mayor productividad y desarrollo. El problema de la simultaneidad de las obligaciones y responsabilidades de cuidado es un factor de desestabilización emocional, aumento de tensiones y preocupación en el cuidador12. Es significativo para el grupo estudio, el alto porcentaje de personas mayores de 60 años que tienen la responsabilidad de cuidado de una persona con alto grado de dependencia. Situación que se hace critica en el caso de las mujeres que envejecen, muchas estarán atendiendo a sus esposos, ayudando a hijos y nietos, contando con menos apoyo familiar que les ayude a ocuparse de sus padres enfermos13

En cuanto a la escolaridad, los resultados obtenidos ubican a los cuidadores en un nivel bajo, destacándose lo encontrado en el grupo estudio. La relación con los bajos niveles de escolaridad que maneja el grupo a estudio los condiciona a ejercer actividades como labores del hogar y trabajos informales que no garantizan la estabilidad económica que ellos necesitan. El nivel de escolaridad

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puede ser una característica importante en los cuidadores, al ampliar las posibilidades de acceso a la información y desarrollo de procesos de aprendizaje por diferentes medios de comunicación acerca del cuidado, el proceso de la enfermedad y de los mecanismos para mejorar el bienestar de la persona receptora de cuidado.

La distribución de acuerdo al estado civil es muy similar en ambos grupos vinculados a la investigación. Esta característica puede relacionarse con la edad de los cuidadores, la relación y vinculo con la persona cuidada de madre/ padre, esposa(o) e hija(o). Información significativa, si se tiene en cuenta que estos cuidadores deben desempeñar múltiples roles además del de cuidador, así como las situaciones que la responsabilidad de cuidar a una persona crónicamente enferma puede generar en la dinámica familiar, la vida de pareja y otros aspectos como el económico y social.

La mayoría de los cuidadores se dedican al hogar, siendo esta ocupación de mayor prevalencia en el grupo estudio. Lo encontrado en el estudio explica en alguna medida la condición socioeconómica encontrada los cuidadores participantes, estratos 1 y 2; así mismo guarda correspondencia con las características sexo y nivel educativo anteriormente descritas, al ser el cuidado del miembro de la familia enfermo una de las funciones del rol que desempeña la mujer en el hogar; por su parte los desempleados y trabajadores independientes pueden tener mayor disponibilidad de tiempo para el desempeño de las tareas derivadas del cuidado dentro del grupo familiar. Según Francisco del Rey y col. (1995), las amas de casa y los desempleados por disponer del tiempo requerido, son los cuidadores más frecuentes de los enfermos crónicos.

En ambos grupos poco más de la mitad de los cuidadores llevan más de 36 meses en rol de cuidador, seguido de 18 meses ó menos. En el grupo estudio es mayor el tiempo de experiencia como cuidadores, dedicando todo

el día a esta labor. Lo encontrado en el estudio implica la dedicación considerable de tiempo y energía en la atención de complejas actividades no siempre cómodas y agradables, ni previstas a su libre elección14, una experiencia ingrata y solitaria que termina por reducir los niveles de paciencia y del conocimiento de sí mismo. Es significativo el porcentaje de cuidadores del grupo estudio que se desempeñan como únicos cuidadores, la literatura refiere que la cantidad y tipo de ayuda varía en función del grado y de la causa que haya determinado dependencia de la persona cuidada. Cuanto mayor sea el grado de dependencia, mayor será también la cantidad de tiempo y de esfuerzo que tendrá que dedicar el cuidador “inexperto” a la tarea de cuidar a su familiar.

En cuanto a la relación con la persona cuidada se encontró un comportamiento relativamente similar en ambos grupos, siendo las madres/ padres, hijas(os) y esposas(os) quienes asumen la responsabilidad de cuidado de un familiar crónicamente enfermo. Según Barrera L, (2002), el parentesco es un factor muy importante para comprender y entender los sentimientos y experiencias que viven los cuidadores primarios.

El comportamiento respecto a la edad del paciente es idéntico en ambos grupos vinculados a la investigación. Dada la estrecha relación de estas enfermedades con el envejecimiento, puede concluirse que el número de cuidadores jóvenes con parentescos de hijas(os) seguirá aumentando en los próximos años. Asumiendo la responsabilidad de cuidar personas con compromiso severo y moderado en su capacidad funcional, con limitación para la satisfacción de sus necesidades básicas y realización de las actividades de la vida diaria.

Respecto a la habilidad de cuidado se observan algunas diferencias en la valoración del CAI total entre los grupos antes de la realización de las intervenciones, encontrando mayores porcentajes de cuidadores con niveles entre medio y bajo de habilidad en el grupo estudio que en el grupo control.

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Similar comportamiento se observa en las categorías conocimiento y paciencia, e igualdad en el componente valor.

Después de realizada la intervención se observa un aumento en la valoración general del CAI total, determinándose que existen diferencias estadísticamente significativas entre los promedios de los grupos para los dos momentos de medición; es decir, el valor promedio para habilidades de cuidado es significativamente mayor en el grupo estudio tanto en la medición inicial como en la medición final (p<0,01). Lo cual guarda correspondencia con lo reportado por estudios similares15 en los cuales la habilidad total incremento significativamente después de la intervención de enfermería, particularmente en el grupo estudio con el cual se desarrolla el programa cuidando al cuidador.

En la valoración de los componentes de la habilidad de cuidado se encuentran diferencias significativas entre los grupos. En el grupo estudio el conocimiento y la paciencia se comportan de manera homogénea en las dos mediciones, por el contrario se observa un incremento representativo en el componente valor. Por su parte el grupo control muestra un incremento en los niveles del conocimiento y la paciencia, y disminución en el componente valor. En el análisis comparativo se logró determinar diferencias estadísticamente significativas entre los promedios grupales de la categoría valor; es decir, el valor promedio registrado en el grupo estudio tanto en su valoración inicial como en la medición final, es significativamente mayor al promedio registrado en el grupo control (p<0,01).

Al mirar la medición final de la habilidad general y la paciencia se encontró que en el grupo de estudio disminuyo en relación con el grupo control esta situación puede haberse dado porque al realizar los talleres de esta dimensión las personas realizaron una reflexión de su propio yo, teniendo más claridad de sus debilidades; al aplicar nuevamente el instrumento lo diligenciaron con una mirada más clara con relación a su propia manera de ser y actuar; donde el tiempo

de medición pudo no permitir la percepción de los cambios que él podía estar efectuando en su cotidianidad. Estos resultados permiten observar que aquellos aspectos del ser humano relacionados con la actitud, que buscan producir sensibilización y cambios en la persona en su forma de actuar, necesitan espacios más prolongados y un proceso de acompañamiento que permita la expresión de dudas, temores e inseguridades con el ser al que cuidan.

En cuanto a los resultados obtenidos en la categoría conocimiento, es de considerar que el nivel de escolaridad es una característica importante en los cuidadores al ampliar las posibilidades de acceso a la información y desarrollo de procesos de aprendizaje por diferentes medios de comunicación acerca del cuidado, el proceso de la enfermedad y de los mecanismos para mejorar el bienestar de la persona receptora de cuidado. El cuidado en casa requiere que los cuidadores tengan destrezas y conocimientos cada vez más complejos16. La importancia del conocimiento en el cuidado del enfermo lo manifiesta Fitzgerald (2000)17 al afirmar “el conocimiento se considera un proveedor de estructura que disminuye en los cuidadores la incertidumbre y permite el desarrollo de un mapa cognitivo para la continua interpretación de los eventos y toma de decisiones en la acción de cuidado”.

Hallazgos descritos por otros estudios18, 19 indican que más allá del tipo, la intensidad y el tiempo que tenga el cuidador ejerciendo su rol, es importante garantizarle un conocimiento adecuado, un respaldo suficiente en términos de soporte social, idoneidad en la toma de decisiones y un redimensionamiento de la experiencia misma. Los cuidadores son personas que necesitan asesoría y apoyo en cada uno de los procesos que vive, para poder desenvolverse con mayor efectividad y seguridad en la relación de cuidar al otro, con la suficiente disposición para enfrentar cada una de las etapas que se presentan.

Con relación al componente paciencia en el grupo control una de las situaciones que

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alteran la paciencia es el desconocimiento de los cuidadores en la realización de las actividades instrumentales, en primera instancia por ser una situación nueva que generalmente ocurre de forma imprevista causando en ellos niveles de estrés por sentir la falta de ayuda y de acompañamiento en este proceso, situación que en el momento de ser atendida les permite sentir más tranquilidad y persistencia para el cuidado.

El nivel de paciencia encontrado muestra como se hace necesario seguir reforzando la habilidad en esta dimensión entre los aspectos que más impacientan a los cuidadores es darse cuenta de cómo al ser que cuidan en algunas situaciones no atienden sus sugerencias, quieren imponer sus propios criterios, prestan poca atención a lo que ellos les expresan, la demanda de tiempo en el cuidado que ocasiona en algunos casos de acuerdo a las circunstancias niveles de estrés, demora para ser atendidos cuando buscan los servicios de salud, no tener la suficiente información sobre dónde acudir; existe un reconocimiento de estos aspectos pero se les dificulta ser menos impulsivos y actuar en algunas situaciones con mayor serenidad, algunos encuentran calma a través de la música, la lectura o decidir no escuchar y cambiar de lugar. Es importante seguir trabajando con este grupo de personas en aprender a escuchar al otro, de dejar opinar y llegar a puntos de encuentro, fortalecer formas de relajación que les permita actuar de forma más tranquila y serena en los momentos críticos.

El valor es un elemento que está presente en el cuidado cuando la dirección del crecimiento y su resultado es desconocido, se gana valor para cuidar de las experiencias del pasado, siendo sensible y abriéndose a las necesidades del presente.20 El cuidador familiar enfrenta múltiples momentos críticos en el ejercicio de su rol, que representan oportunidades para el desarrollo y descubrimiento de esta dimensión de la habilidad de cuidado o por el contrario se constituyen en experiencias que contribuyen a la frustración y la angustia. Refiere la literatura que se han categorizado cuatro

grandes aspectos relacionados con la angustia que sufre la familia de un enfermo crónico: la condición del ser querido, la atención que recibe por parte del equipo de salud, el cuidado futuro y los aspectos financieros.21

El valor es un componente de la habilidad de cuidado en la que se encuentran niveles deficientes al realizar las mediciones, seguramente por el impacto emocional permanente que la experiencia del cuidado les genera, independientemente del parentesco con el receptor de cuidado, el tiempo en el ejercicio del rol y nivel de escolaridad. El programa cuidando al cuidador fortalece esta dimensión de la habilidad de cuidado, como lo demuestran los resultados obtenidos, con diferencias estadísticamente significativas en comparación con intervenciones educativas de apoyo tradicionales; seguramente por la oportunidad de reflexión, expresión, asociación, reconocimiento y autovaloración que representa.

Al comparar los resultados obtenidos en esta dimensión con lo reportado en la evaluación de un programa para fortalecer a los cuidadores familiares de enfermos crónicos (2006)22, se encuentra correspondencia en los resultados obtenidos al presentar un aumento significativo en el nivel de valor especialmente en el grupo estudio. El aumento de los niveles del valor en el grupo estudio, puede explicarse por las características del programa cuidando al cuidador desarrollado con ellos, que busca que el cuidador descubra su experiencia de cuidado y la analice, identifique potencialidades y limitaciones, identifique las ganancias que el proceso de ser cuidador le genera y que se empodere dentro de su rol . En los talleres de valor, las temáticas resaltan el coraje, el proceso de toma de decisiones de cuidado y la habilidad social, soporte social y empoderamiento del cuidador23. Es decir, los talleres de valor buscan que los cuidadores al compartir y revivir sus experiencias reconozcan su fortaleza y fuerza interior, admitan sus logros, crean en su capacidad y habilidad, se respeten y valoren a sí mismos y a la gran labor que realizan día a día.

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En la interacción con los cuidadores se perciben cambios de actitud frente a su quehacer como cuidador, sin embargo al analizar los resultados obtenidos en las mediciones del CAI, pareciera que éste no es sensible a estas situaciones, por su estructura, forma de redacción o capacidad de interpretación del instrumento por parte de los cuidadores participantes por su nivel educativo.

Los resultados obtenidos en el estudio dan una evaluación positiva de la efectividad del programa en el fortalecimiento de la habilidad de cuidado de las personas que cuidan a enfermos crónicos, específicamente a nivel de habilidad total o general y del valor, frente a las actividades de cuidado convencionales desarrolladas por los profesionales. Aporte significativo desde la disciplina de enfermería a la compleja situación que representan las enfermedades crónicas para las personas que las padecen y sus cuidadores familiares; y evidencia de la necesidad de continuar desarrollando estrategias de intervención conceptual y metodológicamente soportadas.

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3. O R G A N I Z A C I Ò N PANAMERICANA DE LA SALUD. Washington: OPS-OMS, 1998.

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5. DEPARTAMENTO NORTE DE SANTANDER. Diagnostico de salud. San José de Cúcuta: La Gobernación, 1998. p. 15.

6. DEPARTAMENTO NORTE DE SANTANDER. INSTITUTO DEPARTAMENTAL DE SALUD. Boletin epidemiológico Norte de Santander. Vol 6. (2005). p. 18-19.

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8. SÁNCHEZ HERRERA, Beatriz. Habilidad del cuidado de los cuidadores de personas en situación de enfermedad crónica. el arte y la ciencia del cuidado. Facultad de Enfermería. Universidad Nacional de Colombia. Bogota: Unibiblos, 2002. p. 373.

9. PINTO AFANADOR, Natividad y SANCHEZ, Beatriz. El Reto de los cuidadores, familias de personas en situación crónica de enfermedad. Bogotá: Universidad Nacional, 2003. p. 5.

10. PINTO AFANADOR, Natividad y SANCHEZ, Beatriz. OP. Cit, p. 65.

11. LANGE Ilta, URRUTIA Mila, CAMPOS Delicia, GALLEGOS Esther, HERRERA Luz Maria, LUARTE Marcela, MANDIGAN Elizabeth. Fortalecimiento del autocuidado como estrategia de la tención primaria en Salud: La contribución de las instituciones de salud en América Latina. Organización Panamericana de la Salud. Enero 2006, p. 15

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12. QUERO Rufián Aurora, Los cuidadores en el Hospital Ruiz de Alda en Granada, [Tesis Doctoral], Universidad de Granada España, 2007.P 52. En: http://hera.ugr.es/tesisugr/16683134.pdf http://hera.ugr.es/tesisugr/16683134.pdf.

13. ANZOLA P Elías, GALINSKY David, MORALES M, Fernando, Op Cite p.366

14. MARCO Navarro Esther, Calidad de vida del cuidador del hemipléjico vascular, Facultad de Medicina Universitat Autonoma de Barcelona, España 2004, Op.Cite. P. 61

15. BARRERA ORTIZ, LUCY, PINTO AFANADOR NATIVIDAD Y SANCHEZ HERRERA BEATRIZ. Evaluación de un Programa para fortalecer a los Cuidadores Familiares de Enfermos Crónicos. REVISTA SALUD PUBLICA. VOL.8 (2), JULIO 2006. Pag 141 – 152 pag 148

16. SCHUMCHER KL, STEWART BJ, ARCHBOLD PG, DODD MJ, DIBBLE SL. Family caregving skill: development of the concept. Res Nurs Health. 2000; 23(3): 191-203.

17. FITZGERALD MILLER, Judith. Recursos de Poder del Cliente. Philadelphia. Davis, 2000. P.3-16

18. BARRERA ORTIZ, Lucy, BLANCO DE CAMARGO, Lidia, FIGUEROA Ingrid, PINTO AFANADOR, Natividad, SÁNCHEZ HERRERA, Beatriz La Habilidad de Cuidado de los Cuidadores Familiares de personas con Enfermedad Crónica: Un Estudio Comparativo en tres Países de América Latina. Documento Grupo de Cuidado al Paciente Crónico. Facultad de Enfermería. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. 2.004. p. 8 – 9

19. BARRERA ORTIZ, Lucy, BLANCO DE CAMARGO, Lidia, FIGUEROA Ingrid, PINTO AFANADOR, Natividad, SÁNCHEZ HERRERA, Beatriz. Habilidad de cuidadores familiares de personas con enfermedad crónica. Mirada internacional, Revista Aquichan. Universidad de la Sabana, Bogotá; Vol. 6, No. 1 (2006); p. 22-33.

20. NGOZI O. NKONGHO. The Caring Ability Inventory. En: Strickland the O. Waltz, C. Measurement of Nursing Outecomes. Volumen FORU.1.999

21. PINTO A, Natividad, BARRERA O, Lucy , SANCHEZ HERRERA, Beatriz. Reflexiones sobre el cuidado a partir del Programa “cuidado a los Cuidadores ”. En revista: AQUICHAN.Año 5- Vol 5.Nº 1(5) 2005.ISSN 1657-5997. P 128- 137

22. SANCHEZ HERRERA, Beatriz, BARRERA ORTIZ, Lucy, PINTO AFANADOR, Natividad. Programa “ Cuidando a los Cuidadores”. COLCIENCIAS. Universidad Nacional de Colombia. 2004 . p.1

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Recibido:12 de septiembre de 2007

Aceptado:23 de abril de 2009

Cesar Rivera Ordoñez1, Jhon Jairo Santiago1, Julián Ferreira Jaimes2

1 Ingenieros Electrónicos, Universidad Francisco

de Paula Santander. Integrantes GIAC- UFPS,

[email protected], santiago@

ingelectronico.com2 Profesor Dpto.

Electricidad y Electrónica. UFPS. Integrante

GIAC- UFPS, [email protected]

ResumenEn este trabajo se presenta la implementación de un sistema de reconocimiento de caracteres en una tarjeta de desarrollo FPGA de propósito general. La clasificación de los caracteres se realiza por medio de un modelo de red neuronal conocido como Feed-forward backpropagation. Se utiliza la herramienta de redes neuronales NNTool de Matlab, para crear, entrenar y simular este tipo de Red Neuronal Artificial (RNA) con cinco diferentes patrones de entrenamiento. Para realizar la implementación, estas RNAs, son traducidas del modelo computacional a un modelo realizable en hardware, el cual es descrito mediante bloques en Matlab/Simulink y Xilinx System Generator (XSG). El archivo de configuración bitstream, necesario para la programación del FPGA, es generado por XSG para posteriormente ser implementado con Xilinx ISE foundation en la FPGA. Palabras Clave: FPGA, Matlab/Simulink, reconocimiento de caracteres, red neuronal artificial, Xilinx System Generator.

Abstract In this project we develop a characters recognition system implemented in a general purpose FPGA card. First, The characters classification is executed by a neural network model called feed-forward backpropagation. The Matlab toobox, NNTool used for neural networks is used to create, training and simulate this kind of Artificial Neural Network (ANN) with five different patterns of training. For the implementation the ANN computer model is realizes as hardware system, which is described in a block diagram using both Matlab/Simulink and Xilinx System Generator (XSG). Subsequently, the bitstream configuration file -necessary for the FPGA programming- is generated by XSG for implementing with Xilinx ISE foundation.

Keywords: FPGA, Matlab/Simulink, Characters recognition, Artificial neural network, Xilinx System Generator.

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Introducción

El tema de las RNAs es un campo bastante amplio e interesante, además de tener muchas aplicaciones como el

reconocimiento de patrones, procesamiento de señales, optimización, predicción, procesamiento de imágenes, etc [1-3]. “Los avances que se han conseguido en los últimos años en este campo han sido notorios, permitiendo soluciones más eficaces a problemas que antes eran casi imposibles de conseguir con los tradicionales sistemas de computación que trabajan bajo la filosofía de los sistemas secuenciales, desarrollados por Von Neuman”[4]. Por otra parte, en las últimas décadas, ha surgido una nueva tecnología en el desarrollo de circuitos integrados que ofrece características tales como alta velocidad de procesamiento, procesamiento concurrente y diseño jerárquico. Esta tecnología ha permitido el desarrollo de los dispositivos lógicos programables entre los cuales se encuentran los dispositivos FPGA.

Las RNAs han sido en su mayoría implementadas en software. Esto trae beneficios, ya que el diseñador no necesita conocer el trabajo interno de los elementos de la red neuronal. Sin embargo, una desventaja en las aplicaciones en tiempo real de la RNAs basadas en software, es su ejecución más lenta comparada con las RNAs implementadas en hardware. “La simulación software siempre será el primer paso en la implementación y es de gran ayuda para la prueba de diseños, pero si se desea explotar la capacidad de procesamiento paralelo así como el manejo de datos en tiempo real, las RNAs deberán de implementarse a nivel hardware” [5-6]. Los recientes avances en la lógica programable, permiten la implementación de grandes RNAs sobre un único PLD. La principal razón de esto, es la miniaturización en la tecnología de fabricación de los componentes, donde la densidad de componentes electrónicos se dobla cada 18 meses, según la ley de Moore [7-8].

“Uno de los retos dentro del contexto de la ciencia y la tecnología, es hacer que el computador realice tareas que requieren inteligencia, razonamiento, sentido común y/o manejo del conocimiento” [9]. Ésta es una característica muy importante de una RNA, su habilidad de aprender mediante la experiencia. Cada vez que una red neuronal es creada, un entrenamiento es necesario para “enseñarle” a dar una salida, como respuesta a una entrada específica. Las redes neuronales artificiales se pueden definir como sistemas computacionales, tanto hardware como software, que imitan las habilidades computacionales de los sistemas biológicos usando un gran número de elementos simples llamados neuronas artificiales, donde su función está determinada por las conexiones entre estas. Las neuronas artificiales son emulaciones sencillas de las neuronas biológicas; toman información desde sensores u otras neuronas artificiales, realizan una operación muy sencilla con estos datos, y pasan el resultado a otras neuronas artificiales [10]. La organización de estos elementos está relacionada con la anatomía del cerebro, donde cada elemento individual se conecta a otros de forma paralela. El entrenamiento de una red para que realice una función en particular, se logra ajustando los valores de las conexiones o pesos entre sus elementos, al igual que sus puntos de ajuste o ganancias [11].

Materiales y métodosEl objetivo principal de este trabajo, es

realizar la implementación de una RNA en hardware, con el fin de analizar su capacidad de responder de forma correcta a una señal de entrada con variaciones o distorsiones. Esta característica de las RNAs, de lograr dar una respuesta insensible, en cierto grado, a las variaciones de la entrada, es conocida como capacidad de generalización [12]. El proceso que se lleva a cabo para la implementación de las redes neuronales que se tratan en este proyecto se puede apreciar en la figura 1.

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ISSN 0122-820XFigura 1. Metodología para la implementación de

redes neuronales artificiales

Con la herramienta NNTool de Matlab se realiza toda la parte netamente software del proceso, en la cual se debe seleccionar un tipo de red neuronal y su configuración de capas y neuronas, para posteriormente ser entrenada y simulada de forma iterativa hasta que se consigue una caracterización deseada de los patrones de simulación. Una vez se tiene entrenada la red neuronal, se crea un modelo de ésta, por medio de bloques en Simulink, para luego generar el archivo de configuración bitstream, necesario para la implementación en el FPGA.

La idea inicial del sistema de reconocimiento de caracteres consiste de una red neuronal que pudiera reconocer las letras del alfabeto cuando estas le son presentadas, incluso si se muestran de forma distorsionada. Para realizar la representación de las letras del alfabeto en hardware, se crea una matriz de interruptores de 7 filas por 5 columnas, buscando formar con este arreglo, los patrones para las letras. El estado de los interruptores (activado o desactivado), es visualizado en una matriz de 7x5 diodos LED (Diodo Emisor de Luz, del inglés Light Emitting Diode), permitiendo de esta manera visualizar la entrada a la red neuronal. Cuando un interruptor de la matriz de entrada se encuentra cerrado, este fija un estado lógico alto en la entrada de la red, lo cual se visualiza en la matriz de LEDs, con un diodo encendido en la posición correspondiente a la posición del interruptor accionado. Al igual que la entrada del sistema, la salida de este, se presenta en una matriz de 7x5 LEDs para poder evaluar la respuesta de la red.

Diseño de la red neuronalSelección del tipo de red. Con base en los antecedentes que se tienen [1,2,4,9,12], en cuanto a la capacidad de generalización se refiere, se opta por utilizar la red neuronal feedforward backpropagation, debido a que este tipo de red es la que mejor se comporta en los problemas de reconocimiento de patrones. Para seleccionar el número de capas y el número de neuronas por capa, se procedió a la prueba y error, pasando por las tres primeras etapas de la implementación (Ver figura 1), además de tener en cuenta que la capa de salida debía constar de cinco neuronas, ya que son necesarios cinco bits para representar las 26 letras del alfabeto, excluyendo a la letra “Ñ”. De esta manera se le asigna a cada letra el número que ocupa en el orden del alfabeto, de modo que a letra A le corresponde el 1, y a la Z el 26. Después de varias iteraciones y pruebas, se opta por utilizar una configuración de dos capas, 10 neuronas en la capa de entrada y 5 neuronas en la capa de salida. Algunas configuraciones de más de dos capas, arrojaron mejores resultados que los de la red seleccionada, pero no se escogió ninguna de estas porque se requerían un número mayor de neuronas, lo que a su vez supone una cantidad mayor de recursos del FPGA, a tal punto que estas redes no podrían se implementadas con los recursos disponibles. El modelo computacional de esta red creada en NNTool, aparece en la figura 2.

Figura 2. Arquitectura de la Red Neuronal Artificial implementada. Imagen tomada de NNTool

En la figura 2 se muestra que la entrada a la red neuronal consta de un vector de

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35 elementos, correspondientes a los 35 interruptores de la matriz de entrada del sistema. Buscando limitar las salidas de las neuronas a valores entre 0 y 1, ya que este es el tipo de datos que se maneja en hardware, se usa la función de transferencia logaritmo sigmoidal. La función de aprendizaje utilizada para el entrenamiento de la red es trainscg, debido que esta utiliza uno de los mejores algoritmos de entrenamiento para problemas de reconocimiento de caracteres [13]. La función de desempeño se seleccionó a prueba y error a partir de varias etapas de entrenamiento, entregando mejores resultados la función de minimización del error medio cuadrático (MSE).

Entrenamiento. Para realizar el entrenamiento, se crearon cinco redes neuronales con las características mencionadas anteriormente. Cada una de estas se entrenó con un juego de patrones de entrada diferentes, con el fin de poder comparar y analizar las diferencias en el aprendizaje de cada una de estas y medir de esta manera su capacidad de generalización, tanto en software, así como en hardware en la etapa de validación. Para diferenciar cada una de las RNA se les asignaron los nombres RC1, RC2, RC3, RC4 y RC5. Cada una de estas redes, fue entrenada durante 1000 épocas y con una meta de error (goal) de 1x10exp-4.

Entrenamiento de la red neuronal RC1. Para esta RNA se utilizó un patrón de entrenamiento por cada letra del alfabeto, siendo este la representación ideal de la letra (sin errores), para un total de 26 patrones de entrenamiento. El mapa de bits para cada uno de estos patrones de entrenamiento, se muestra en la figura 3, donde el bit que se encuentra en la esquina superior izquierda corresponde al bit más significativo (MSB), y el bit menos significativo (LSB), en la esquina inferior derecha.

Entrenamiento de la red neuronal RC2. Para esta red se utilizaron los mismos patrones de entrenamiento de la red RC1, adicionando dos entradas distorsionadas por cada letra

del alfabeto, para un total de 78 patrones de entrenamiento, tal como se muestran en la figura 4.

Entrenamiento de la red neuronal RC3. El juego de vectores de entrada para cada letra, utilizados en este entrenamiento, esta conformado por un patrón con la letra correctamente formada y dos más, con errores. En este caso, el ruido se introdujo a cada letra adicionando bits en alto, a diferencia del entrenamiento de RC2, donde se adicionaron bits en alto y en bajo en la representación ideal del carácter. La figura 5 muestra los patrones con errores introducidos en este entrenamiento.

Figura 3. Patrones de entrenamiento de la red RC1

Figura 4. Patrones de entrenamiento con ruido de la red RC2

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ISSN 0122-820XFigura 5. Patrones de entrenamiento con ruido de la

red RC3

Entrenamiento de la red neuronal RC4. En este entrenamiento se utilizaron 36 patrones por cada letra, un patrón con la letra ideal y 35 más con ruido, para un total de 936 patrones. El ruido introducido es de 2.86%, equivalente a un bit de la matriz, ya sea en bajo cuando la representación ideal de la letra tiene un determinado bit en alto, o en alto cuando el bit esta en bajo. La figura 6 muestra el caso de los 35 patrones con errores producidos para la letra E.

Figura 6. Patrones de entrenamiento con ruido para la letra E de la red RC4

Entrenamiento de la red neuronal RC5. En este entrenamiento buscando mejorar la generalización, se introdujeron al lote de 26 letras, dos caracteres más, a los cuales le fueron asignadas las salidas 27 y 28 de la red. Uno de estos caracteres es el espacio, el cual se pretende lo clasifique correctamente la red en aquellos casos donde todos o la mayoría de los bits de entrada están en cero. El otro carácter introducido en el lote de caracteres, es el inverso del carácter anterior, el cual se forma colocando todos los bits de la matriz de entrada en alto. Siendo así, en este entrenamiento se utilizaron 36 patrones por cada uno de los 28 caracteres, para un total de 1008 patrones de entrenamiento.

Modelamiento en XSG de la red neuronal. La estructura de la red neuronal (ver figura 2), se implementa en XSG por medio de bloques Constant (constante) para los pesos y las ganancias; bloques Mult (multiplicadores), para realizar el producto de las entradas con los pesos; bloques AddSum (sumadores), para realizar la adición de todas las entradas multiplicadas por sus respectivos pesos, y bloques ROM (memorias), las cuales se utilizan para las funciones de transferencia. El total de bloques utilizados en la red neuronal sin tener en cuenta los bloques de la función de transferencia es de 1215, a los cuales se le deben modificar 4060 parámetros para configurarlos adecuadamente. Aquí surge el inconveniente de modificar esta cantidad tan elevada de parámetros en cada una de las cinco RNAs, cada vez que se requería implementar y verificar en hardware. Para solucionar este problema, se creó un código en Matlab que permite ajustar estos 4060 parámetros de forma automática a partir de los valores para los pesos y ganancias obtenidos en el entrenamiento en NNTool, brindando una alternativa para probar en hardware las redes neuronales entrenadas.

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ImplementaciónLa implementación del sistema de

reconocimiento de caracteres se realiza en la tarjeta de desarrollo Spartan 3 de Digilent, la cual contiene un FPGA XC3S1000 de Xilinx. Adicionalmente se diseña la tarjeta que se emplea como periférico para la Spartan 3, la cual consta de la matriz de interruptores y las dos matrices de diodos LED. Además de la RNA se deben diseñar otros subsistemas que se utilizan para acondicionar la señal de entrada y la señal de salida. El diagrama de bloques del sistema implementado se muestra en la figura 7.

Figura 7. Diagrama de bloques del sistema de reconocimiento de patrones

Acondicionador de la señal de entrada. El objetivo de este subsistema es conformar la entrada de 35 bits de la red neuronal, a

partir de la lectura secuencial de las 7 filas de 5 bits de la matriz de interruptores. Este módulo también realiza el multiplexado de las matrices de LEDs de entrada y salida. La salida Data de este bloque, corresponde al vector de 35 bits de entrada de la RNA. La frecuencia con que se realiza la lectura de la matriz de interruptores esta determinada por el reloj de entrada al bloque (Clk). La entrada fila es el vector de 5 bits que indica el estado de la fila del teclado que se está leyendo (Ver figura 8).

Bloque de memorias. La función de este bloque es guardar las matrices de bits para las letras del alfabeto y permitir la visualización de la letra que la red neuronal indique. Esto es necesario debido a que la red tiene como salida un vector de 5 bits para representar dichas letras, en lugar de una matriz de 7x5 bits, que es lo que se requiere para la visualización de la salida del sistema. Para representar en la matriz de LEDS, las salidas de la red correspondientes a los valores 27 al 31 y el 0, se crea otra matriz de bits que guarda el valor del signo de interrogación “?”. Este subsistema esta conformado por bloques de memorias ROM de 5 bits de salida y 7 posiciones de memoria. El modelo en XSG del diseño implementado se muestra en la figura 8.

Figura 8. Modelo en XSG del sistema de reconocimiento de caracteres

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Resultados y discusiónSimulación. Para analizar el comportamiento de las cinco redes después de sus respectivos entrenamientos, se simula cada una de estas con un lote de 2626 vectores entrada-salidas esperadas, para producir un error con respecto a la salida real. Para esto, se generan de forma aleatoria, por medio de una función creada en Matlab, 101 patrones de simulación por cada carácter, con un error aleatorio que puede variar entre un rango específico, lo cual permite realizar la simulación con diferentes porcentajes de ruido en la señal de entrada.

Las entradas correspondientes a los caracteres 27 y 28 de la red neuronal RC5, no son tenidos en cuenta por esta función de Matlab. Cada una de las 5 RNAs se simuló 11 veces, variando el rango de ruido de la entrada. En la tabla 2 se muestra el resultado de la simulación para las 5 redes con porcentajes de ruido de entrada diferentes, expresado en número de bits a la izquierda y en porcentaje de error a la derecha. El desempeño de la red se mide de acuerdo con el número de entradas de la simulación, clasificadas erróneamente.En la tabla 2 se muestra este parámetro en la casilla de error (e).

Verificación en circuito. La etapa de verificación en hardware se puede realizar

una vez se descarga el archivo bitstream en el FPGA. En esta etapa se observa y analiza el comportamiento de la RNA en tiempo real, ante entradas diferentes a los patrones de entrenamiento, permitiendo comparar estos resultados, con los de la simulación en software. Los datos obtenidos durante la etapa de verificación en hardware y la información contenida en la tabla 2, sirven de gran ayuda para evaluar la capacidad de generalización de las RNAs implementadas en este proyecto. La respuesta de la red RC5, ante una entrada con ruido de la letra “J” se muestra en la figura 9.

Figura 9. Verificación en Hardware

En la tabla 2 se puede apreciar que la red RC1, que fue entrenada con solo un patrón por cada carácter, tiene un mejor

Tabla 2. Resultados de la simulación expresados número de errores y porcentaje de error

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comportamiento que las redes RC2 y RC3 en todas las simulaciones, excepto en la última, lo cual hace pensar que cuando se utiliza más de un patrón de entrenamiento por cada carácter (situación presentada en las redes RC2 y RC3), existe una relación directa entre el número de patrones de entrenamiento y la similitud entre estos, para conseguir buena generalización.

La deficiente generalización de las redes RC2 y RC3 se debe a que estas utilizan patrones de entrenamiento aleatorios, con errores muy altos en cada uno de ellos, haciendo que en el aprendizaje no se marque la tendencia de la red que debe producir la salida correcta a valores cercanos al patrón de entrenamiento. Incluso en la red RC3, debido a que solo se introducen errores colocando bits en alto, esta no puede responder adecuadamente a entradas que contienen errores con bits en bajo, siendo por esta razón la RNA con la peor respuesta.

La red RC5 tiene para vectores con ruido de entrada bajo, un desempeño bastante notorio en comparación con las redes RC1, RC2 y RC3, y un comportamiento muy parecido para todos los niveles de ruido con la red RC4. A pesar de esto, la red RC5 mostró un menor desempeño que la red RC4 en las últimas tres simulaciones y el peor resultado de las 5 redes en la última simulación, marcando una tendencia en el error de salida de crecer a medida que se incrementa el error de la entrada; esto es debido a que, para estas entradas con errores elevados, esta red clasifica muchos de estos valores dentro de los 2 nuevos caracteres creados para el entrenamiento de esta red. La influencia de estos caracteres en el mejoramiento de la

capacidad de generalización para altos niveles de error, se debe comprobar en la etapa de verificación ya que estos, no son tenidos en cuenta por la función creada en Matlab para realizar la simulación.

El error mostrado en la tabla 2, resulta ser relativo por cuanto en la verificación en hardware, la respuesta de la red RC5 es la mejor de todas las redes, dejando ver que a mayor número de patrones de entrenamiento se logra una mayor capacidad de generalización, siempre y cuando exista cierta similitud entre estos, y los valores de salida esperados.

Se debe tener en cuenta que aunque la última red entrenada tiene un buen comportamiento en cuanto a la capacidad de generalización se refiere, esta se puede mejorar realizando un entrenamiento para un juego de vectores de entrada y salida más grande, ya que en este caso solo se utilizaron 2.626 patrones de entrenamiento, equivalentes al 76,43x10exp-9 %, un valor insignificante en comparación con las 34.359’738.368 posibilidades de entrada al sistema.

Recursos utilizados en la implementación. La cantidad de recursos del FPGA utilizados en la implementación (ver tabla 3), se obtiene compilando en Project Navigator de Xilinx, el proyecto ISE que crea XSG durante la compilación bitstream. La cantidad de recursos totales del diseño se expresa de una forma general con el número equivalente en compuertas. Este parámetro es muy importante a la hora de comparar entre varios diseños que realizan la misma función pero que su descripción y por tanto su implementación se hace de manera diferente.

Tabla 3. Cantidad de recursos utilizados

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Con base en la tabla 3, se puede determinar la densidad de neuronas de la implementación. Para este caso, la densidad es de 20.905 compuertas por neurona. En este punto, se puede decir que, en el mejor de los casos, es posible realizar implementaciones en el FPGA XC3S1000 de Xilinx, con un número de neuronas cercano a 45, diferente de lo que se pensó, cuando se empezó a desarrollar este proyecto. Se deja para futuros proyectos construir una RNA con un número mayor de neuronas.

ConclusionesLa herramienta Matlab/Simulink junto con

Xilinx System Generator ofrecen un ambiente de diseño amigable y conveniente para desarrollar RNAs, ya que la red es diseñada por medio de bloques e interconexiones entre estos, con un alto nivel de abstracción, puede ser simulada en software e implementada sobre FPGAs, los cuales gozan de características tales como: robustez, velocidad y paralelismo, que para las RNAs son esenciales.

Aunque no existe un método o criterio establecido que permita a los diseñadores de Redes Neuronales Artificiales seleccionar entre uno u otro tipo de red, ya que este es definido por el diseñador con base en su experiencia, la facilidad en la creación y el entrenamiento de las mismas mediante NNTool de matlab, permite, si no se tiene mucha experiencia en este tipo de diseños, elegir mediante ensayo y error la red que mejor se ajuste a la solución del problema.

Uno de los factores que permiten que una red tenga mayor capacidad de generalización, es utilizar el menor tamaño posible de la red, que proporcione un adecuado comportamiento (clasifique correctamente todos los patrones de entrenamiento), ya que entre más grande, la función que esta puede crear en forma de información entre sus neuronas, se vuelve más compleja, la cual solo es capaz de reconocer los patrones de entrenamiento y no da respuestas coherentes cuando se le presenta una entrada

que no había visto antes, resultando en una deficiente generalización.

Para obtener un nivel de generalización mayor, todas las salidas esperadas de una red neuronal deben quedar definidas utilizando el menor número de bits para su codificación, a fin de evitar que la red converja a valores no deseados, que se pueden presentar en las salidas binarias de la red, que no están definidas como una salida deseada.

Para el entrenamiento de una red neuronal se debe seleccionar un número de patrones de entrada-salida coherente con el total de posibles entradas que se pueden presentar y que a su vez represente el comportamiento que se desea de la red.

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Evaluación de la dinámica de población de bacterias magnetotácticas (MTBs) en medios naturales y enriquecidos, comparación con resultados teóricos obtenidos a partir del modelo de competencia de Lotka-Volterra

Alejandro Salazar Villegas 1 Viviana Morillo López 1 Álvaro Morales Aramburo 2 Marco Márquez Godoy 3

1Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.

[email protected], [email protected].

2Instituto de Física, Universidad de Antioquia, A.A. 1226,

Medellín, [email protected]

3Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.

Grupo de Mineralogía Aplicada y Bioprocesos

[email protected]

ResumenTodas las MTBs reportadas hasta la fecha, han compartido la propiedad de ser muy difíciles de cultivar. Sin embargo, las características particulares de los nanocristales magnéticos (comúnmente de magnetita o greigita) que crecen en el interior de estos microorganismos, hace que sea muy interesante la búsqueda de estrategias que permitan obtener grandes cantidades de estas partículas. En este trabajo se presenta un método para aumentar la tasa de crecimiento de MTBs provenientes del embalse de La Fe, Colombia, enriqueciendo su medio natural con una solución de vitaminas, una solución de minerales y quinato férrico como fuente de hierro. Además, se utiliza el modelo de competencia de Lotka-Volterra para identificar posibles factores que sean determinantes en la interacción de las MTBs con su entorno biótico. Para esto se consideran las MTBs como una especie y los microorganismos no-magnetotácticos como la especie rival. Los resultados sugieren una curva de crecimiento con dos etapas diferenciables. Una etapa inicial que puede considerarse como la fase lag, toma alrededor de 25 días, y una etapa de crecimiento poblacional (fase Log) con un máximo en el día 60. Es posible que esta técnica de enriquecimiento aumente hasta 6.1 veces la población de MTBs naturales. El nivel de correlación entre los resultados teóricos y los experimentales es significativo. Esto sugiere que hay factores de competencia entre las MTBs y los microorganismos no-magnetotácticos de su ambiente natural, que influyen de manera importante en su dinámica de población. Se requieren otros estudios para confirmar esta hipótesis.

Palabras Clave: Bacteria magnetotáctica (MTB); dinámica de población; enriquecimiento; cultivo de bacterias.

AbstractAll MTB reported to date share the characteristic of being very difficult to cultivate. Nevertheless, the particular features of the magnetic nanocrystals (commonly of magnetite or gregite) that grow inside these microorganisms, makes very interesting the search for strategies to obtain large quantities of these

Recibido:14 de abril de 2009


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Evaluación de la dinámica de población de bacterias magnetotácticas (MTBs) en medios naturales, enriquecidos,

comparación con resultados teóricos obtenidos a partir del modelo de competencia de Lotka-Volterra

particles. In this paper a method is presented to increase the growth rate of MTB from the reservoir of La Fe, Colombia, enriching its natural environment with a vitamin solution, a mineral solution and ferric quinate as iron source. In addition, the competitive Lotka-Volterra model was used to identify possible factors that could be important in the interaction between MTB and their biotic surrounding. For this, the MTBs were considered as one species and all the non magnetotactic microorganisms as the rival species. The results suggest a growth curve with two differentiable stages. An initial stage that can be considered as the lag phase, takes about 25 days, and a population growth phase (log phase) with its maximum on day 60. The MTB population of one of the enriched samples increased up to 6.1 times its original size. The level of correlation between experimental and theoretical results is significant. This suggests that there are competitive factors between MTB and the non magnetotactic microorganisms of its natural environment, which have a strong influence in its population dynamics. Further studies are required to confirm this hypothesis.

Keywords: Magnetotactic bacteria (MTB); Population dynamic; Enrichment; Competitive factors; Bacteria culture

Introducción

Las bacterias magnetotácticas son microorganismos acuáticos, procariotas, Gram negativos que tienen la propiedad

de orientar sus movimientos en función del campo magnético del ambiente en el que se encuentren [1]. Esta propiedad se conoce como magnetotáxis [2] y se debe principalmente a la presencia de nanocristales magnéticos (los más comunes siendo magnetita y greigita) [3,4], recubiertos por una bicapa lipídica, que están organizados en el interior de la célula en cadenas que se orientan con las líneas del campo magnético [2]. Estas cadenas se conocen como magnetosomas [2]. Se han encontrado muchos tipos de MTBs en diferentes ambientes acuáticos [5,6,7]. Entre los reportados hay cocos, espirilos, bacilos, vibrios y agregados multicelulares [5,6,7].

Utilizando este mecanismo de orientación, las bacterias se ubican en regiones específicas de los gradientes químicos [5,8]. Sin embargo, aún no se ha logrado correlacionar de manera

precisa su posición en los diferentes gradientes, con parámetros geoquímicos [9].

En este trabajo se espera obtener resultados que permitan determinar si el enriquecimiento de medios naturales induce un aumento en la población de MTBs nativas o no. Además, se hace un seguimiento del crecimiento de las poblaciones de MTBs, en muestras enriquecidas y no enriquecidas, con el ánimo de obtener luces que permitan predecir la dinámica de la población de estas bacterias. Por último, se comparan las curvas de crecimiento obtenidas experimentalmente, con otra generada teóricamente, a partir del modelo de competencia de Lotka-Volterra. Éste es un modelo muy general, deducido de manera independiente por Lotka (1925) y Volterra (1926), que le permite a diferentes especies interactuar a través de un acoplamiento no-lineal [10]. Los parámetros utilizados en este procedimiento fueron supuestos con base en observaciones hechas en el laboratorio. Los modelos de Lotka-Volterra han sido utilizados ampliamente en el estudio de la dinámica de especies interactuantes y en otros campos [11], como la modelación económica.

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Materiales y métodosZona de muestreo:

Todas las muestras fueron tomadas en la represa de la Fe, ubicada en el municipio del Retiro (6º 6’ 57” norte a 6º 6’ 00” norte y 75º 30’ 30” oeste a 75º 29’ 36” oeste) a una altitud de 2156 m.s.n.m.

Toma de muestras:

Las muestras de agua-sedimento fueron tomadas en la zona de transferencia óxico-anóxica (ZTOA), en puntos ubicados al norte de la represa. Para localizar esta región en la columna de agua, se utilizó un oxímetro (HANNA). Las muestras fueron almacenadas en recipientes de volúmenes diferentes, grandes (11l-metodología I) y pequeños (600ml-metodologóa II).

Almacenamiento y enriquecimiento:

Las muestras se almacenaron a temperatura ambiente y oscuridad total, durante todo el periodo de seguimiento (60 días). El día del muestreo se enriquecieron una muestra grande (Ge) y 12 pequeñas (Pe). También se le hizo seguimiento a una muestra grande y 12 pequeñas no enriquecidas (Gne y Pne respectivamente). El enriquecimiento se hizo con una solución de vitaminas, una solución de minerales y quinato férrico al 0.01M, como fuente de hierro. Las soluciones de vitaminas y minerales fueron preparadas con base en medios de cultivo líquidos que han sido reportados en la literatura como exitosos para MTBs (medio de cultivo de Wolfe. ATCC: 1653 medio de crecimiento de Spirillum magnético (MSGM)). El quinato férrico fue preparado combinando 0.279g de FeCl3 y 0.16g de ácido quínico (sigma) en 100ml de agua destilada. Ambas soluciones fueron previamente autoclavadas antes del enriquecimiento.

Aislamiento y conteo de MTBs:

Las MTBs fueron aisladas según la técnica

de separación descrita por Wajnberg et al. (1986) [12]. Para eliminar las impurezas, las MTBs aisladas fueron concentradas en la pared de un eppendorf, utilizando un pequeño imán de neodimio. Las bacterias separadas de esta manera, se fijaron con una solución de p-formaldehido 4%. El conteo se hizo utilizando cámara de Neubauer [13]. La solución final de la que se tomaron las MTBs en cada conteo estaba compuesta por 800µl de agua de la zona de muestreo, estéril y filtrada, 100µl de p-formaldehido 4% y 100µl de de la solución que contenía las MTBs aisladas y con muy pocas impurezas. Por esto, el factor de dilución en la ecuación que se utiliza para el conteo con cámara de Neubauer [13] es 10.

Seguimiento de la dinámica de población de MTBs:

Se hizo conteo de MTBs cada 5 días siguiendo dos metodologías.

Metodología I: Se almacenaron muestras en dos recipientes de 11 litros. Una de las muestras fue enriquecida como se explicó anteriormente. Se produjo una curva de crecimiento con los datos obtenidos de los conteos de MTBs contenidas en cada uno de los dos recipientes. Esta metodología tiene la ventaja de que se le hace el seguimiento a la misma población de MTBs en todo momento. Tiene como desventaja que en cada conteo se está agotando la población, pues la técnica mata la población de bacterias sometida al procedimiento.

Metodología II: Se almacenaron 24 muestras en recipientes de 600ml. 12 de estas muestras fueron enriquecidas como se explicó. Cada 5 días se hizo conteo en una muestra enriquecida y en una no enriquecida, descartando las muestras utilizadas en cada procedimiento. Este método tiene la ventaja de que las muestras utilizadas en cada conteo no han sido alteradas desde el momento del muestreo (no hay agotamiento de MTBs). Sin embargo, tiene la desventaja de que probablemente las

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poblaciones iniciales de MTBs en cada muestra son diferentes, aunque se hayan tomado de la misma zona.

Modelo de competencia de Lotka-Volterra:

En este modelo, un sistema de N especies (o agentes) con una población xi, para i=0 hasta N, que compite por un conjunto de recursos finitos y fijos, se puede describir por la siguiente ecuación [12]:

Donde ri representa la tasa de crecimiento lineal de la especie i, A = (aij) es la matriz de interacción y aij representa la interacción de la especie i con la especie j (la interacción entre las especies no es necesariamente simétrica, y generalmente aij ≠ aji) [10]. Esta ecuación se conoce como ecuación de competencia o de competencia interespecífica de Lotka-Volterra. La versión puramente competitiva de este modelo requiere que todos los aij ≥ 0 [10], pues el efecto de la interacción debe afectar negativamente la tasa de crecimiento de la población de la(s) especie(es) con que se compite.

En este trabajo se considera como especie 1 (x1): microorganismos magnetotácticos, y especie 2 (x2): microorganismos no-magnetotácticos. Las ecuaciones de competencia de Lotka-Volterra son entonces:

Los valores de los parámetros y las

condiciones iniciales, supuestos con base en observaciones hechas en el laboratorio, son: r1=1, r2=0.1, a12=0.1, a21=1, x1(0)=0.7, x2(0)=50. Los valores de r y a se eligieron bajo el supuesto de que las condiciones de oscuridad favorecen el crecimiento de las MTBs. Es decir, el que a12 = (0.1a21) se debe interpretar como que las condiciones de almacenamiento ejercen un efecto 10 veces más dañino sobre los microorganismos fotosintéticos, que son la gran mayoría de los no-magnetotácticos, que sobre las MTBs. Además, como se puede ver a partir de la ecuación 1, existe una relación inversa de proporcionalidad entre el parámetro aij y el crecimiento en el tiempo de la población de la especie i, dxi/dt.

Análogamente, se asume que las poblaciones del conjunto de microorganismos que conforman la denominada especie 2, crecen a una tasa 10 veces menor de lo que lo hacen las MTBs, que no se afectan por las condiciones de oscuridad (r1=10r2). Es decir, el crecimiento en el tiempo de la población de MTBs se da a una velocidad 10 veces mayor que lo que lo hace la población no-magnetotáctica (conformada en su mayoría por microorganismos fotosintéticos), cuando el microcosmos está sometido a condiciones de baja luminosidad.

En este trabajo no se hizo conteo de los microorganismos no-magnetotácticos, es decir, no se tienen valores experimentales de x2. No obstante, las observaciones en el laboratorio sugieren que la población natural (inicial) de microorganismos no-magnetotácticos es muy superior a la de las MTBs. Los valores x1(0)=0.7 y x2(0)=50, se eligieron de manera que la razón x1(0)/x2(0) se aproximara al promedio de las observaciones.

Para solucionar estas ecuaciones, se utilizó el método de Runge-Kutta de cuarto orden, con un tamaño de paso h = 0.001.

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ResultadosDinámica de la población de MTBs:

En la figura 1, se observa la dinámica de la población de MTBs cuando se utilizó la metodología I para hacer el seguimiento.

Figura 1. Dinámica de la población de MTBs (Metodología I). En la figura se observa el

comportamiento de la población en las muestras enriquecida (Ge) y no enriquecidas (Gne).

Los resultados obtenidos mediante la metodología II se pueden observar en la figura 2.

Figura 2. Dinámica de la población de MTBs (Metodología II). En la figura se observa el

comportamiento de la población en las muestras enriquecida (Pe) y no-enriquecidas (Pne).

En las figuras 3a y 3b se observa la comparación de los métodos I y II, utilizados para hacer el seguimiento a las poblaciones de MTBs.

Figura 3a. Dinámica de la población de MTBs. Muestras enriquecidas. Las curvas fueron generadas

a partir de datos tomados de muestras grandes (metodología I) y pequeñas (metodología II).

Figura 3b. Dinámica de la población de MTBs. Muestras no-enriquecidas. Las curvas generadas a partir de datos tomados de muestras grandes (metodología I) y pequeñas (metodología II).

Por último, se muestra el comportamiento de las poblaciones de MTBs en los cuatro casos (figura 4).

Figura 4. Dinámica de la población de MTBs. En la figura se observa el comportamiento de las poblaciones

en las muestras enriquecidas y no enriquecidas (utilizando ambas metodologías).

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En esta figura se ve de manera más clara que las poblaciones de mayor tamaño, registradas en los últimos conteos, corresponden a las muestras pequeñas, es decir a la metodología II.

Resultados experimentales vs. Modelo teórico:

El modelo de competencia de Lotka-Volterra, para los valores de los parámetros y las condiciones iniciales supuestas, sugiere que la dinámica de población de las dos especies consideradas es de la siguiente forma (figura 5):

Figura 5. Dinámica de las poblaciones de dos especies según el modelo de competencia de Lotka-Volterra, cuando las condiciones son: r1=1, r2=0.1, a12=0.1, a21=1, x1(0)=0.7, x2(0)=50. En la figura la línea continua representa la población de la especie 1

(magnetotáctica) y la discontinua la de la especie 2 (no-magnetotáctica).

En la figura 6 se hace un acercamiento a la figura 5, de manera que se observe con más detalle el comportamiento de la población de la especie 1 al inicio del experimento.

Figura 6. Dinámica de las poblaciones de dos especies según el modelo de competencia de Lotka-Volterra, cuando las condiciones son: r1=1, r2=0.1, a12=0.1,

a21=1, x1(0)=0.7, x2(0)=50. Esta es una región aumentada de la figura 5, en la que se ve con más detalle la dinámica de la población de la especie 1 (MTBs) al inicio del experimento. El eje de las

ordenadas está normalizado con los ejes de las figuras 7a, b, c y d.

A continuación, se muestran las gráficas que contienen las líneas de tendencia que promedian el comportamiento de la población de MTBs para cada caso experimental.

ba

Figura 7. Dinámica de la población de MTBs. Datos experimentales. Se hace una línea de tendencia en cada caso, de manera que se puedan comparar estos resultados con la curva obtenida del modelo de Lotka-Volterra. Muestras (a) Grande enriquecida (Ge), (b) Grande no-enriquecida (Gne), (c) Pequeñas enriquecidas (Pe) y (d) Pequeña no-

enriquecida (Pne).

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Otro análisis interesante es de cómo varían las poblaciones, una en función de la otra. El espacio de fases que se genera en este caso es el que se muestra en la figura 8:

Hay que resaltar que en la figura 8, al igual que en la 5, la especie 2 (no-magnetotáctica) no se extingue. Su población decrece asintóticamente pero no llega a ser cero. Además, en esta figura se distinguen tres etapas que representan momentos diferentes del proceso que se intenta modelar. Etapa I: Las poblaciones de ambas especies decrecen. Etapa II: La población de la especie 2 decrece y la de la especie 1 crece. La tasa de crecimiento de población de la especie 1 aumenta con el tiempo. Etapa III: La población de la especie 2 decrece y la de la especie 1 crece. La tasa de crecimiento de población de la especie 1 disminuye con el tiempo.

Figura 8. Espacio de fases en el que se indica la dinámica de la población de una especie en función

del tamaño de población de la otra.

DiscusiónTodas las curvas obtenidas experimentalmente, aunque diferentes entre sí, tienen un mismo patrón en el que se pueden diferenciar por lo menos dos etapas. En la etapa inicial, que dura entre 20 y 30 días, la población de MTBs se reduce drásticamente, a una razón casi constante. En la segunda etapa, que le sigue, la población aumenta a una tasa similar a la que se disminuyó en la primera etapa, hasta lo que parece un valor máximo de las poblaciones, cerca al día 60 (figura 4).

La figura 1, sugiere que el proceso de enriquecimiento, por lo menos con los reactivos utilizados en este estudio y durante el periodo en el que se hizo el seguimiento, no favorece ni desfavorece de manera significativa el crecimiento de la población de MTBs provenientes del embalse de La Fe, a lo sumo, puede ser el responsable de un ligero aumento de la población de MTBs entre los días 5 y 20. Este es un resultado más que confirma la dificultad que representa obtener grandes cantidades de MTBs por medio de cultivo o enriquecimiento de muestras naturales [2,14,15,16].

En la figura 2, se observa el mismo comportamiento de las poblaciones de MTBs que en la figura 1. No obstante, en este caso la comparación entre los tamaños de población al inicio y al final del experimento sugiere que la técnica de enriquecimiento

c d

Figura 7. (continuación)

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indujo significativamente el crecimiento de la población de MTBs (tabla 1).

Tabla 1. Cambio en la concentración de MTBs en muestras enriquecidas (Pe) y no enriquecidas (Pne).

Caso metodología II.

Esto significa que existe la posibilidad de que, por medio de técnicas de enriquecimiento, se induzca un crecimiento de hasta 6.1 veces en las poblaciones naturales de MTBs, en un periodo de 60 días. Futuros estudios podrían no sólo confirmar esta hipótesis, sino también esclarecer los requerimientos nutricionales de estos microorganismos tan exigentes.

De la figura 3b, se puede inferir que cualquiera de las metodologías utilizadas para hacer el seguimiento es válida o, por lo menos, que arrojan resultados muy similares. No obstante, las figuras 3a y 4 parecen indicar que el constante agotamiento de la población de MTBs, practicado en la metodología I, puede disminuir de manera significativa su tamaño. De ser así, el método generaría una curva de crecimiento que no representa la dinámica de la población de MTBs en condiciones naturales. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que haya un factor no detectado, como un suelo ligeramente más nutritivo o una ecología más favorable, que induzca la diferencia entre de las curvas que se observan en la figura 3a y 4. Por estas razones, la sugerencia es que se utilicen ambos métodos para minimizar los posibles errores que puedan surgir en el proceso de conteo.

La dinámica de las poblaciones observada en la figura 5 se correlaciona de manera muy interesante a las observaciones realizadas en el laboratorio, no sólo en el desarrollo de este trabajo sino a lo largo de toda la investigación sobre MTBs. Aunque no se ha hecho un seguimiento cuantitativo de los microorganismos no magnetotácticos que

hacen parte del microambiente que contiene las MTBs, siempre se ha registrado una disminución drástica de dichas poblaciones, debido a que las muestras son almacenadas en condiciones de oscuridad y la gran mayoría de estos microorganismos no magnetotácticos son fotosintéticos. Sólo en casos aislados una especie no-magnetotáctica y no-fotosintética ha proliferado sola o junto a las MTBs.

El objetivo de las figuras 6 y 7 es señalar la similitud entre el modelo obtenido de manera teórica con las ecuaciones de competencia de Lotka-Volterra y las líneas de tendencia generadas a partir de los valores de tamaño de población obtenidos de manera experimental. Vale la pena resaltar que las líneas de tendencia en los casos en que la muestra fue previamente enriquecida (Figuras 7a y 7c), indican un ligero aumento de la población de MTBs en la primera etapa de la curva de crecimiento, mientras que las poblaciones de las muestras no-enriquecidas (Figuras 7b y 7d) muestran un decrecimiento de la población de MTBs muy similar al que experimenta la especie 1 (MTBs) en el modelo de Lotka-Volterra (Figura 6).

Las etapas de la figura 8 pueden interpretarse de la siguiente manera. Etapa I: ambas especies son desfavorecidas por las condiciones del sistema que las contiene. El impacto negativo parece ser proporcional al tamaño de la población de cada especie. Esto sugiere que el factor que desfavorece el crecimiento de ambas especies es la diferencia tan grande entre los tamaños de sus poblaciones en el momento inicial. Etapa II: La población de la especie 1 alcanza un mínimo después del cual las condiciones del sistema favorecen su crecimiento. El sistema puede considerarse lejos del equilibrio, pues la tasa de crecimiento de la población de la especie 1 respecto a la especie 2 aumenta en el tiempo. Etapa III: El sistema se acerca al equilibrio (sin que signifique que tenga que llegar a él en algún momento) por lo que la tasa de crecimiento de la población de la especie 1 decrece en el tiempo. La comparación de las figuras 8 y 5 permite visualizar que el tiempo

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que duran las etapas I y II es muy pequeño respecto al gran espacio de tiempo que el sistema permanece en la etapa III. Se debe tener en cuenta que todo análisis que se haga sobre la figura 8 es meramente especulativo, pues no se ha hecho un seguimiento real de las poblaciones de microorganismos no magnetotácticos (especie 2). Sin embargo, ya que la figura 8 está estrechamente relacionada con la figura 5 y esta última se acerca mucho al comportamiento de las poblaciones deducido de observaciones y mediciones, su análisis no puede ser menos que interesante.

ConclusionesLa curva de crecimiento poblacional de las

MTBs de la represa La Fe, puede dividirse en dos etapas que representan fases diferentes en la dinámica de esta población. En la primera, la población decrece drásticamente hasta alcanzar un valor mínimo, cerca al día 30. En la segunda la población crece hasta un máximo que depende de factores ambientales y de características inherentes a cada especie. Esta última etapa también tiene una duración aproximada de 30 días.

Los resultados sugieren dos hechos concretos respecto a la técnica de enriquecimiento. El primero es que ninguno de los compuestos adicionados a los medios naturales inhibe el crecimiento de las MTBs ni la síntesis de magnetosomas. El segundo es la posibilidad de que, dependiendo de las condiciones iniciales de las muestras (composición, población inicial de MTBs, volumen del recipiente que las contiene) y de las condiciones de almacenamiento (luminosidad, temperatura, reposo), esta técnica de enriquecimiento puede inducir el crecimiento de poblaciones de MTBs hasta 6.1 veces su tamaño inicial, en un periodo de dos meses.

Las dos metodologías utilizadas para hacer el seguimiento de las poblaciones de MTBs son adecuadas, no obstante, la utilización

simultánea de ambas técnicas, disminuye significativamente los posibles errores que puedan acumularse en los conteos.

El modelo de competencia de Lotka-Volterra genera curvas que se ajustan de manera significativa a los resultados experimentales obtenidos en el estudio de la dinámica de población de las MTBs de la represa La Fe. No obstante, dada la simpleza del modelo y la complejidad del sistema objeto de estudio, no es posible determinar si entre las MTBs y los microorganismos no-magnetotácticos que hacen parte de su ecología hay o no una estricta relación de competencia del tipo que sugieren los modelos de Lotka-Volterra. Sin embargo, el nivel de correlación entre los resultados teóricos y los experimentales sugiere que los factores evaluados en el modelo pueden ser determinantes en la interacción entre las MTBs y sus vecinos no-magnetotácticos. El tamaño inicial de población (x) y la tasa de crecimiento lineal de cada especie (r) aparecen como factores gobernantes en el modelo matemático y por ende candidatos a ser factores clave en la dinámica poblacional de las MTBs de la represa La Fe.

La continuidad de este tipo de estudios facilitará las herramientas que permitan manipular el entrono de las MTBs de manera que se alcancen tamaños máximos de población en periodos de cultivo cortos.

AgradecimientosLos autores agradecen al Programa

Nacional de Biotecnología de Colciencias por la financiación de este proyecto. A Empresas Públicas de Medellín (EEPPM) y Comfamiliar Comfenalco por autorizar el muestreo y facilitar la logística en la represa La Fe. Al laboratorio de Biomineralogía de la Universidad Nacional, Sede Medellín y a todos quienes apoyan este trabajo. ASV agradece al profesor Juan F. Salazar por su valiosa colaboración en el desarrollo del modelo de Lotka-Volterra.

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Recibido:20 de marzo de 2009

Aceptado:28 mayo de 2009


V. Useche1 G. Peña Rodríguez2 E. Segura3 L. Gualdrón4

1 Maestría en Física Universidad de Pamplona, Departamento de Física

UFPS. Cúcuta Norte de Santander. E-mail: [email protected]

2 Grupo de investigación en Tecnología Cerámica – GITEC -

Departamento De Física- UFPS. Cúcuta Norte de Santander.

E-mail: [email protected] Asesor Técnico.

Cerámica Italia S.A.4 Departamento de Física. Universidad de Pamplona.

Norte de Santander.

ResumenSe reporta el comportamiento de la viscosidad cinemática (σ) y la difusividad

térmica (α) de barbotinas de arcillas rojas utilizadas por la empresa Cerámica Italia S.A en la elaboración de polvos de arcillas atomizadas (spray dried), en función de la concentración de sulfato de sodio (Na2SO4). Las barbotinas presentan un porcentaje en peso de sólido (arcilla) del 64 % y un 36% de agua (líquido). Para mantener condiciones de densidad similares (1.689 ± 0.007 g/cm3) y solo cambiar la viscosidad de la barbotina se realizó una curva de adición de Na2SO4 a la barbotina, desde 0,018% hasta 0,153% en peso, para la medida de la viscosidad se usó el viscosímetro BROOKFIELD-DV-II+Pro; la densidad (ρ) se determinó mediante picnómetro metálico de 100 cm3; la difusividad térmica se hallo utilizando el sensor SH-2 del sistema KD2-Pro, el cual consiste en dos agujas de acero inoxidable separadas 6mm, una que funciona como fuente de calor y la otra como sensor de temperatura. La composición química usando fluorescencia de Rayos X en porcentaje en peso de las arcillas reporta la presencia mayoritarias de SiO2 (64,4%), Al2O3 (21,8%) y Fe2O3 (5,4%). Los resultados reológicos indican que la viscosidad se incrementa cuando la concentración de sulfato de sodio aumenta en la muestra, presentándose un cambio en el estado de dispersión de las partículas, ya que las suspensiones manifiestan un comportamiento desde fluidas hasta alcanzar una mayor viscosidad. La difusividad térmica en función de la concentración de Na2SO4 mostró una desviación promedio del 3.5 % reportándose un valor mínimo de 0.00330cm2/s y uno máximo de 0.00375 cm2/s. Los números de Prandtl ( ) encontrados fueron mucho mayor que uno (Pr >>1) lo cual indica que la capa limite térmica es mucho menor que la capa límite hidrodinámica.

Palabras clave: Viscosidad, difusividad térmica, números de Prandtl, fluorescencia de rayos X, sulfato de sodio.

AbstractWe reports the thermal diffusivity (α)and kinematic viscosity (σ) of red-clay

suspensions used by Ceramica Italia SA. company in the productions of spray-dried clay powders, in function of sodium sulphate concentration. The samples are formed in percentage in weight of a 64% of clay (solid) and a 36% of water

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Introducción

Las arcillas son materia prima que presentan múltiples aplicaciones tecnológicas. Se utiliza tanto para la

elaboración de cerámica tradicional como para nuevos materiales (cerámicas avanzadas) útiles en la actualidad. En la industria de la construcción esta materia prima juega un papel importante, ya que con ésta se elaboran los distintos tipos de ladrillo, tejas, tubos, enchapes, pisos, los cuales deben cumplir con especificaciones técnicas de acuerdo a su uso [1]. Es un mineral complejo constituido por alumino-silicatos hidratados, comúnmente acompañados de otros minerales. Estructuralmente están constituidos por láminas de tetraedros SiO4 y octaedros AlO6. La combinación de estas láminas forman diferentes tipos de estructuras arcillosas que a su vez dan origen a paquetes, que al combinarse generan las placas de mineral arcilloso [2]. Físicamente se considera un coloide, de

(liquid). It is made an addition curve of Na2SO4 from 0,018% to 0,153% in weight, in order to maintain similar density conditions (1.689 ± 0.007 g/cm3) and only change the viscosity of the sample. The dynamic viscosity (μ) is measured using the viscosimeter BROOKFIELD-DV-II+Pro. Density (ρ) is determined by a metallic pycnometer at 100 cm3. The thermal diffusivity is found by a SH-2 Sensor of the KD2-Pro System, which consists of 2 stainless steel needles 6mm separated, one is functioning as a source of heat and the other one is as a sensor of temperature. X-Rays fluorescence is used to found the chemical composition it reports the presence of SiO2 (64,4%), Al2O3 (21,8%) y Fe2O3 (5,4%) mainly. The rheological results indicate that the viscosity increases when the concentration of sodium sulfate increases in the sample, appearing a change in the state of dispersion of particles; since the suspensions demonstrate a behavior from fluid to reach a higher viscosity. The thermal diffusivity depends on the concentration of Na2SO4 that showed an average deviation of 3.5% and reported a minimum value of 0.00330 cm2/s and a maximum value of 0.00375 cm2/s. The Prandtl Numbers (

) found for each concentration of Na2SO4 used, which were very much greater that one (Pr>> 1), which indicates the thermal boundary layer is much smaller than the hydrodynamic boundary layer.

Keywords: Viscosity, Thermal diffusivity, Prandtl Numbers, X-Rays

fluorescence, Sodium Sulfate.

partículas extremadamente pequeñas y superficie lisa, donde sus propiedades derivan de su tamaño de partícula (inferior a 2 µm), su morfología laminar (filosilicatos) y las sustituciones isomórficas, que dan lugar a la aparición de carga en las láminas y a la presencia de cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar [3]. Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua y se endurece al someterse a temperaturas por encima de 800° C. Se utiliza en muchos procesos industriales, como en la industria del papel, producción de cemento e industrias químicas [4].

Las propiedades físicas más importantes de las arcillas son: (1) plasticidad, que permite que sea moldeada; (2) resistencia a compresión, tensión o cizallamiento; (3) retracción tanto en secado como en cocción; (4) temperatura de cocción y vitrificación; y (5) color de calcinación, que se debe principalmente a los óxidos de hierro presentes. La composición y


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su naturaleza determinan el uso y el valor de la arcilla[5].

Por otra parte, la viscosidad es una propiedad hidrodinámica de enorme importancia en los cálculos de ingeniería, la cual define el comportamiento reológico de un fluido, representando la resistencia que opone un fluido a la fluencia [6]. En el caso de las barbotinas o suspensiones de arcillas, los datos de la literatura disponible son muy escasos y no se han reportado datos de las mismas en la literatura técnica nacional. Las propiedades reológicas de un fluido dependen de factores como la composición química, humedad, distribución de tamaño de partícula, relación entre el contenido de fase sólida y liquida, temperatura, etc., [7]

El conocimiento de las propiedades reológicas y térmicas, es de vital importancia en la preparación de barbotinas o suspensiones ya que permiten optimizar las etapas de proceso en la fabricación de productos cerámicos. Las barbotinas y las suspensiones de arcilla en agua son fluidos que no se comportan como el agua u otros fluidos. La fluidez o viscosidad se pueden modificar con el agregado de electrolitos o defloculantes tales como silicato de sodio, hexametafosfato de sodio, carbonato de sodio, poliacrilatos, etc. [8].

Por lo general, las arcillas presentan también una característica particular llamada tixotropía que es el aumento de la viscosidad a través del tiempo. Una curva de defloculación se construye sobre dos ejes cartesianos en donde a uno se le asigna el valor de la viscosidad y en el otro la cantidad de defloculante agregado [9]. Las curvas dan una idea de cuan defloculada esta la barbotina y de la cantidad de defloculante a agregar si se quiere mantener siempre la misma viscosidad. A medida que se va agregando defloculante la fluidez va aumentando hasta un punto en el que comienza a disminuir y pasado ese límite se produce el fenómeno inverso que es la floculación. La adición o presencia de iones floculantes provoca el aumento de la viscosidad.

La razón entre viscosidad cinemática y la difusividad térmica define el número de Prandtl, el cual proporciona una medida de la efectividad relativa del transporte de momento y energía por difusión en las capas límite hidrodinámico y térmico, respectivamente [10].

En este trabajo, se presenta el estudio de la

viscosidad y difusividad térmica en barbotinas de arcillas rojas usadas en la elaboración de polvos cerámicos por spray dried, utilizadas por la empresa Cerámica Italia S.A. en la fabricación de baldosas esmaltadas para piso y pared.

Materiales y métodosLas muestras de barbotina fueron

suministradas por la empresa Cerámicas Italia, S.A., ubicada en la ciudad de Cúcuta, Departamento Norte de Santander. Esta barbotina esta preparada con arcillas rojas naturales de la zona metropolitana de Cúcuta y se prepara por molienda vía húmeda en molino de bolas, usando como defloculante silicato de sodio y poliacrilato de sodio, la suspensión obtenida se tamiza por malla 80 y se usa posteriormente en la preparación de polvos para prensado de baldosas.

La relación sólido (arcilla) – líquido

(agua), se determinó tomando una masa de 100 gramos de barbotina, se sometió a un proceso de secado a una temperatura de 110 °C, por un tiempo de 24 horas usando estufa de circulación forzada marca Gabrielli®. Para hallar la densidad (ρ) de la barbotina se usó un picnómetro metálico con tapa de 100 cm3 y el pH se determinó según la Norma Técnica Colombiana NTC 5264 método A, que consiste en la medición del pH en una suspensión de arcilla-agua en relación 1:1 (peso/volumen).

El proceso de agitación de la muestra

fue realizado con el agitador mecánico Velp Scientifica® a 1200 rpm por tiempos de 5 minutos, mientras que para la determinación


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de la viscosidad dinámica (µ) se empleó el viscosímetro rotacional marca Brookfield®-DV-II+Pro, utilizando la agujas 2,3 y 4 de acuerdo al corte con la muestra. La viscosidad cinemática (σ) se calculó mediante la relación µ/ρ. La difusividad térmica de la muestra se encontró usando el sensor SH-2 del equipo KD2® Pro, el cual consta de dos agujas de 30 mm de largo y 1,4 mm de diámetro separadas 6 mm, donde una de estas agujas funciona como fuente lineal de calor y la otra como el sensor de temperatura. La medida experimental de los parámetros anteriores se realizó en función de la concentración de sulfato de sodio (Na2SO4), con el objeto de aumentar la viscosidad de la barbotina, agregándose cantidades constantes de 0,09 gramos iniciando con un valor mínimo de 0,18 g hasta un valor máximo de 1,53 g, valor para el cual la viscosidad fue máxima. Para determinar el comportamiento de gelificación, inicialmente se tomó la muestra sin agregar sulfato de sodio y se dejó en el viscosímetro durante intervalos constantes de tiempo de 5 minutos, donde en cada uno de éstos se media la viscosidad hasta que ésta fuera constante. Posteriormente, a la muestra se le agregó cantidades constantes de 0.18 gramos de sulfato de sodio, empezando desde 0.27 hasta 1.17 gramos por cada kilogramo de barbotina y se determinó la viscosidad

para cada caso en intervalos de 5 minutos. La composición química se determinó usando espectrómetro de fluorescencia de rayos X de energía dispersa Shimadzu EDX 800 HS, con detector de estado sólido Si(Li) y fuente de Rodio.

Resultados y discusión.En la tabla 1, se presentan los valores

obtenidos experimentalmente en función de la cantidad en gramos de sulfato de sodio agregada a la barbotina por cada kilogramo de ésta. Se observa, que la densidad prácticamente se mantuvo constante, obteniéndose un valor promedio de 1,689 ± 0.007 g/cm3, evidenciando que el Na2SO4 no influye de manera apreciable en la densidad de la barbotina; también se aprecia que al incrementar la concentración de Na2SO4 la viscosidad dinámica (µ) aumenta, es decir, cuando se toma una muestra de barbotina sin agregarle Na2SO4, ésta tiene un valor de 1166,7 cp y al agregarle 1,53 gramos de Na2SO4 la viscosidad dinámica presenta un valor de 6407 cp, elevándose en un 400%, comportamiento esperado ya que esta sal tiene efecto floculante en la reología de las barbotinas, mostrando un cambio en el estado de dispersión de las

Tabla 1. Resultados experimentales de la densidad (ρ), viscosidad dinámica (µ), viscosidad cinemática (σ), difusividad térmica (α), pH, temperatura y número de Prandtl (Pr)


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partículas [11]. También se observa que el pH es básico, el cual prácticamente es constante, ya que su variabilidad respecto del promedio es aproximadamente del 1,4 %.

La viscosidad cinemática (σ) se calculó utilizando la razón σ=µ/ρ, para lo cual se tomaron los diferentes valores de µ y la densidad (ρ) promedio hallada. En la figura 1, se presenta el mejor ajuste a los datos experimentales usando software OriginPro Ver. 7.0 de σ(y) en función de la concentración de Na2SO4(x), en ésta se observa que los datos hallados presentan un comportamiento que se ajustan a la función de la forma donde y0 corresponde a σ para cero concentración de Na2SO4 con A, xc y w parámetros de ajuste. La función exponencial, indica que incrementos iguales del contenido de Na2SO4 producen incrementos variables y crecientes del valor de σ a medida que aumenta la concentración de Na2SO4 en la barbotina. Esto indica el efecto floculante y la influencia de la concentración de esta sal (Na2SO4).

Figura 1. Ajuste multiparamétrico de la viscosidad cinemática (σ) en función de la concentración de

Na2SO4 agregado a la barbotina, la línea sólida representa el mejor ajuste a los datos experimentales

usando la expresión

Al cambiar la concentración de Na2SO4 en la barbotina, se puede observar en los datos experimentales que la difusividad térmica (α) no sufre una variación considerable,

obteniéndose un valor promedio 0.00358 ± 0.00012 cm2/s para una temperatura promedio de 26.3 ± 0.7°C, lo anterior permite inferir que la capa límite térmica (δt) es mucho menor que la capa límite hidrodinámica (δ), lo cual se corrobora al analizar los números de Prandtl (Pr), ya que éstos valores son muchos mayores que la unidad (Pr>>1). De la definición de Pr= σ/α [12], se espera que el comportamiento de la difusividad térmica (α) en función de σ/Pr se ajuste mediante la función identidad, lo cual se confirma tal como se aprecia en la figura 2.

Figura 2. Difusividad térmica (α) en función de la viscosidad cinemática normalizada con el número de

Prandtl (Pr). La línea sólida representa el mejor ajuste a los datos experimentales con la función identidad.

En la tabla 2, se muestran los valores obtenidos experimentalmente de la viscosidad dinámica (µ), en función de la concentración de sulfato de sodio agregada a la muestra y del tiempo de gelificación. El utilizar el Na2SO4 como floculante en la barbotina, hace que la viscosidad aumente debido al mecanismo de la floculación, donde el efecto del sulfato de sodio es disminuir la fuerza de repulsión entre las partículas de arcilla (Potencial Z) y aumentar la viscosidad de la barbotina. La figura 3, presenta la curva de gelificación de la barbotina, presentándose los valores de viscosidad dinámica expresados en centipoise (cp) en función del tiempo de gelificación en minutos.


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Figura 3. Curva de gelificación de la barbotina en función de la concentración de sulfato de sodio y el tiempo

Tabla 2. Resultados experimentales de la viscosidad dinámica (µ) en función de la concentración de sulfato de sodio y el tiempo de gelificación.


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Al remitirnos a la figura anterior, se puede afirmar que la consistencia de la muestra aumenta y su fluidez disminuye, entendiéndose por consistencia, el grado de resistencia que ofrece la barbotina a fluir o a deslizarse. Las partículas coloidales en estado de reposo forman geles (de apariencia sólida), y cuando estos geles se someten a enérgicas agitaciones, se destruyen y forman fluidos viscosos. Si la agitación se detiene y la suspensión permanece inmóvil, se regeneran las características del gel original. Las partículas coloidales son atrapadas en una posición de equilibrio eléctrico cuando se forma el gel, balanceándose de este modo todas sus cargas, mediante la acción de los iones del medio, que son capaces de mantener a las partículas negativas de arcilla con cierta separación.

Tabla 3. Composición química en porcentaje en peso (%Wt) de las arcillas usando FRX.

La composición química en porcentaje en peso (% Wt) de las arcillas usando fluorescencia de rayos X de energía dispersa (FRX), se presenta en la tabla 3. En ésta, se aprecia que más del 86% de la muestra está constituida por sílice (SiO2) y alúmina (Al2O3), también se observa en menor concentración la presencia de óxidos de hierro, potasio, azufre, titanio, calcio y magnesio entre otros

Conclusiones Para una barbotina industrial de arcillas rojas,

con composición química mayoritaria de sílice y alúmina, y con una relación en peso sólido (arcilla)- líquido (agua) constante de 64,23 ± 0,53 % y 35,77 ± 0,53 % respectivamente, la

viscosidad cinemática de las barbotinas, con la adición de sulfato de sodio, entre 0,018% y 0.153%, varió en forma exponencial según la expresión , mientras que la difusividad térmica prácticamente fue constante reportándose un valor promedio de 0.00358 ± 0.00012 cm2/s para una temperatura promedio de 26.3 ± 0.7 °C, lo anterior era de esperarse pues no se encontró una variabilidad significativa en la densidad de las muestras, hallándose un valor promedio de 1,689 ± 0.007 g/cm3. La relación entre la viscosidad cinemática y la difusividad térmica quedó definida por los números de Prandtl (Pr), encontrándose que Pr>>1, indicando que la capa limite térmica es mucho menor que la capa límite hidrodinámica (δt << δ), luego la rapidez con la que se difunde el calor es mucho menor que la cantidad de movimiento. Se puede inferir que al aumentar la concentración de sulfato de sodio aumenta la viscosidad, y ésta depende del tiempo de reposo y del nivel de agitación como se pudo observar en las curvas de floculación y curvas de gelificación. Los resultados anteriores, serán utilizados en los procesos de elaboración de los polvos de arcillas atomizados (spray dried), los cuales son utilizados en la fabricación de cerámica esmaltada para piso y pared por procesos de prensado.

AgradecimientosAl Centro de Investigación en Materiales

Cerámicos de la UFPS por su colaboración en el préstamo de los equipos y laboratorios, a la Tecnóloga Química Tatiana Mendoza Calderón por su asistencia técnica en la preparación de las muestras.

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de Minas y Petróleos. Las arcillas: propiedades y usos. http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/Arcillas.htm. Consultado el 18 de marzo de 2009


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Adriana Patricia Wilches Castellanos1 Karla Cecilia Puerto López2 Jorge Gómez Rojas3

1Ingeniera Electrónica. Investigadora. Grupo de Investigación y Desarrollo en

Telecomunicaciones – GIDT. Universidad Francisco de Paula Santander – UFPS.

[email protected],2Ingeniera Electrónica. Investigadora.

Grupo de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones – GIDT. Universidad

Francisco de Paula Santander – [email protected]

3Ingeniero Electrónico. Grupo de Investigación en desarrollo Electrónico y

Aplicaciones Móviles-GIDEAM. Docente de Planta Universidad del Magdalena.

[email protected]

Resumen Se desarrolló una aplicación móvil celular que permite a los estudiantes de la Universidad Francisco de Paula Santander acceder a parte de la información académica que dicha institución ofrece, aprovechando los beneficios que tiene la tecnología Bluetooth[1]. Se diseño e implemento una picocelda Bluetooth que permite a los usuarios establecer una comunicación mediante un dispositivo móvil celular con tecnología Bluetooth con la fuente de información. Se realizó una evaluación cuantitativa del sistema propuesto en dos condiciones de entornos diferentes, con obstáculos y sin obstáculos, y además se evaluó el potencial de éxito de la aplicación mediante el análisis de las cinco emes (5M’s) [2]. Los resultados de la evaluación indican que el sistema es una alternativa viable para acceder a la información sin costo alguno y desde un rango de cobertura establecido.

Palabras clave: Bluetooth, teléfono móvil, JSR-82.

AbstractIt developed a mobile application that allow to students at the Francisco de

Paula Santander University, access to some academic information offered by the Institution, taking advantage of the benefits of Bluetooth technology [1]. A Bluetooth picocell was designed and implemented to allow to users to set a communication between a cellular mobile device with Bluetooth technology enabled and the information source. We performed a quantitative assessment of the proposed system in two different environments: with and without obstacles; and also we assessed the potential for success of implementation through five emes (5M’s) analysis [2]. The evaluation results indicate that the system is a viable alternative to offer free access to information within a certain range of coverage.

Keywords: Bluetooth, Mobile phone, JSR-82.

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Introducción

En respuesta a la necesidad de adquirir información, han surgido nuevas tecnologías que proporcionan medios

para acceder a la información en cualquier momento y en cualquier lugar, cada una enfocada en un campo de acción específico [3]. Entre las tecnologías inalámbricas más destacadas se encuentran las de acceso a Redes de Área amplia (Wide Area Network, WAN), el acceso a Redes de Área Local Inalámbrica (Wireless Local Area Network, WLAN), el acceso a Redes de Área Local (Local Area Network, LAN) y el acceso a Redes de Área Personal (Personal Area Network, PAN) regidas por algunos de los estándares 802 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)[4]; cada una con un campo de acción diferente, pero que en conjunto conforman una completa solución a los problemas de movilidad; entendiéndose ésta como la capacidad de acceder a la información y los servicios en diferentes zonas de cobertura sin necesidad de una reconfiguración o pérdida de la conectividad a diferencia de portabilidad que solo permite acceder a la información dentro de una zona delimitada[5].

Paralelamente se refleja la aceptación que han generado los dispositivos electrónicos portátiles móviles que permiten almacenar, visualizar e intercambiar información, que ha llevado al éxito de la telefonía móvil y considerando, el impacto que ha supuesto Internet y sus aplicaciones en los sistemas de información, los cuales contribuyen a cambiar los hábitos de la sociedad actual forzando al mercado de las telecomunicaciones a innovar sus tradicionales modelos y conceptos, llegando a un punto en el cual se demanda la convergencia de estos dos campos, para facilitar el acceso a los servicios de información y comunicación desde dispositivos móviles [6].

En la actualidad se han desarrollado

aplicaciones en Java2 Micro Edición (Java 2 Micro Edition, J2ME) y diferentes servicios soportados en el Protocolo para Aplicaciones Inalámbricas (Wireless Applications Protocol, WAP) [7] por empresas dedicadas a este rubro exclusivamente, que buscan ofrecer servicios sobre la plataforma de los operadores de telefonía móvil que permitan el intercambio de información entre el dispositivo móvil celular y la fuente de información; ésta información [8] es entregada en paquetes de datos tarifados por la empresa proveedora de servicios, representando costos para el usuario[9].

Además, existen tecnologías alternas no tarifadas, como Bluetooth, para la transferencia de información entre los dispositivos móviles celulares y los servidores de redes locales, como lo es la tecnología Bluetooth [10], y basándose en esta tecnología se desarrolló una aplicación móvil celular que permite acceder a la información académica de la Universidad Francisco de Paula Santander.

Bluetooth es una tecnología inalámbrica que trabaja nivel de radiocomunicación en la banda de frecuencias libres Industrial, Médica y Científica (Industrial, Scientific and Medical, ISM), que comprende rangos de frecuencias reservados internacionalmente para uso no licenciado de radiofrecuencia, como los son 6.7, 13.5, 27.1, 40.6, 433.9 y 915 MHz, y en 2.4, 5.8, 24.1, 61.2, 122.5 y 245 GHz [11]. El uso de estas bandas está abierto a todo el mundo sin necesidad de concesiones, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida, entre otras. Bluetooth, para esta situación, emplea la banda ISM ubicada en los 2.4GHz, lo que hace que esta tecnología sea una alternativa adecuada para la conectividad de dispositivos portátiles móviles.

El objetivo de esta investigación fue establecer una red en configuración Cliente-Servidor, siendo los Clientes los dispositivos móviles celulares, enlazados por medio de una conexión punto-multipunto basada en la tecnología Bluetooth.

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Materiales y métodosSe desarrolló una estructura Cliente-

Servidor basada en la topología de una piconet1 en donde el nodo maestro es el Servidor (donde reposa la información académica) y cada uno de los esclavos representa a los Clientes (dispositivos móviles que a través de Bluetooth acceden al nodo maestro), permitiendo llevar a cabo una comunicación bidireccional entre la Universidad Francisco de Paula Santander y sus estudiantes.

Para comenzar con el desarrollo de la aplicación se determinaron las funciones de cada una de las partes de la red y se seleccionaron las herramientas y tecnologías a utilizar para la elaboración de una aplicación que reside en el Servidor de Aplicaciones y una aplicación que reside en el Cliente [12].

El Servidor de Aplicaciones permite gestionar los usuarios de la red y consultar en la base de datos la información solicitada por el Cliente [13]. La aplicación Cliente reside en el dispositivo móvil celular, la cual es enviada por la aplicación Enviar midlet2 permitiéndole al estudiante acceder a la información académica que solicite y mostrándola en este dispositivo [14].

A. Arquitectura del sistema

En la Figura 1, se aprecia la arquitectura general del sistema.

Figura 1. Arquitectura general del sistema.

La arquitectura del sistema consta de dos aplicaciones: la aplicación servidora alojada

en el Servidor de Aplicaciones, y la aplicación Cliente instalada en el teléfono visitante. Ambas se describen a continuación.

B. Servidor de Aplicaciones

Un servidor Bluetooth es el encargado de crear una conexión, capaz de especificar los atributos del servicio que se presta en el sistema, y abrir las conexiones con los clientes cuando éstos lo soliciten. El Servidor de Aplicaciones consta de dos tareas una llamada Enviar midlet cuya función principal es descubrir los dispositivos móviles celulares con tecnología Bluetooth dentro del rango de cobertura [15], realiza una búsqueda de servicios en estos dispositivos para determinar si soportan el servicio de intercambio de objetos (OBEX Object Push) y si la búsqueda resulta exitosa establece una conexión con el dispositivo móvil celular y envía el midlet que contiene la aplicación Cliente, luego cierra la conexión; de lo contrario, realiza una nueva búsqueda de dispositivos.

Por otra parte, hay una aplicación llamada Servidor, la cual provee el servicio de información académica y establece una comunicación directa con el dispositivo móvil creando un nuevo servicio llamado Información Académica, permitiendo la transferencia de archivos. Este servicio es único y sólo ofrecido por este equipo Servidor; además, esta aplicación inicializa el dispositivo Bluetooth local para que pueda ser descubierto por otros dispositivos y sea configurado como maestro dentro de la piconet. El dispositivo establece la conexión con un máximo de siete dispositivos al mismo tiempo, proporcionando la información solicitada y cerrando la conexión cuando la comunicación haya finalizado.

C. Aplicación Cliente

Es ejecutada en el equipo móvil celular y su función principal es proveer una interfaz gráfica entre el estudiante y la base de datos

1 Conexión de dispositivos Bluetooth que consta de un nodo maestro y hasta siete nodos esclavos activos.2 Programa Java para dispositivos embebidos, generalmente son juegos y aplicaciones que funcionan en un teléfono celular.

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de la Universidad, para ello cumple con las siguientes tareas: inicializar el dispositivo local, definir su operación como esclavo dentro de la piconet; realizar la búsqueda de dispositivos cercanos y descubrir el servicio Información Académica ofrecido por el equipo Servidor; además, acepta la conexión servidora, envía la información requerida y por último provee una interfaz gráfica que permite visualizar la información consultada.

D. Herramientas Utilizadas

El sistema implementado se desarrolló mediante el lenguaje de programación orientado a objetos Java .

La aplicación Servidora se implementó en Java 2 Edición Estándar (Java 2 Standard Edition, J2SE) [2], que es una de las ediciones de Java y es utilizada en computadoras personales. Permite la conectividad con el cliente Bluetooth y el acceso a la base de datos de la Universidad. Se diseñó la presentación de la aplicación móvil celular en Java 2 Micro Edición (Java 2 Micro Edition, J2ME), destinada especialmente a pequeños dispositivos electrónicos de consumo como teléfonos celulares, utilizando la herramienta de desarrollo NetBeans. Además, se diseñó e implementó un programa en Java que descubre los dispositivos Bluetooth cercanos y les envía aplicación cliente desarrollada.

Servidor de Aplicaciones

El Servidor de Aplicaciones se implementó sobre el sistema operativo Linux, debido a que es distribuido bajo la Licencia Pública General (General Public License, GPL), lo cual significa que puede ser distribuido, copiado y modificado gratuitamente. Se eligió la lista de distribución de Linux Kubuntu 7.04, por su entorno gráfico de fácil manejo, con Kernel 2.6.20 y con soporte Bluetooth a través de la pila oficial de Linux BlueZ.

Las clases implementadas se desarrollaron en J2SE mediante la Interfaz de Programación de Aplicaciones (Application Programming Interface, API) Bluetooth Avetana para Java,

la cual es una implementación de código abierto del JSR-82 con la que se puede hacer uso de Bluetooth en aplicaciones para J2SE. Se eligió esta API porque es una versión no comercial para Linux y el uso de esta implementación es transparente para los fines del programador.

Aplicación Cliente

La aplicación cliente fue diseñada en el Entorno de Desarrollo Integrado NetBeans 5.5.1, siendo el más adecuado para ejecutar aplicaciones en J2ME teniendo en cuenta las herramientas que provee para la edición, compilación, depuración, análisis y ejecución de programas en Java y que incluye las clases del estándar JSR-82 en su paquete de aplicaciones móviles. Además, en este entorno se diseñó la interfaz gráfica del midlet teniendo en cuenta las necesidades y prioridades del usuario, así como las limitaciones técnicas, y el tamaño limitado de la pantalla y memoria que presentan los equipos móviles celulares.

Resultados Para evaluar la viabilidad y el correcto

funcionamiento del sistema diseñado e implementado, se evaluó el potencial de éxito de la aplicación móvil mediante el análisis de las 5M’s y el desempeño del sistema siguiendo el proceso de una evaluación cuantitativa que permite determinar el comportamiento de la aplicación en diferentes entornos físicos.

A. Evaluación del potencial de éxito

Para evaluar la aceptación de una aplicación o servicio móvil en el usuario final se aplicó el análisis de las 5M’s ).

Tabla1. Evaluación de las 5M’s

M Calificación Motivación

Se realiza inter-cambio de infor-mación indepen-dien-temente de la ubicación del usuario e inde-

Movimiento(Movement) 4

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M Calificación Motivación

pendientemente de la movilidad del mismo dentro de las instalacio-nes de la UFPS. El estudiante no tiene acceso a los servicios prestados bajo la tecnología Blue-tooth fuera de la Universidad, limitando el ser-vicio a las áreas de cobertura de la red Bluetoo-th dentro de la UFPS.

El estudiante puede consultar la información académica en el momento en que lo desee mientras que el servidor esté activo. El estudiante sólo podrá tener acceso a la infor-mación académi-ca a través de la tecnología Blue-tooth durante las jornadas en que la Universidad esté abierta a los estudiantes.

El estudiante re-cibe en su equipo móvil celular in-formación actua-lizada y persona-lizada, debido a que cuando rea-liza una consulta sólo podrá acce-der a informa-ción relacionada con las materias que actualmente

Momento(Moment)

Me (Yo)

4

5

tenga matricula-das. El estudiante po-drá interactuar con la base de da-tos de la Univer-sidad para resol-ver sus dudas de forma personal, cómoda y priva-damente.

La aplicación permite el acceso a la información académica de forma gratuita, lo que le permite al estudiante man-tenerse informa-do y actualizado sin ningún costo. Para la Universi-dad no represen-ta ningún costo ofrecer este ser-vicio.

La interfaz hom-bre-máquina del servicio es sen-cilla, pero no es soportada por to-dos los teléfonos de los visitantes debido a las limi-taciones técnicas de los dispositi-vos móviles que no soportan la transferencia de datos mediante la tecnología.

El crecimiento de la base actual de los usuarios de la telefonía móvil, con teléfono que tengan incorpo-rado la tecnolo-gía Bluetooth.

Money (Dinero)

Machines (Máquinas)

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Cada una de las 5M’s puede tener un valor entre 0 y 5, dependiendo que tan bien cumpla el servicio con cada uno de los atributos. Los servicios con alta puntuación en cualquiera de las 5M’s se consideran que tienen un gran potencial para el éxito como servicio móvil.

B. Evaluación cuantitativa.

Para evaluar el desempeño del sistema se diseñó una celda de prueba como la mostrada en la Figura 2. La celda consta de un computador con acceso a Internet mediante una red inalámbrica y con conectividad Bluetooth por medio de un adaptador USB Bluetooth; y de un dispositivo móvil celular que soporta la aplicación Cliente.

Figura 2. Celda de prueba.

Los dispositivos Bluetooth utilizados son de clase 2, lo que indica que el alcance máximo es de 50 metros, y de acuerdo a las características de los sistemas públicos celulares, el tamaño de la celda corresponde al de una picocelda donde el radio de cobertura es hasta 50 m.

La implementación de la celda de prueba en un entorno sin obstáculos se llevó a cabo en un campo abierto dentro de la UFPS, y la celda de prueba en un entorno con obstáculos fue instalada en el edificio Aulas Generales de la UFPS como se muestra en la Figura 3, en donde la pared que obstaculiza la línea de vista del Servidor de Aplicaciones y el dispositivo móvil celular es de ladrillo (arcilla roja) y de 0.19 metros de grosor.

Figura 3. Celda de prueba con obstáculos.

Para esta evaluación cuantitativa se midió el tiempo que tarda el Servidor de Aplicaciones en entregar la información solicitada por la aplicación Cliente en un entorno con presencia de obstáculos y sin ellos. Las mediciones se tomaron cada dos metros de distancia siguiendo el análisis estadístico realizado en el proyecto titulado “Sistema de envío de alertas a terminales móviles basadas en localización utilizando Bluetooth y WAP Push”, en donde a cada valor de distancia se toman medidas de tiempo hasta que la desviación estándar es casi constante.

Los resultados de la evaluación cuantitativa sin obstáculos y con obstáculos se muestran en las Tablas 2, 3, 4 y 5.

En esta evaluación se midieron los tiempos de respuesta de la aplicación. Es importante resaltar la presencia de otros dispositivos Bluetooth ajenos a la celda de prueba, además de los factores interferentes que pueden modificar la señal de radiofrecuencia. Los entornos en los que se realizó la evaluación tienen una red WLAN instalada, y las redes Bluetooth y algunas WLAN operan en la misma banda de frecuencia (2.4 GHz) produciendo interferencia la una a la otra [14]. Otro aspecto a tener en cuenta es el tráfico de la LAN de la UFPS, debido a que cuando es alto aumenta el tiempo que tarda el Servidor de Aplicaciones en realizar la consulta en la base de datos, lo que influye directamente en el tiempo de respuesta de la aplicación.

En la evaluación cuantitativa, las medidas de tiempo tomadas no cambian significativamente con la distancia y se puede observar que cuando el dispositivo cliente se encuentra en modo de bajo consumo de energía y se establece la conexión, es decir, pasa a modo activo, el tiempo de respuesta es aproximadamente 10 veces menor que cuando se establece por primera vez la conexión.

Además, se observó que los modelos de los teléfonos móviles celulares no afectan el tiempo de respuesta de la conexión Bluetooth. Esto se afirma partiendo de la similitud de los resultados obtenidos al evaluar la aplicación en los teléfonos de referencia NOKIA 5300 y NOKIA 2760.

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ConclusionesCon la aplicación móvil implementada se

logra acceder a la información académica que proporciona la Universidad Francisco de Paula Santander sin costo alguno y desde un equipo móvil celular con tecnología Bluetooth, ofreciendo a los estudiantes una solución que complementa los servicios proporcionados por la página Web de la institución.

El radio de cobertura de una picocelda Bluetooth se ve directamente afectado por los materiales de construcción de las paredes aledañas, por tanto el mejor escenario para implementar una red de este tipo es un ambiente abierto, sin obstáculos.

Es recomendable orientar el diseño de la picocelda Bluetooth en primera instancia a un análisis de cobertura con un modelo de propagación que actúe en 2,4 Ghz y luego por tráfico ya que se tiene la limitante de solo siete conexiones simultaneas.

Para desarrollar aplicaciones cliente con tecnología Bluetooth como una aplicación móvil, es de gran apoyo el empleo del entorno de desarrollo integrado netbeans que proporciona un conjunto de herramientas que facilitan la construcción de la interfaz gráfica del midlet, provee un entorno de programación que permite editar, compilar y depurar el código Java e incorpora en su

Tabla 2. Análisis estadístico sin obstáculos para el (NOKIA 5300).





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paquete de aplicaciones móviles las clases recopiladas en el estándar JSR 82.

Ya que el equipo Servidor se encuentra conectado a través de una conexión LAN a la base de datos a consultar es prioritario que exista una conexión troncal de alta velocidad para agilizar la demanda de consultas.

La herramienta de las 5M’s permite evaluar el potencial de éxito de una aplicación móvil celular, mostrando que la aplicación móvil diseñada en este proyecto posee un gran potencial de éxito y garantiza la aceptación del servicio de información académica por parte de los estudiantes de la Universidad.

La evaluación Cuantitativa aplicada al sistema implementado determinó que en el diseño de una celda Bluetooth se deben tener en cuenta los obstáculos físicos y el material del cual están construidos presentes debido a que aumentan notoriamente el tiempo de respuesta de los dispositivos Bluetooth que establecen comunicación.

Para implementar la capa de aplicaciones resultó óptimo utilizar el Estándar JSR82 de Avetana puesto que embebe la aplicación diseñada y facilita la comunicación con las capas inferiores de la pila Bluetooth.

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Recibido:10 de diciembre de 2008

Aceptado:26 de mayo de 2009

Identificación y caracterización de los eslabones, actores y agentes de la cadena productiva forestal madera muebles de la región Norte de Santander

Eduardo Solano Becerra* Carmen Yaneth Peñaranda Martínez** Otto German Parada Rivera***

*Magíster en Administración de Empresas, Docente de Cátedra, Universidad

Francisco de Paula Santander, [email protected]

** Estudiante de Contaduría Pública, Universidad Francisco de

Paula Santander,

[email protected]*** Ingeniero Industrial,

Microempresario, IMAS,

[email protected]

ResumenEl objetivo de este estudio fue realizar la identificación y caracterización de los eslabones, actores y agentes de la cadena forestal madera - muebles en el municipio de San José de Cúcuta y los corregimientos de San Faustino y Agua Clara, de julio del 2.006 a julio del 2.007, se utilizó una metodología descriptiva y participativa, a través de un diagnóstico que permitió la identificación y caracterización de una muestra de 96 actores pertenecientes a los eslabones forestal, depósitos e intermediarios, transformadores y comercializadores, a quienes a partir de diciembre del 2.006 se les aplicó el instrumento para recolección de información, evaluando las variables de ubicación geográfica, aspectos legales, actividad económica, actividades de silvicultura, procesos de fabricación, tecnología existente, asociatividad y canales de distribución. Como resultado del trabajo de investigación, se evidenció la desarticulación existente en los todos los eslabones de la cadena productiva forestal madera muebles, lo cual ha generado una explotación inadecuada del bosque, de sus productos y de los procesos de transformación para desarrollar valor agregado. Deficiente conocimiento técnico en el manejo silvicultural del eslabón forestal. Carencia de asociatividad y cultura individualista. Cumplimiento parcial de normatividad comercial, laboral y fiscal. Tecnología obsoleta en transformación de materia prima generando desperdicios que afectan la productividad y competitividad de este eslabón. Alta intermediación entre los eslabones produciendo encarecimiento del costo de la materia prima y acaparamiento de la misma.

Palabras Clave: Cadena productiva, aprovechamiento forestal, madera, muebles.

AbstractThe objective of this study was to carry out the identification and characteri-zation of the Links, Actors and Agents of the Chain Forest Wood - Furniture in the Municipality of San José of Cúcuta and the Corregimientos of San Faustino and Agua Clara , of Julio of the 2.006 to Julio the 2.007, was used

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a descriptive methodology and participativa, through a diagnosis that allowed the identification and characterization of a sample of 96 Actors belonging to the Forest Links, Deposits and Middlemen, Transformers and tradingly to who were applied the instrument for gathering of information starting from December of the 2.006, evaluating the variables of geogra-phical location, legal aspects, economic activity, forestry activities, processes of production, existent technology, asso-ciatively and distribution channels. As be do of the investigation work, the existent separation was evidenced in those all the Links of the Chain productive Forest Wood Furniture, that which has generated an inadequate exploitation of the forest, of its products and of the transformation processes to develop added value. Faulty knowledge technician in the handling forestry of the Forest Link. Lack of Associate and individualistic Culture. Partial execution of commercial, labor and fiscal normati-vely. Obsolete technology in matter Transformation prevails generating waste that they affect the productivity and competitiveness of this link. High Intermediation among the Links produ-cing rise in the price of the cost of the matter prevails and monopolizing of the same one.

Keywords: Productive Chain, Forest Use, Wood, Furniture.

Introducción

De acuerdo con los cambios realizados en el comercio nacional e internacional sobre el intercambio de bienes y

servicios que las empresas integrantes de los diferentes sectores económicos ofertan y demandan y las exigencias de calidad y servicios de los consumidores, han obligado a las mismas ha desarrollar estrategias de integración o asociatividad logrando un mayor cubrimiento del mercado, implementación de sistemas de gestión de calidad para la estandarización de procesos, utilización de sistemas información, minimización de costos, productividad, competitividad y un desarrollo sostenible. Para la cadena forestal madera- muebles, es una oportunidad que no se puede desaprovechar porque es una de las cadenas agroproductivas importantes que forman parte del sector agropecuario, reglamentada por el gobierno nacional mediante la ley 811 de junio 26 de 2003. Esta cadena está conformada por tres eslabones: silvicultura (plantaciones de bosques) y extracción de madera, unidades de transformación y comercialización.

“La existencia de desarticulación y falta de claridad en las relaciones entre los diferentes eslabones de la cadena, ha incidido en la ausencia de procesos integrados de manejo, aprovecha-miento, transformación y comercia-lización de los bienes y servicios de madera, esto ha impedido que las utilidades generadas en esta actividad forestal se reinviertan en la conservación del recurso y en la mejora de la calidad de vida de las comunidades vinculadas al aprovechamiento del bosque.”(Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, 2001).

Por lo anterior, el presente trabajo se centra en “la adopción de estrategias integrales con el enfoque de cadenas productivas como una alternativa para lograr un mayor nivel de competitividad local, nacional e internacional.”(Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, 2001). La integración de la academia, el sector productivo y gubernamental se convierten en la formula para desarrollar proyectos productivos integrales que permitan interactuar saberes interdisciplinarios, identificando los eslabones y fomentando la participación de los actores


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y agentes, que permitan la articulación de la cadena y una producción más limpia. Además, “el gobierno nacional desde el año de 1.995, viene promoviendo la suscripción de acuerdos de competitividad por cadenas productivas, como los acuerdos sectoriales de competitividad de las cadenas pulpa papel cartón y artes graficas y de tableros aglomerados contraenchapados y muebles de madera, firmados en Santafé de Bogotá en junio de 1996 y agosto de 1.998, respectivamente”. (Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, 2001). El programa de desarrollo de las cadenas forestales productivas busca la inversión en proyectos productivos sostenibles a largo plazo que garanticen el suministro de materia prima a precios razonables y de alta calidad, generación de empleo, sustitución de cultivos ilícitos, actividades agroforestales, silvopastoriles, así mismo, la modernización de la industria transformadora en cuanto a aumento de productividad y competitividad para consumo nacional y exportación, impulsar acuerdos regionales de competitividad y alianzas estratégicas, entre los sectores público, privado y comunidad en general, de igual manera, fomentar procesos de innovación tecnológica de las empresas y microempresas forestales y de transformación, para aprovechar los acuerdos multilaterales vigentes de comercio internacional.

“De acuerdo con datos proporcionados por el departamento administrativo nacional estadístico – DANE, “el PIB real en el año 2002 fue de USD 8,6 millardos generando un crecimiento del 1,5%. El PIB del sector agrícola fue de $10.855.677 millones de pesos colom-bianos, valor que representó un crecimiento de 0,5%, respecto del año inmediatamente anterior. El sector de silvicultura y extracción de madera, representa el 0,2% dentro del PIB nacional y el 1,1% dentro del PIB del sector agropecuario, silvicultura, pesca y caza manifestando un escaso desarrollo frente a las otras actividades agropecuarias”. (Oficina económica y comercial de la embajada de España en Bogota, 2.004). Tradicionalmente en Colombia no ha existido una cultura de reforestación y conservación de bosques a

nivel de dueños de tierras, ni se considera la explotación como un negocio próspero, por lo tanto se desarrollan prácticas empíricas y explotación ilegal dentro del primer eslabón, aunque “en Colombia existen plantaciones con fines industriales que se encuentran localizadas en las áreas de influencia de las industrias de pulpa, tableros aglomerados e inmunización en Cauca, Valle, Quindío, Risaralda, Caldas, Tolima, Antioquia, Cundinamarca, Boyacá, Bolívar y Magdalena. De otra parte, cabe anotar el caso de departamentos como Nariño, Tolima, Norte de Santander, Santander y Cundinamarca, donde la mayoría de las plantaciones fueron efectuadas con el criterio de establecer bosques para proteger las cuencas hidrográficas y no con la meta de producir materia prima para procesos industriales, lo que explica total ausencia de practicas de manejo silvicultural,”(Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, 2005) pero actualmente se explotan para materia prima en procesos industriales.

“De acuerdo a un estudio sobre el empleo en el sector agropecuario realizado por el observatorio agrocadenas, el sector forestal en colombia genera 37,761 empleos que corresponden al 1% del empleo generado por el sector agrícola y agroindustrial en su conjunto.” (Ministerio de Agricultura y desarrollo rural, 2002).

Para la realización del diagnóstico fue preciso conocer el estado de las reservas forestales del departamento Norte de Santander. “De la superficie total del departamento Norte de Santander existe un 49.6% en bosques entre bosque natural intervenido y no intervenido (2 Parques nacionales naturales el tamá y el catatumbo barí y el área natural única de los estoraques), vegetación de páramos y bosques subxerofíticos, sin desconocer la problemática asociada a los cultivos con fines ilícitos. Cerca del 70% de los suelos poseen vocación forestal, con una muy baja organización del sector. Anualmente se aprovechan 3.555 hectáreas de bosque natural con muy baja tecnología y de forma ilegal. Los productos están representados en palancas para minas,


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madera aserrada y leña. Muy bajo ejercicio de reforestación, menos de 1000 has/año).”(Corporación Autónoma Regional de la Frontera Nororiental, 2006). En las reservas forestales encontramos los bosques naturales y plantados, todos estos carecen de técnicas adecuadas de explotación, por lo tanto, el uso irracional de estos recursos, los procesos de defores-tación y quemas han traído como consecuencia el deterioro y descuido de los bosques, además de la aparición de muchos intermediarios que elevan el precio de la materia prima, para beneficio propio, igual situación se presenta en los depósitos de maderas y distribuidores de insumos para el subsector. Debido a lo anterior los productores primarios de la cadena forestal madera muebles, venden la madera a precios fijados unilateralmente por algunos intermediarios, que de igual forma llevan este producto hacia los depósitos en donde hay una mejor organización en cuanto a costos o fijación de precios de venta, todo esto conlleva a que este producto que ha sufrido una mínima transformación incremente su precio en un 40% y sean adquiridos por los ebanistas y carpinteros quienes hacen el proceso de transformación y dan valor agregado al producto.

La identificación de los eslabones, actores y agentes permitió conocer las debilidades y oportunidades de la cadena productiva, ubicados en el municipio de San José de Cúcuta y los corregimientos de San Faustino y Agua Clara. Esta zona corresponde a la unidad administrativa de CORPONOR y “al área potencial para la refores-tación comercial de la zona central, que presentan las siguientes condiciones: actividades productivas, carácterísticas ambientales y desarrollo forestal similar, potencialmente aptas para establecer proyectos de reforestación técnica y económicamente viable.”(Corporación Autónoma Regional de la Frontera Nororiental, 2006).Teniendo en cuenta los aspectos geográficos de la zona,” la tenencia de la tierra según el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), uno de los elementos fundamentales para el desarrollo

de una región, es la propiedad sobre los medios de producción y su distribución determinan el tipo de sociedad que se gesta en un modelo de desarrollo social y económico. El uso del suelo esta determinado por las actividades económicas que se desarrollan en el municipio de san José de Cúcuta.”(Municipio de San José de Cúcuta, 2001). “Desde el punto de vista de sostenibilidad ambiental, los Corregimientos de San Faustino y Agua Clara cuentan con zonas de reservas naturales, zonas de reservas forestales con recursos hídricos en fincas de propiedad privada en las cuales no se ejerce control y vigilancia sobre la tala de árboles con fines comerciales para la minería y manejo de nacientes. En época de verano e invierno se presentan inundaciones en las riberas del río pamplonita.”(Corregimientos de San Faustino y Agua Clara, 2004). Los depósitos de madera, las unidades de transformación y los almacenes están ubicados “en la ciudad de San José de Cúcuta, capital del departamento de norte de santander y el núcleo del área metropolitana de Cúcuta, que reúne además los municipios del Zulia, los Patios, San Cayetano y Villa del Rosario. (Municipio de San José de Cúcuta, 2001)

Materiales y métodos El trabajo se desarrolló por medio de

una metodología descriptiva y partici-pativa, en donde se identificó una población susceptible a la investigación de 162 personas, caracterizando una base de datos importantes que cubrió el 59% de la muestra de 96 actores pertenecientes a los eslabones forestal, depósitos e intermediarios, transformadores y comercializadores. Mediante visitas de campo se les aplicó una encuesta estructurada para recolección de información, evaluando las variables de ubicación geográfica, aspectos legales, actividad económica, actividades de silvicultura, procesos de fabricación, tecnología existente, asociatividad y canales de distribución. Se realizó la validación, tabulación y análisis de la información recolectada en los formularios respectivos y se elaboró el informe preliminar y se socializó


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ante los actores y agentes de la cadena forestal madera muebles quienes hicieron los respectos comentarios y recomendaciones sobre el mismo, posteriormente se incorporaron los ajustes respectivos en el documento final.

En la tabla 1, se detalla la población y muestra del trabajo.

Tabla 1. Población y muestra de los actores de la cadena productiva forestal madera muebles de la

región norte de santander.

En la figura 1, se observa la zona objeto de este estudio, permitiendo la identificación y caracterización de los eslabones, actores y agentes de la cadena forestal madera muebles, ubicados en el área urbana del “municipio de san josé de cúcuta que se divide en 10 comunas, las cuales se conforman por barrios, urbanizaciones, conjuntos o asentamientos que presentan características particulares y dependen de equipamientos comunales” (Municipio de San José de Cúcuta, 2001) y en el Eslabón Forestal integrado por “el corregimiento No.4 sector rural parte central, conformado por la cabecera del corregimiento de Agua Clara con sus veredas: Cámbulos, la Estancia, Minuto de Dios, la Esperanza, Caño Mono, el Cerro, San Agustín de los pozos, la Jarra, Bajo guaramito, Campo alegre, el Encanto, la Tigra, Puerto lleras, San Francisco, Alto Viento, Oripaya, Guayabal y Patillales y el corregimiento No.5 sector rural parte oriental, conformado por los corregimientos

de San Faustino, Ricaurte y Guaramito con las veredas: cabecera de San Faustino, El paso de los ríos, Santa Cecilia, El Porvenir, la Sabana, La China, La Fundera; Cabecera de Ricaurte, El descanso parte alta, las Blanquitas, El arrayán, Los Negros y El Descanso parte baja; cabecera Guaramito, Fundación, LLano Seco ( conocida como Alto Guaramito).”(Municipio de San José de Cúcuta, 2001)

Figura 1. Plano de división territorial municipal, San José de Cúcuta y los corregimientos de San Faustino y Agua Clara. Fuente: Plan de ordenamiento territorial municipio de San José de Cúcuta. Acuerdo No. 0083

de enero 17 de 2.001.- POT-.

En el eslabón forestal – productores, tienen un nivel de estudios de primaria del 88% y el 12% de secundaria, el 58% de los finqueros están asociados a la junta de acción comunal veredal, sus fincas tienen en promedio 74 has, clasificadas en un 25% en minifundio, un 50% en mediano productor y un 25% en latifundio, el 88% tienen afiliados a sus trabajadores a salud, el 17% a riesgos profesionales y el 13% restante a pensión. El suelo se utiliza en un 47.62 % con vocación agrícola, el 19.05% forestal, el


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14.29% pecuario, el 11.90% agroforestal, el 4.76% bosques y el 2.38% suelos erosionados. En épocas anteriores se han desarrollado explotaciones agropecuarias relacionadas con el cultivo de cacao, plátano y cítricos y ganadería extensiva. En las áreas ribereñas a los afluentes se establecieron explotaciones de cacao en donde se ha mantenido una cobertura arbórea representada por cedros y urapos los que una vez alcanzan un volumen significativo son aprovechados para su comercialización, sin realizarse una reposición de los mismos ya que los finqueros manejan la regeneración natural dejando algunos arbustos para reemplazar los aprovechados.

En las pasturas se mantiene una cobertura arbórea significativa compuesta por urapos, iguas y pavitos, los cuales cumplen función de proporcionar sombra al ganado y una vez alcanzan un buen tamaño son aprovechados, es decir no existen plantaciones como tal en el área de estudio, sino relictos de bosques secundarios y áreas de regeneración natural con especies de valor comercial. El 9% de los productores (2 predios) tienen registro con planta-ciones para aprovechamiento comercial y/o mixto y el 91% restante (22 predios) efectúan actividades forestales sin registro ante la entidad correspondiente; se identificaron las especies forestales más representativas existentes en los predios correspondientes a urapo (25.71%), cedro (21.43%) y matarraton (12.86%) y no se cuenta con asistencia técnica para el manejo adecuado de silvicultura de los árboles, por lo tanto el aprovechamiento y extracción forestal se hace de manera tradicional utilizando herramientas rudimentarias y medios empíricos e ineficientes. Los finqueros venden la materia prima en el sitio del aprovechamiento a los inter-mediarios y transportadores con un margen de ganancia mínimo. Igualmente se observó que carecen de una agremiación de productores, aserradores y transportadores que los represente ante las entidades publicas regionales y departamentales con el fin de impulsar un plan de reforestación en la zona.

Los actores del eslabón forestal – aserrador

tienen un nivel de estudios de primaria, las especies con mayor intensidad de aprovechamiento forestal corresponden a pardillo (31.06%), cedro y rollizas (22.98%), pero no existe la conciencia de desarrollar inversiones en programas de silvicultura para garantizar el suministro permanente de estas especies demandadas por el eslabón transformador, realizan su actividad según requerimientos de los productores e interme-diarios en forma artesanal, sin uniformidad de medidas de corte y generando mucho desperdicio, por ultimo no pertenecen a ninguna asociación que los represente.

Los intermediarios tienen un nivel de estudios de primaria, no posee un establecimiento de comercio para desarrollar su actividad económica, son propietarios de su negocio, están registrados en la cámara de comercio y en la Dirección de Impuestos y Aduanas Nacionales -DIAN-, transportan únicamente bancos de madera en bruto realizando predimensionamiento de los mismos.

El eslabón forestal – transportador tienen un nivel de estudios de primaria, no están afiliados a una empresa transportadora, movilizan los productos madera en bruto en entre las comunas de Cúcuta, entre Cúcuta y Villa del Rosario, entre Cúcuta y el Zulia, y entre Cúcuta y los Patios, es decir, transportan la materia prima desde el sitio de aprovechamiento hasta los depósitos de madera y/o unidades de transformación en forma directa.

En el eslabón depósitos intermediarios, los actores tiene un nivel de estudios de secundaria (71.43%) y primaria y universitaria del 14.29% cada uno. Todos son personas naturales, están registrados en la Cámara de Comercio, DIAN e Industria y Comercio, han recibido asistencia técnica en las áreas de reforestación, procedimientos de producción y secado de madera y tratamiento de las mismas realizado por CORPONOR, SENA y Cámara de Comercio. Las especies forestales que más venden son: pardillo (16.67%), cedro


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y canelón (13.89 %) cada uno e higuerón (11.11). Los depósitos les compran la madera a intermediarios en un (60%) y a productores un (40%). La madera ofrecida a los depósitos proviene principalmente de la zona del Catatumbo y Sardinata (23.81%) cada una, Departamento de Santander (14.29%), Puerto Santander y Sara-vena (9.52%) cada una. El 25% de los depósitos realizan el proceso de secado de madera al natural, el 37.50% efectúan procesos de manipulación con fuerza bruta de la madera que almacena; el 12.5% desarrollan preservación mediante inmunización y utilizan maquinaria sierra sinfín y planeadora. Se observa que en los depósitos se utiliza equipos y herramientas para los procesos de manipulación de las especies maderables en forma empírica o artesanal. El 42.86% de los depósitos utiliza procesos de transformación primarios y el 57.14% restante no. El 77.78% de los depósitos comercializan la madera a nivel local y el 11.11% a nivel nacional e internacional, los principales clientes son los carpinteros (50%), ebanistas (33.33%) y otros (16.67%), realizan únicamente inversión en actividades de publicidad para vender sus productos.

Los actores del eslabón transformador, tienen un nivel de estudios de primaria (47.73%), secundaria (36.36%), universitaria (6.82%) y técnico (9.09%), todos son personas naturales y están registrados en la Cámara de Comercio, DIAN e Industria y Comercio; el (56.82%) están afiliados a Industriales de la Madera Asociados –IMAS-. El (38.64%) han recibido asistencia técnica en las áreas de ebanistería, maderas, maquinado y producción, administrativa, finanzas, organización, computación, asociatividad, emprenderismo, costos y gerencia, emprendimiento empresarial y gestión microempresarial (SENA, UDES y ACOPI). La mayoría de las unidades de transformación están ubicadas en la zona residencial, las mismas se especializan principalmente en ebanisterías y carpinterías. Las materias primas por especies más utilizadas en la fabricación corresponden a cedro (27.05%), pardillo (26.23%), canelón

(21.31%) y urapo (17.21%) y provienen de Cúcuta (39.68%), zona del Catatumbo (20.63%), Toledo (6.35%), Salazar, Arboledas, Puerto Santander y Sardinata con el (4.76%) cada uno. Las unidades de transformación le compran la madera a los comercializadores (64.91%), otros (intermediarios) (26.32%), al aserrio (5.26%) y al productor (3.51%). Un (31.82 %) utilizan secado natural de la madera, el (97.62%) posee maquinaria artesanal y el (2.38%) restante tienen maquinaria y equipos obsoletos y no existe ninguna empresa con tecnología de punta en este eslabón. Los transformadores fabrican y comercializan las líneas de productos de hogar, de oficina y de mampostería, estos productos los venden el 70% a nivel local, el 20% nacional y el 10% internacional.

En el eslabón comercializador, los actores poseen un nivel de estudios de secundaria (64.71%), primaria, universitaria y técnico del (11.76%) respectivamente, son personas naturales, están registrados en la Cámara de Comercio, DIAN e Industria y Comercio. Los almacenes le compran los productos terminados a un (94.12%) de los transformadores y un (5.88%) a los intermediarios, estableciéndose una relación comercial estrecha entre los transformadores y los comercializadores, sin embargo se carece de una comercializadora inter-nacional que implemente un plan de mercadeo para exportar productos terminados garantizando la sostenibilidad del sector. Las líneas de productos que más comercializan corresponden a hogar, alcobas, sala, comedor el (27.27%) cada una; a oficina, muebles para computador (52.63%), escritorios (36.84%); a mampostería, puertas (50%), ventanas y closet (25%) cada uno. El mercado que cubren los almacenes corresponde a local (84.21%) y nacional (15.79%). Los almacenes venden sus productos directamente a los consumidores finales en un (85%) y a otros comercializadores con un (15%).

Resultados y discusiónSe consolidó una base de datos importante


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que cubrió un 59% de la muestra de la población susceptible a la investigación, que permitió identificar y caracterizar a todos los eslabones y actores, ubicados en el área de la investigación, según fuentes de la Cámara de Comercio de Cúcuta, CORPONOR, UMATA y junta de acción comunal veredales (San Faustino y Agua Clara). Se identificó y concretó las actividades relacionadas con la misión institucional de entidades publicas del orden nacional, departamental y municipal, centro de producción más limpia, GTZ cooperación técnica alemana, CORPONOR, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, observatorio agrocadenas de Colombia, Cámara de Comercio de Cúcuta, SENA y Gobernación de Norte de Santander, ACIF – Asociación Colombiana de Ingenieros Forestales e IMAS- Industriales de la Madera Asociados de Norte de Santander. Queda pendiente el fortalecimiento de los vínculos y compromisos de dichas Instituciones con los actores de la cadena productiva forestal madera muebles para la conformación de alianzas estratégicas.

En el eslabón forestal la mayoría de los productores, aserradores, transportadores e intermediarios tienen nivel de estudios de primaria, es importante concientizar e impulsar el cambio de cultura agrícola de los productores a manejo de sistemas puros o asociados (únicamente especies forestales de alto valor comercial o combinación entre especies maderables y productos agrícolas y pecuarios). Se evidenció que el 91% de las fincas (22 predios) efectúan actividades forestales sin registro ante la entidad encargada, es decir realizan explotación y extracción de madera de forma ilegal ; se identifi-caron las especies forestales más representativas existentes en los predios (urapo, cedro y matarraton) observando que no se cuenta con asistencia técnica para el manejo adecuado de silvicultura de los árboles, por ello se presentan malformaciones en los mismos como ramificación temprana, troncos torcidos, ataque de plagas especialmente por comején y hormiga arriera, Se realizó una

priorización de las especies forestales que los productores estarían comprometidos a sembrar (cedro, pardillo, teca, urapo, caoba, trompillo, abarco y cañahuate) mediante un plan de reforestación en la zona objeto de estudio. Se analizaron las prácticas de explotación forestal utilizadas en el área (aprovechamiento y extracción), el aprovechamiento forestal se hace de manera tradicional, utilizando herra-mientas rudimentarias (motosierra, guadaña y machete), las cuales ocasionan un gran desperdicio de hasta el sesenta por ciento (60%) de madera y con relación a los medios utilizados para la extracción de las especies maderables, son empíricos e ineficientes, por consiguiente se debe motivar a los actores para que realicen el cambio tecnológico de sus herramientas y medios utilizados en la explotación forestal. Los propietarios de los predios venden la madera en el sitio de aprovechamiento, es decir no realizan el transporte de la misma a los centros urbanos, por lo tanto, los aserradores, transportadores e inter-mediarios de la madera en bruto, son quienes se la compran y ellos se encargan de la movilización de la misma a los depósitos de madera y a los transformadores, por lo tanto los finqueros negocian el precio de la materia prima con un margen de utilidad mínimo.

Los actores del eslabón depósitos (intermediarios), tienen un porcentaje representativo en el nivel de estudios de secundaria, son personas naturales, por ello tienen más conciencia para desarrollar su actividad económica ya que la mayoría están legalizados. los depósitos adquieren las especies maderables para su posterior venta con un precio mas alto porque compran un mayor porcentaje a los intermediarios, realizando acapa-ramiento de la madera y afectando los ingresos y la inversión de los productores o dueños de fincas, se detectó que las relaciones son solo de tipo comercial con los demás eslabones de la cadena productiva. La madera que compran los depósitos proviene de la zona del catatumbo, hecho que evidencia un aprovechamiento irracional e ilegal ya que esta región figura como reserva forestal y resguardo indígena; se observó la escasez de


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especies maderables comerciales de alto precio de venta demandas por el mercado como cedro y abarco, sin tener conciencia de pro-mover, participar e invertir en programas de reforestación mediante alianza: CORPONOR, productores depósitos y transformadores. Un porcentaje bajo de los depósitos realizan el proceso de secado de madera al natural que no garantiza la estabilidad estructural de la madera, debido a la constante ganancia y pérdida de humedad afectando la calidad de la misma. También, utilizan equipos y herramientas para los procesos de manipulación de las especies maderables en forma empírica o artesanal, es importante motivar a los actores de este eslabón en la inversión de tecnología para el proceso de secado de la materia prima que le suministran a los transformadores para mejorar la calidad y terminado de los productos fabricados. Realizan publicidad de sus productos mediante tarjetas de presentación que se las entregan a los clientes que los visitan en su negocio, es decir se carece de un programa de mercadeo. Es necesario concientizar a los actores para que constituyan una organización que los represente como gremio de productores, reforestadores, aserradores, intermediarios, transportadores y depósitos de madera en bruto o aserrada y a la vez tengan participa-ción en la junta directiva de una organización regional que integre los demás eslabones de la cadena productiva forestal madera muebles.

En el eslabón transformador, un porcentaje representativo están afiliados a Industriales de la Madera Asociados –IMAS, sin interesar que los mismo posean un nivel de estudios de primaria, secundaria, técnicos y universitarios, esto ha permitido que un porcentaje razonable de los actores hayan recibido asistencia técnica en las áreas de transformación de madera, asociatividad, emprendimiento empresarial y gerencia, ofrecidos por el SENA, la UDES y ACOPI, pero es fundamental motivar para que más actores se afilien y así se fortalezca la asociación del eslabón transformador. Los microempresarios están inscritos en la Cámara de Comercio como personas naturales y registradas en la DIAN en el régimen

simplificado del IVA, se recomienda que los mismos se trasladen al régimen común de IVA para que incrementen su mercado, mejoren sus finanzas y credibilidad empresarial ante las Entidades bancarias. La mayoría de las unidades de transformación están ubicadas en zona urbana generando impactos negativos de contaminación auditiva y residuos del proceso de fabricación que afectan el medio ambiente, es necesario que los mismos tomen conciencia de ello y se comprometan a realizar una reubicación de los talleres.

Los transformadores consumen mayor cantidad de materia prima que provine de la zona de Cúcuta suministrada por los depósitos e intermediarios, su precio de adquisición es más elevado por el efecto de la intermediación, sin embargo los mismos están de acuerdo con utilizar materia prima proveniente de bosques de reforestación, aunque actualmente no existen los mismos formalizados y legalizados para su explotación, pero están interesados en crear vínculos de acercamiento con los productores de madera (eslabón forestal) y se comprometen a consumir materia prima de optima calidad y con procesos de maquinado, además tienen voluntad de invertir recursos económicos para desarrollar programas de reforestación que permitan la conservación del recurso y mejora-miento de la calidad de vida de las comunidades vinculadas al aprove-chamiento del bosque. Existe confianza y mentalidad de trabajar en equipo entre los actores de este eslabón pero se debe mejorar esta mentalidad a través de una articulación con entidades públicas, privadas y la academia para el fortalecimiento del sector y lograr una identidad maderera y obtener un beneficio social. Queda por realizar la integración y legalización de una organización regional que integre a los otros eslabones de la cadena productiva.

Los actores del eslabón comercializador

poseen un alto nivel de estudios de secundaria y en menor escala primaria, universitaria y técnico, todos son personas naturales y están debidamente legalizados. Un alto porcentaje de los de productos terminados los suministran


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los transformadores y en menor proporción los intermediarios, es decir se determina una relación comercial estrecha entre los transformadores y los comercializadores, sin embargo se carece de una comercializadora internacional que implemente un plan de mercadeo para exportar productos terminados garanti-zando la sostenibilidad del sector. Los principales clientes de los productos que comercializan los almacenes corresponden a clientes directos y otros comercializadores (intermediarios), sin embargo no se utilizan áreas adecuadas para la exhibición de los productos terminados.

ConclusionesComo resultado del trabajo de investigación,

se evidenció la desarticulación existente en los todos los eslabones de la cadena productiva forestal madera muebles, lo cual ha generado una explotación inadecuada del bosque, de sus productos y de los procesos de transformación para desarrollar valor agregado. ” Extracción maderera: esta actividad se deriva del proceso de tumba de la chagra(unidad básica del sistema agrícola indígena, espacio productivo que resulta análogo a la parcela de los campesinos del altiplano), en los sitios elegidos para abrir la chagra hay árboles de madera fina, cuya extracción frecuentemente se hace ‘entrando a medias’, es decir, se establece una alianza con otra persona que aporta la motosierra y el dueño de la chagra proporciona el combustible y la madera se reparte equitativamente entre los dos. Parte de la madera explotada la utiliza la comunidad indígena para la construcción de viviendas, canoas, herramientas para caza, pesca y utensilios de uso doméstico o ritual, aunque una parte importante se vende en Leticia Colombia”.(TRIANA MORENO, Luz Amparo, RODRIGUEZ, Nohra Cecilia y GARCIA, Jesús, 2009).

Deficiente conocimiento técnico en el manejo silvicultural del eslabón forestal.”Para elevar la productividad de las plantaciones, se requiere desarrollar un ciclo silvícola, que se inicie antes del establecimiento de

las plantaciones y finalice después de cada cosecha. La silvicultura específica al sitio está orientada a desarrollarse en sectores con características especiales, aplicando técnicas silvícolas que disminuyan al máximo las resistencias ambientales, proporcionando o redistribuyendo los recursos necesarios sea de agua, nutrientes y radiación, para que las plantaciones aumenten su productividad y sean al mismo tiempo eficientes en costos, lo que influye en la rentabilidad final”.(TORO VERGARA, JORGE, 2004).

Carencia de asociatividad y cultura individualista. Cumplimiento parcial de normatividad comercial, laboral y fiscal.

Tecnología obsoleta en Transform.-mación de materia prima generando desperdicios que afectan la productividad y competitividad de este eslabón.

Alta intermediación entre los eslabones produciendo encarecimiento del costo de la materia prima y acaparamiento de la misma.

AgradecimientosAl fondo de investigaciones universitarias

FINU, de la Universidad Francisco de Paula Santander, por la cofinanciación del proyecto según convenio No.193 del 2004(MEN - UIS - UFPS), a Industriales de la Madera Asociados –IMAS, a CORPONOR, a todos los actores y agentes que participaron y al equipo ejecutor de este trabajo.

Bibliografía1. Ministerio de ambiente, vivienda y

desarrollo territorial. (2001). Plan Nacional de desarrollo forestal. Programa manejo de recursos naturales crédito BIRF 36921 CO.(1ª Ed.) Bogota, imprenta nacional de colombia. Pág. 23-25.

2. Oficina económica y comercial de la embajada de España en Bogotá.


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(2004). Nota sectorial. El mercado de maquinaria para la madera en Colom-bia. Colombia, oficina económica y comercial de la embajada de España en Bogotá. p.10.

3. Ministerio de agricultura y desarrollo rural. (2005). Observatorio de agroca-denas Colombia. Documento de trabajo No.95. Características y Estructuras del Sector Forestal, Madera, Muebles en Colombia. Una mirada global de su estructura y dinámica 1991-2005. Colombia, Espinel G, Carlos Federico, Martínez Covaleda, Héctor J, González Duitama, Elkin Daniel. p.35.

4. Ministerio de agricultura y desarrollo rural. (2002). Observatorio de Compe-titividad agrocadenas Colombia. Memo Agrocadenas No.5. Comportamiento del empleo generado por las Cadenas Agroproductivas en Colombia. Colombia, Espinel G, Carlos Federico, Martínez Covaleda, Héctor J, González Barrios Urrutia, Carlos A. p.4.

5. Corporación Autónoma Regional de la Frontera Nororiental. 2006. Plan de acción trienal año 2004-2006. Condiciones geoecológicas y socioambientales del norte de Santander. Cúcuta, CORPONOR p. 21-25

6. Municipio de San José de Cúcuta. 2001. Plan de ordenamiento territorial. Acuerdo 0083 del 17 de Enero del 2001. POT. Diagnóstico componente Rural. Aspectos económicos. Estructura agropecuaria. Cúcuta. p. 10.

7. Corregimientos de San Faustino y Agua Clara. 2004. Plan de desarrollo local corregimientos de San Faustino p. 36 y Agua Clara p.23, 2004 – 2007 Oviedo M. Jairo Eduardo. San José de Cúcuta.

8. Municipio de San José de Cúcuta. 2001. Plan de ordenamiento territorial.

Acuerdo 0083 del 17 de Enero del 2001. POT. Información del Municipio de Cúcuta. Localización geográfica. Cúcuta. p.1.

9. Municipio de San José de Cúcuta. 2001. Plan de ordenamiento territorial. Acuerdo 0083 del 17 de Enero del 2001. POT. Formulación componente general y urbano. Cúcuta. p.105-107.

10. Municipio de San José de Cúcuta. 2001. Plan de ordenamiento territorial. Acuerdo 0083 del 17 de Enero del 2001. POT. Diagnóstico componente Rural. Cúcuta. p.2.

11. TRIANA-MORENO, Luz Amparo,

RODRIGUEZ, Nohra Cecilia y GARCIA, Jesús. (2009). Dinámica del sistema agroforestal de chagras como eje de la producción indígena en el Trapecio Amazónico(Colombia). Agron.

colomb. [online].ene./jun. 2006, vol.24, no.1 [citado 27 Febrero 2009], p.158-169.Disponible <http://www.scielo.org.

co/ scielo.php?script=sci_arttext&pid =S0120-9965200 6000100018&lng= es& nrm=iso>.ISSN 0120-9965

12. TORO VERGARA, JORGE. Silvicultural options to increase the profit of plantation forest. Bosque (Valdivia) [online]. 2004, vol. 25, no. 2 [citado 2009-03-03], pp. 101-113. Disponible en:< http://www.scielo.cl/scielo.php?

script=sci_arttext&pid=S0717-2002004000200010&lng=es&nrm=iso >. ISSN 0717-9200.


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1 1 Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales,

[email protected] Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales,

[email protected] Universidad Nacional

de Colombia Sede Manizales, [email protected]

Germán Augusto Osorio Z.1 Luis Gonzalo Sánchez G.2 Néstor Darío Duque M.3

ResumenEn este trabajo se presentan los resultados de la aplicación de algunas técnicas de Minería de Datos (DM) sobre la información de una investigación realizada por la Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales en los años 2004 y 2005 en veintitrés empresas de la ciudad, con el fin de determinar el estado de los ambientes creativos para la innovación, desde las dimensiones psicosocial, didáctica y física. Se consideran las técnicas de Análisis Discriminante Lineal (LDA), Análisis de Componentes Principales (PCA) y Análisis de Varianza Multivariado (MANOVA) de un camino para tareas de orden predictivo y descriptivo.

Palabras clave: Minería de datos, creatividad, análisis discriminante, análisis de varianza, análisis de componentes principales

AbstractThis paper presents the results of applying some techniques of Data Mining (DM) on the information an research project conducted by the Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales in 2004 and 2005 in twenty-three companies in the city, in order to determine the status of the creative environment for innovation, from the psychosocial, didactical and physical dimensions. Considered techniques are Linear Discriminant Analysis (LDA), Principal Components Analysis (PCA) and Multivariate Analysis of Variance (MANOVA) of a way to order tasks predictive and descriptive.

Keywords: Data Mining, Creativity, Linear Discriminant Analysis (LDA), Multivariate Analysis of Variance (MANOVA), Principal Components Analysis (PCA)

1. Introducción

Recientemente, el grupo de trabajo académico PROCREA de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales cuyo objeto de estudio es la creatividad y la innovación, inició un trabajo de

investigación con el objetivo de “determinar el estado del ambiente creativo para

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la innovación, desde las dimensiones psicosocial, didáctica y física, en las empresas de Manizales y formular lineamientos estratégicos para su fortalecimiento” [1]. Para ello, se desarrolló una encuesta como instrumento de medición del estado del ambiente creativo aplicada en 23 empresas de Manizales consideradas como estratégicas para el desarrollo económico local. El análisis de los datos obtenidos de estas encuestas se fundamentó en la utilización de técnicas estadísticas univariadas. Sin embargo, la evaluación de la creatividad es muy compleja y ha de ser polivalente respecto a las estrategias utilizadas, por lo tanto, se hace necesario recurrir a estrategias variadas, ya que a través de ellas se recaban informaciones complementarias [2]. Por este motivo, con el fin de dar continuidad al esfuerzo previamente realizado, en este trabajo, se introducen técnicas de minería de datos, especialmente análisis multivariado como herramienta alternativa y de gran potencial para la extracción de información relevante contenida en las encuestas previamente mencionadas.

Con el creciente flujo de información y recopilación de datos, las técnicas de minería de datos han venido ganando un creciente interés dentro de diversas disciplinas del conocimiento. El estudio de la creatividad no ha sido ajeno a esta tendencia. En [3], se plantea la creación de un modelo cognoscitivo de la creatividad, inspirado en redes conexionistas y en los conceptos de activación y conectividad, propio de la teoría de procesamiento de la información. Para el análisis de resultados, utiliza diagramas de dispersión, análisis de correlación y análisis de factores con rotación oblicua. Por otra parte, en [4], se presentan los resultados obtenidos en la evaluación de un programa de desarrollo de la creatividad, puesto en marcha en el contexto normal de clase y del currículo ordinario en los niveles de educación infantil y primer ciclo de educación primaria. Los datos fueron evaluados usando análisis factorial de varianza entre e intragrupo. También, en [5], se plantean las múltiples formas en que las pruebas de “papel y lápiz” fueron desarrolladas

basadas en el Test de Pensamiento Creativo de Torrance (TTCT).

Con el método propuesto se disminuye la cantidad de tiempo requerido para la administración y puntuación de las pruebas de creatividad. El estudio utiliza, como un método alternativo, un modelo de ecuación estructural (SEM) con múltiples indicadores para examinar la validez y confiabilidad del nuevo test de creatividad. La evaluación de los resultados se hizo con estadísticos descriptivos multivariados. Con la aplicación del método de modelo de variable latente, se observaron mejoras sustanciales en la consistencia interna y en los coeficientes de validez concurrente. Esto en parte porque el método trata con variables latentes, las cuales están libres de error de medida y parte en la capacidad de modelos SEM de usar múltiples indicadores.

En [6], se plantea la existencia de propuestas para interrelacionar la creatividad con la innovación tecnológica, como la de Buglioni y Abran (2001) que busca identificar el qué y el cómo medir la creatividad, analizando la creatividad corporativa y no solo el individuo diseñador de productos y para ello involucra aspectos organizativos tales como métodos, técnicas y herramientas que permitan mejorar los procesos empresariales para lograr mejores resultados y la identificación de la trayectoria evolutiva seguida durante la adopción progresiva de tales métodos.

En el presente trabajo, se utilizan tres técnicas de análisis multivariante como parte de la minería de datos, en la interpretación de la información obtenida en [1]. En particular, se consideran el análisis de componentes principales y el análisis discriminante lineal en conjunto con el análisis de varianza multivariado. A continuación, se presenta una introducción acerca de la minería de datos y de las técnicas consideradas para este trabajo. Seguidamente, en la sección 3 se describen los datos empleados en el análisis y los resultados obtenidos. Finalmente, en la sección 4 se presenta las conclusiones derivadas de los análisis y algunas ideas para trabajo futuro.


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2. Marco teórico2.1 Minería de datos

La DM integra técnicas de análisis de datos y extracción de modelos. Se basa en varias disciplinas, algunas de ellas más tradicionales como la estadística y el aprendizaje automático, se diferencia de ellas en la orientación más hacia el fin que hacia los medios [7]. La minería de datos tiene como objetivo analizar los datos para extraer conocimiento. Este conocimiento puede ser en forma de relaciones, patrones o reglas inferidos de los datos y (previamente) desconocidos, o bien en forma de una descripción más concisa (es decir, un resumen de los mismos). Estas relaciones o resúmenes constituyen el modelo de los datos analizados.

Dentro de la minería de datos se distinguen dos tipos de tareas: predictivas donde se tratan problemas en los que hay que predecir uno o más valores para uno o más ejemplos; y descriptivas, que buscan describir y arrojar luces a la interpretación de los datos. Para la solución de dichas tareas, se emplean diferentes métodos y técnicas entre ellas: las técnicas algebraicas y estadísticas, técnicas bayesianas, técnicas basadas en árboles de decisión y sistemas de aprendizaje de reglas, técnicas basadas en redes neuronales artificiales y difusas. También, se pueden combinar las técnicas ya mencionadas, para aprovechar las ventajas que pueda ofrecer cada una de ellas.

2.2 Análisis de componentes principales

El Análisis de Componentes Principales ha sido la tendencia dominante para el análisis de datos en un gran número de aplicaciones [8]. Su atractivo recae en la simplicidad y capacidad de reducción de dimensión, minimizando el error cuadrático de reconstrucción que se obtiene a partir de una combinación lineal de variables latentes conocidas como componentes principales. Los parámetros del modelo pueden ser calculados directamente de la matriz de datos centralizada X bien sea

por descomposición en valores singulares o la diagonalización de la matriz de covarianza [3]. Sea xi el iésimo vector de observación de longitud p, siendo x = (x1, x2,...., xn)T , la matriz de rotación U con la que se calculan las p′ componentes principales denotadas por z que resumen x, como sigue.

z = UT x (1)

U puede ser calculada a partir de los primeros p′ valores propios de XTX, esto es,

XTXU = UΛ (2)

2.3 Análisis discriminante lineal

El objetivo del análisis discriminante es el establecimiento de reglas sobre las cuales un objeto observado se asigna a una población dada. Se pretende asignar un objeto observado a una u otra población, partiendo de la suposición de que las poblaciones en cuestión generan distribuciones gaussianas.

Sea f1 y f2 distribuciones normales con distintos vectores de medias pero idéntica matriz de varianzas, en las cuales se desea clasificar [9] un elemento genérico x, que pertenece a la población i = 1, 2 que tiene función de densidad:

(3)

En donde V viene dado por el estimador insesgado de la matriz de covarianza común

(4)

Siendo S1 y S2 los estimados de la covarianza para las clases 1 y 2, respectivamente [10].

La partición óptima, es clasificar en la población P2 si:

(5)


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Como ambos términos son siempre positivos, tomando logaritmos y sustituyendo fi(x) por su expresión, la ecuación anterior se convierte en:

(6)

Llamando D2 a la distancia de Mahalanobis entre el punto observado, x, y la media de la población i, se tiene:

(7)

2.4 Análisis de varianza (MANOVA) de un camino

El objetivo principal del análisis de varianza es la evaluación de la hipótesis acerca de la igualdad de poblaciones para k muestras. Particularmente, cada muestra corresponde a una clase. La evaluación de la hipótesis nula se realiza por medio de la comparación de dos estimadores de varianza para la población: un estimador derivado de la diferencia de las medias de cada muestra (clase), y como segundo estimador se examina la varianza intra clase (dentro de cada muestra). Esta evaluación corresponde al siguiente modelo generativo para los datos:

xkj=mk+εkj,mk=m+αk (8)

siendo j la observación y k la clase, mk es el vector de media para cada clase, y εkj es la perturbación del modelo, m es la media global αk es la perturbación de la media. La hipótesis evaluada es

H0 : m1 = m2 = · · · = mLH1 : Al menos uno de los mj difiere del resto

donde L corresponde al número de clases.

3. Marco experimentalDe la investigación del PROCREA se tiene el resultado de la encuesta que consta de 54 preguntas, aplicada a 1438 trabajadores en los niveles operativo, táctico y estratégico de 23 empresas de Manizales de los sectores Alimentos y Bebidas, Insumos, Productos de consumo y Servicios.

Los investigadores del PROCREA asignaron valores numéricos decrecientes para cada categoría. El valor asignado a cada respuesta era adicionado al total de cada característica específica en las dimensiones analizadas en la encuesta, como son: didáctica, física y psicosocial.

Las características por dimensión son las siguientes:

Dimensión didáctica: formación, aprendizaje, comunicación, lúdica

Dimensión física: Simbólico estético, técnico, funcional

Dimensión psicosocial: motivación y satisfacción, reconocimiento, apertura, afiliación, logro, poder, flexibilidad, identidad

En la encuesta también se preguntó y valoró la innovación, la cual no es considerada en este análisis, ya que lo que se quiere evaluar en este trabajo, es específicamente la creatividad en sus tres dimensiones.

El proceso se inició con la integración en una sola base de datos, de las encuestas que estaban agrupadas una, por el sector servicios; y otra, por los demás sectores. Posteriormente se calculó el valor de cada característica dentro de la dimensión, la cual, se obtenía de sumar los valores de las respuestas asociadas a la característica dada. Esas características totalizadas, fueron las que se utilizaron en el análisis.


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ISSN 0122-820XFigura 1 Proyección de los datos sobre las dos

primeras componentes principales

El uso de PCA con matriz de covarianza, permitió determinar variables latentes dentro de la encuesta, por ejemplo, la primera componente, según sus características de componente de tamaño, puede ser vista como determinante del nivel de ambiente creativo (Figura 1). Esta situación puede constatarse con los valores del primer vector propio que representa una componente de tamaño ya que todas las variables originales aportan en la misma dirección sobre esta variable latente.

Gráficamente (Figura 2) se puede observar como los coeficientes de los tres primeros vectores propios, permiten deducir la consistencia de la encuesta en cuanto a las variables a medir y su ámbito (el nivel de similitud entre el grupo de variables de la dimensión dada: didáctico, físico, psicosocial).

Debido al número de clases correspondientes a las empresas analizadas (veintitrés), el análisis visual sobre las tres primeras componentes, no permite observar claramente, la presencia de patrones, sin embargo, se pueden observar diferencias entre algunas empresas. Es muy posible que las nubes de puntos, generadas por cada una de la empresas, no sean fácilmente separables dada la posibilidad de la existencia de ambientes creativos similares entre ellas.

Figura 2 Coeficientes de los autovectores sobre tres componentes principales

Figura 3 Nubes de datos en dos empresas

Dado que algunas de las empresas poseen un número de observaciones limitado, es decir, el número de observaciones no es suficiente para construir clasificadores de tipo Bayesiano directamente. Entonces, la construcción de los clasificadores se llevó a cabo utilizando el espacio proyectado utilizando las tres primeras componentes principales.

En la figura 3 se muestra uno de los mapeos a variables canónicas entre un par de empresas, en el cual se puede observar la presencia de diferencia entre las respuestas entre una y otra.


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Para efectos de determinar la diferencia de ambientes creativos entre pares empresas, se utilizó un clasificador lineal discriminante de covarianza promediada (ver sección 2).

Figura 4 Error de entrenamiento para el clasificador

Partiendo de él, la figura 4 contrasta los resultados obtenidos por la prueba de hipótesis al presentar el error de entrenamiento para el clasificador. En la figura 5, se representa la tabla de resultados de la prueba de hipótesis de igualdad de medias entre pares de empresas (los cuadros blancos muestran para la pareja el rechazo de la hipótesis de igualdad), sin embargo, es necesario ser cuidadoso al momento de rechazar o aceptar debido a que el número de observaciones no es balanceado por la empresas (grandes diferencias entre el número de encuestados para las empresas).

4. ConclusionesSe presentaron dos técnicas relacionadas a la solución de tareas predictivas y descriptivas en la minería de datos, aplicadas sobre las encuestas de ambientes creativos en empresas de Manizales. Se pudo observar como las variables propuestas por el estudio presentan alta similitud dentro de las dimensiones analizadas (didáctico, físico, psicosocial). También, el análisis discriminante permitió vislumbrar la existencia de diferencias entre

empresas con respecto a sus ambientes creativos y de la misma forma la similitud entre algunas de ellas.

Como trabajo futuro se propone la exploración de métodos como el Análisis de Correspondencias Múltiples para la representación de las encuestas a partir de variables categóricas. Partiendo de estos resultados, utilizar otras técnicas de DM para las tareas ya abordadas (predicción, descripción).

Figura 5 Rechazo de hipótesis sobre igualdad de medias

5. Bibliografía[1] C. A. González and A. Vargas, “Estado del

ambiente creativo para la innovación en las empresas de Manizales y lineamientos estratégicos para su fortalecimiento.” Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, 2005.

[2] S. de la Torre and V. Violant, Comprender y Evaluar la Creatividad Tomo II: Cómo investigar y evaluar la Creatividad. Ediciones Aljibe, 2006.

[3] M. Molina, “Propuesta para la creación de un test sicométrico para la medición de la


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creatividad,” Actualidades en Psicología, vol. 18, no. 105, pp. 49–69, 2002.

[4] M. D. P. et al, “Evaluación de un programa de desarrollo de la creatividad,” Psicothema, vol. 14, no. 2, pp. 410–414, 2002.

[5] J. Abedi, “A latent-variable modeling approach to assessing reliability and validity of a creativity instrument,” Creativity Research Journal, vol. 14, no. 2, pp. 267–276, 2002.

[6] J. Chaur-Bernal, “Diseño conceptual de productos asistidos por ordenador: Un estudio analítico sobre aplicaciones y definición de la estructura básica del nuevo programa,” Ph.D. dissertation, Universidad Politécnica de Cataluña, 2004.

[7] J. H.-O. et al, Introducción a la Minería de Datos. Pearson Prentice Hall, 2004.

[8] G. Daza, L. G. Sánchez, and J. F. Suárez, “Selección de características orientada a sistemas de reconocimiento de granos maduros de café,” Scientia et Technica, Agosto 2007.

[9] D. Peña, Análisis de Datos Multivariantes. McGraw Hill, 2002.

[10] A. Rencher, Methods of Multivariate Analysis. Wiley- Interscience, 2002


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