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PROYECTO FIN DE CARRERA 
 
Presentado a 
 
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 
 
 
 
Para obtener el título de 
 
INGENIERO ELECTRÓNICO 
 
 
por 
 
Tomás Emilio Vence Jiménez 
 
 
 
 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de flotar para 
tratamiento de aguas residuales 
 
 
 
Sustentado el 8 de julio de 2021 frente al jurado: 
 
 
 Composición del jurado 
 
 
- Asesor: Johann F. Osma, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes 
- Co-asesora: Paula A. Peñaranda, Universidad de Los Andes 
 
- Jurados : Jose Fernando Jiménez, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
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Contenido 
1 RESUMEN ........................................................................................................................ 3 
2 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3 
3 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 4 
3.1 Objetivo General ...................................................................................................... 4 
3.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 4 
3.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 4 
4 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ........................... 4 
5 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ............................................................... 5 
5.1 Marco Teórico .......................................................................................................... 5 
5.2 Marco Conceptual .................................................................................................... 5 
5.3 Marco Histórico ....................................................................................................... 6 
6 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ................................................................ 7 
6.1 Definición ................................................................................................................ 7 
6.2 Especificaciones ....................................................................................................... 8 
7 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ......................................................................................... 8 
8 TRABAJO REALIZADO ....................................................................................................... 9 
8.1 Descripción del Resultado Final .............................................................................. 9 
8.2 Trabajo computacional........................................................................................... 13 
9 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ............................................................................................ 13 
9.1 Metodología de prueba .......................................................................................... 13 
9.2 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 14 
9.3 Evaluación del plan de trabajo ............................................................................... 20 
10 DISCUSIÓN ................................................................................................................. 20 
11 CONCLUSIONES .......................................................................................................... 21 
12 AGRADECIMIENTOS ................................................................................................... 22 
13 REFERENCIAS ............................................................................................................. 22 
14 APENDICES ................................................................................................................. 23 
 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
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1 RESUMEN 
Gracias a los problemas relacionados con sustancias contaminantes en aguas residuales 
producto de industrias, se desarrolló un prototipo para tratamiento de aguas residuales 
de bajo costo, fácil de manufacturar y eficiente. Para esto, se diseñó un modelo de micro 
robot en dos formas: extendido y plegado. Está compuesto por níquel e imanes 
funcionalizados con enzima lacasa, muy usada en biocatálisis para tratamiento de aguas. 
El micro robot es 9 x 1 mm de tamaño y se intentó que, con este diseño, fuera capaz de 
flotar a través de flotadores impresos en 3D en modo extendido sin afectar la habilidad 
de hundirse en modo plegado. También se realizaron pruebas de remoción de 
acetaminofén diluido en agua y así comprobar su funcionalidad. 
2 INTRODUCCIÓN 
La contaminación ambiental es actualmente uno de los problemas más importantes que 
enfrenta la humanidad. Ha incrementado exponencialmente en los últimos años y 
alcanzó un nivel alarmante en términos de sus efectos sobre los seres vivos. La 
contaminación del agua juega el factor más importante puesto que es vital para la vida 
en la tierra. Esta contaminación se genera, en gran medida gracias a aguas residuales 
producto de procesos industriales y agrícolas que contienen fenoles que pueden 
contaminar los recursos de aguas subterráneas y, por lo tanto, provocar un grave 
problema de contaminación de las aguas subterráneas. La exposición a dichos 
productos químicos puede dañar el sistema nervioso central, el sistema respiratorio, los 
riñones y el sistema sanguíneo si entra en el cuerpo humano [1][2][3]. Algunos de los 
contaminantes vertidos más comunes incluyen patógenos, exceso de nutrientes, sólidos 
en suspensión y sedimentos, pesticidas, plásticos, fertilizantes, ácidos, detergentes, 
fenoles, minerales y metales pesados [4][5]. 
 
Un reto importante en el tratamiento de aguas es el poder retirar estas sustancias 
contaminantes sin afectar el ecosistema. La industria farmacéutica y de manufactura 
generan desechos fenólicos debido al proceso de limpieza y de acabado de cuero. Los 
compuestos fenólicos son absorbidos rápidamente por la inhalación del vapor, en 
contacto con la piel y por ingestión, alcanzándose una concentración nociva en el 
ambiente por evaporación de la sustancia a 20ºC. Puede llegar a ser corrosivo causando 
quemaduras al igual que puede alterar el sistema nervioso central [6]. 
 
Se busca solucionar esta problemática con la fabricación de micro robots magnéticos 
que permita limpiar contaminantes en aguas residuales funcionalizando dichos micro 
robots con enzima lacasa para mermar e, idealmente, solventar el problema. Con esta 
implementación, se proyecta generar un impacto ambiental positivo en las fuentes 
hídricas para el consumo humano a través de una solución tecnológica económica y 
eficiente. 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
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3 OBJETIVOS 
3.1 Objetivo General 
Diseñar e imprimir en 3D un flotador y fabricar el micro robot para unir ambos 
componentes de manera que sea posible obtener un micro robot capaz de flotar en el 
agua. 
3.2 Objetivos Específicos 
• Diseño de manufactura de los micro robots. 
• Diseñar los flotadores. 
• Modelar en 3D los flotadores. 
• Realizar la impresión 3D de los flotadores. 
• Realizar pruebas de remoción de acetaminofén diluido. 
3.3 Alcance y productos finales 
El prototipo de investigación desarrollado permitirá realizar trabajos de tratamiento de 
aguas con mayor facilidad. También aportará información relevante que será utilizada 
para emplearlo en diferentes áreas de investigación y desarrollar otras configuraciones 
de robots para otro tipo de tareas. El producto concreto resultaráser un micro robot 
con flotadores que permiten mantener el prototipo en la superficie en dado caso que 
sea posible la impresión de los flotadores. 
4 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO 
Debido a los avances que ha tenido la ciencia y el rápido crecimiento tecnológico, el ser 
humano se ha tenido que enfrentar al problema de minimizar sus instrumentos de 
trabajo, así como su maquinaria para poder realizar tareas de mayor precisión logrando 
de esta manera mejorar su rendimiento. Una alternativa a este problema es el empleo 
de micro robots que tienen la capacidad de poseer una alta precisión. Actualmente la 
micro robótica es un tema de estudio en diversas partes del mundo particularmente 
Japón, en México existen pocos indicios de este tipo de tecnología y por ende el sector 
industrial tiene que incrementar sus gastos de producción [7]. 
 
Bajo este contexto es necesario estudiar y desarrollar micro robots de alta precisión en 
nuestro país, ya que las aplicaciones son de gran utilidad en áreas como la manufactura. 
Por ello, al construir este tipo de micro robot es posible aspirar al surgimiento de nuevas 
oportunidades en el campo de la investigación, acrecentando los alcances del ser 
humano en la ingeniería. 
 
La finalidad del micro robot propuesto es que este sea capaz de flotar en el agua 
mientras se realiza el correspondiente tratamiento de aguas y en trabajos futuros 
poderlos aplicar en el área ambiental. 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
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5 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 
5.1 Marco Teórico 
• Primera ley de Newton: Esta ley aporta estabilidad y sirve para determinar el 
movimiento resultante basándose en las fuerzas que actúan sobre un objeto 
para así determinar la posición final sobre un marco de referencia. Es decir, 
define que la suma de fuerzas debe ser igual a cero y, si la fuerza resultante es 
nula, el movimiento del objeto permanece constante en el tiempo. Al ser la 
sumatoria de fuerzas cero, significa que la fuerza resultante está en equilibrio, 
ocasionando, en este caso, que el objeto flote [8]. 
�⃗�𝐹𝑅𝑅 = ��⃗�𝐹 = 0 
• Tercera ley de Newton: Esta ley viene de la mano con la segunda ley. Consiste 
en que con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere 
decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en 
sentido opuesto [8]. 
�⃗�𝐹12 = −�⃗�𝐹21 
 
• Principio de Arquímedes: Este principio indica que todo cuerpo sumergido 
dentro de un fluido experimenta una fuerza ascendente llamada empuje, 
equivalente al peso del fluido desalojado por el cuerpo. De igual manera, indica 
que, al sumergir un objeto dentro de un líquido, el volumen del cuerpo 
sumergido es igual al volumen de fluido desplazado. Por lo tanto, la fuerza de 
empuje 𝐹𝐹𝑏𝑏 = 𝜌𝜌 ∗ 𝑉𝑉 ∗ 𝑔𝑔, tiene una magnitud igual al peso del líquido desplazado 
por el objeto sumergido [9]. 
• Ley de Poiseuille: Esta ley establece la tasa de flujo volumétrico que pasa por un 
canal rígido de cierta longitud cuando se aplica una diferencia de presión en cada 
extremo del canal [10]. La ley aplica generalmente a líquidos que no se pueden 
comprimir y para líquidos viscosos. El flujo volumétrico Q es: 
𝑄𝑄=Δ𝑃𝑃∗𝐴𝐴3/2𝛼𝛼𝛼𝛼p2 
p es el perímetro del canal, A es el área transversal del canal, 𝛼𝛼 (alpha) es la 
viscosidad del fluido y delta P es la diferencia del presión entre los extremos del 
canal. 
5.2 Marco Conceptual 
• Capilaridad: Propiedad de los fluidos dependiente de la tensión superficial que a 
su vez depende de la cohesión del fluido. Esto permite que los fluidos suban o 
bajan por un tubo capilar. Cuando se introduce un tubo capilar en un fluido y el 
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líquido sube por dicho tubo, es debido a que la adhesión del líquido con el 
material del tubo es mayor que la fuerza intermolecular. El líquido continúa 
subiendo hasta que el peso del líquido que llena el tubo sea igual a la tensión 
superficial. Se usa la siguiente ecuación: 
2𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝜋𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶=𝜌𝜌ℎ𝜋𝜋𝜋𝜋2𝑔𝑔 
donde 2𝜋𝜋𝜋𝜋 representa la superficie de contacto (circunferencia del tubo capilar), 
por lo que r es el radio del tubo capilar, 𝜋𝜋 es la tensión superficial interfacial, 
c𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 representa el ángulo de contacto entre la pared del tubo y la tensión 
superficial y 𝜌𝜌ℎ𝜋𝜋𝜋𝜋2𝑔𝑔 es la fuerza que se necesita para levantar cierta masa de 
agua [ibídem, 123-130]. 
 
Figura 5.1. Capilaridad [11] 
 
• Encima Lacasa: “Las lacasas son enzimas pertenecientes al grupo de las 
oxidorreductasas que se encuentran presentes principalmente en hongos que 
originan la degradación de la madera. Su mecanismo de acción se basa en la 
oxidación simple de cuatro electrones presentes en el sustrato con la 
consecuente reducción de una molécula de oxígeno molecular a agua. Son 
capaces de oxidar compuestos fenólicos y aminas aromáticas y su especificidad 
de sustrato es baja, lo cual implica que exista un extenso rango de sustratos 
susceptibles de ser oxidados por estas enzimas” [12]. 
5.3 Marco Histórico 
La micro robótica y la tecnología que la compone es reciente por lo que no existe mucha 
información respecto a este tema en comparación con otros temas referentes a la 
electrónica. Por esto, existen pocos antecedentes externos e incluso aún menos 
antecedentes locales. 
 
Hay unos pocos artículos del tema de micro robots para el tratamiento de aguas, aunque 
algunos grupos de científicos han desarrollado dicha tecnología. Se han desarrollado 
micro robots capaces de limpiar el agua. Para esto se usó óxido de grafeno para fabricar 
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sus motores a microescala, que pueden absorber el plomo de las aguas residuales 
industriales desde un nivel de 1000 partes por mil millones a menos de 50 partes por 
mil millones en solo una hora. Posteriormente, el plomo se puede eliminar para reciclar 
y los micromotores se pueden utilizar una y otra vez. 
 
También, se han desarrollados micro robots que nadan buscando bacterias en el agua. 
Estos tienen dos caras similares, una mitad hecha de magnesio y la otra una mezcla de 
hierro, oro y plata. El lado del magnesio proporciona propulsión, ya que reacciona con 
el agua y crea burbujas de hidrógeno. El otro lado, está diseñado para recoger y matar 
microorganismos, que se adhieren a las capas de oro y son destruidos por las 
nanopartículas de plata. Para probar los micro robots, los investigadores los agregaron 
al agua que había sido enriquecida con altos niveles de E. Coli. El combustible de 
magnesio dura entre 15 y 20 minutos, y durante ese tiempo las partículas pudieron 
matar más del 80 por ciento de las bacterias. Dado que probablemente no sea saludable 
beber agua llena de pequeños robots, estos se pueden quitar fácilmente con imanes, 
gracias a sus capas de hierro. 
 
Dentro de la Universidad de Los Andes se han realizado trabajos referentes a la micro 
robótica para la funcionalización de superficies para tratamiento de aguas. Se ha 
realizado el diseño y fabricación de micro reactores toroides para la eliminación de 
tintes por lacasa inmovilizados sobre nanopartículas de magnetita que es un sistema 
basado en bionanocompuestos y microsistemas fluídicos para el tratamiento de aguas 
residuales. Las nanopartículas de magnetita (Fe3O4) fueron funcionalizadas con la 
enzima lacasa, muy utilizada en biocatalíticas para el tratamiento de aguas residuales. 
Los micro reactores tienen un tamaño de 75 x 25 mm y permiten un seguimiento 
constante del tratamiento mediante espectrofotometría [13]. También, se inició el 
diseño y fabricación de un micro robot y de unos flotadores para que dicho micro robot 
logre flotar [14]. 
 
En cuanto a la funcionalización de micro robots referentesal tratamiento de aguas 
residuales, se encuentran proyectos liderados por el profesor Johann Osma que 
establecen protocolos para la inmovilización de lipasa en partículas milimétricas [15] e 
inmovilización de enzimas lacasa sobre los imanes del micro robot. 
6 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO 
6.1 Definición 
Este proyecto consta de 4 partes importantes. La primera es la manufactura del micro 
robot, la segunda se enfoca en el diseño de los flotadores para la flotabilidad del micro 
robot, la tercera es la impresión 3D de los flotadores y la unión de estos con el micro 
robot y la última parte es la realización de pruebas de remoción de acetaminofén. 
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6.2 Especificaciones 
En principio se cuenta con un modelo base del micro robot en dos formas: extendida y 
plagada. Como primera restricción se tiene las dimensiones del micro robot y de sus 
elementos: los imanes y el níquel. La estructura del micro robot se basa en dos imanes 
de 1mmx1mmx0.3mm en el centro y dos láminas de níquel de 1mmx2mmx0.3mm a los 
extremos. Cada elemento está a 1mm de distancia entre los demás elementos y se 
encuentran unidos con cinta transparente. Todo el trabajo y cálculos siguiente se 
restringe a las dimensiones y configuración del modelo base. 
 
Figura 6.1. Micro robot base en ambas formas 
Debido a que el micro robot es manufacturado, otro limitante es el hecho del ancho de 
la cinta y que dicha cinta cubre todo el largo y ancho del micro robot. Un limitante 
extremadamente importante es la resolución de las impresoras 3D pues, dado que las 
dimensiones del flotador y del tubo capilar son menores a decenas de milímetros, y que 
el comportamiento de estos fluctúa de manera importante dependiendo de sus 
dimensiones, no se garantiza una impresión con dimensiones exactas comparadas con 
las implementadas en simulación. 
7 METODOLOGÍA DEL TRABAJO 
En primer lugar, se realizó el montaje del micro robot teniendo en cuenta las buenas 
prácticas recomendadas. El micro robot se compone de dos láminas de níquel de 
dimensiones 1mmx2mm a los extremos y dos imanes de dimensiones 1mmx1mm en el 
centro. Estos cuatro componentes deben estar a una distancia de 1 milímetro entre 
ellos. Además, dado que se requiere que el micro robot sea plegable, los imanes tienen 
que estar colocados de manera que los polos miren a la misma dirección para que se 
repelan. La unión de los componentes se realiza utilizando cinta pegante transparente 
cortada lo más cercano posible a los componentes para que la interferencia en la 
aplicación sea lo más mínima posible. 
 
Para la etapa de flotabilidad, se diseñaron unos flotadores basándose en el análisis de 
la estructura del micro robot. Se requiere que los flotadores mantengan a flote el micro 
robot en forma extendida y en su modo plegado permitan que el micro robot se hunda. 
Consecuentemente a esto, se realizaron los modelos 3D de los flotadores y se determinó 
si era viable la impresión 3D de estos y su implementación. 
 
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Por último, se realizaron pruebas de remoción de acetaminofén diluido, realizando 3 
soluciones con concentraciones diferentes, poniendo cierta cantidad de micro robots 
en cada solución y, cada cierto tiempo, se analizó el espectro y la longitud de onda del 
acetaminofén para determinar si, efectivamente, los micro robots remueven el 
contaminante. 
8 TRABAJO REALIZADO 
8.1 Descripción del Resultado Final 
Este proyecto se estructuró en cuatro etapas importantes. La primera es la manufactura 
del micro robot, la segunda se enfoca en el diseño de los flotadores para la flotabilidad 
del micro robot, la tercera es el modelado 3D de los flotadores y la última parte es la 
realización de pruebas de remoción de acetaminofén. 
 
ETAPA DE MANUFACTURA 
El protocolo de manufactura de los micro robots que asegura replicabilidad se describe 
a continuación con los pasos a seguir de manera secuencial. 
1. Se extiende una hoja de papel milimétrico en una mesa y se fija con cinta de manera 
que no queden pliegues, que la hoja quede tensa y no se mueva. 
2. Sobre el papel se ubica cinta transparente gruesa con la parte adhesiva mirando 
hacia arriba. Para estirar la cinta, es recomendable emplear unas tiras de cintas 
delgadas a los extremos de la cinta gruesa. Es importante que no existan curvaturas 
ni pliegues. 
3. Con ayuda de pinzas plásticas o algún instrumento plástico que permita buena 
precisión y fácil manipulación, tanto del instrumento como de los materiales de 
manufactura, se ubican las láminas de níquel en los extremos de manera que, desde 
arriba, tengan una forma convexa, y se ubican los imanes en el centro, a un 
milímetro de distancia entre cada elemento adyacente. Es importante tener en 
cuenta la polaridad de los imanes, puesto que esto afecta el modo plegado del micro 
robot. Deben ser ubicados de manera contraria. El resultado para 8 guías se aprecia 
en la figura 8.1. 
 
Figura 8.1. Posición de micro robots para 8 guías 
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4. Se realiza un corte fino con un bisturí a lo largo del área del micro robot de manera 
que se tenga un excedente de cinta mínimo. Luego, se extrae cuidadosamente el 
micro robot. 
 
ETAPA DE FLOTABILIDAD 
Se manejaron dos modos para el micro robot: modo extendido y modo plegado. Para 
ambos modos se diseñaron y añadieron flotadores que, en principio, permiten que el 
micro robot flote y se hunda dependiendo del modo en el que se encuentre el mismo. 
Para el modo extendido, la estructura se puede observar en la figura 8.3. Así, es 
necesario que el micro robot flote, teniendo en cuenta la parte funcional del mismo, 
pues se busca disminuir las toxinas y contaminantes de aguas residuales. El diseño final 
del flotador es un cubo que tiene una cavidad de aire (parte amarilla) de altura 2.7mm, 
un ancho de 1.6mm y un largo de 2mm por lo que el volumen es de 8.64mm3. También 
tiene una sección sólida abajo (parte roja) para mantener el centro de masa cerca de la 
sección sólida y que el flotador no se de vuelta y se llene de agua. En principio, el alto 
de la parte sólida es fija, pero se realizó un barrido para determinar los valores óptimos 
y la distancia que se hunden los flotadores tomando la superficie como referencia. Los 
flotadores tienen un espesor de 0.1mm, no tienen tapa y se ubican a un extremo de las 
láminas de níquel y de manera opuesta. 
Figura 8.2. Diseño Flotador 
 
Figura 8.3. Estructura final micro robot extendido 
Para el modo plegado, la estructura se puede observar en la figura 8.6. Así, para este 
modo es necesario que el micro robot se hunda, pero los flotadores evitan que esto 
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suceda por lo que fue necesario desarrollar una alternativa que resultó ser el diseño de 
un tubo capilar implementado en la parte superior del flotador. Estos tubos son 
cavidades de aire que, cuando el micro robot está en el modo plegado, se llenan de agua 
de manera que el peso de la estructura sea mayor que la fuerza de flotabilidad. Se 
utilizan 5 tubos capilares de altura 2.1mm y radio 0.109mm por cada flotador. 
 
Figura 8.4. Tubo capilar 
 
Figura 8.5. Flotador con tubo capilar 
 
Figura 8.6. Estructura final micro robot plegado. 
 
ETAPA DE MODELADO 3D 
Para el modelado 3D del flotador y del tubo capilar, se usó el software Inventor y se 
modelaron 3 piezas diferentes que son un flotador con parte sólida de altura 0.3mm, un 
flotador con parte sólida de altura 0.5mm y el tubo capilar. Como se mencionó 
anteriormente, se realizó un barrido de la altura de la parte sólida del flotador para 
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determinar los valores óptimos en los que la estructura extendida del micro robot se 
queda estable y la distancia de hundimiento de los flotadores respecto a la superficie es 
óptima. Más adelante se explica este proceso y se exponen los resultados, que se ven 
reflejados en los modelos 3D mostrados a continuación. 
 
Figura 8.7. Modelo 3D flotador base sólida 0.3mm 
 
Figura 8.8. Modelo 3D flotador base sólida 0.5mm 
 
Figura 8.9. Modelo 3D tubo capilar 
Ahora bien, una vez realizado esto el siguiente paso sería realizar la impresión 3D de las 
piezas y ensamblarlas en el micro robot, pero durante este proceso, y analizando los 
tamaños comparándolos tanto con el micro robot como con la aguja de la impresora 
3D, se encontraron varios problemas importantes que son que la aguja de la impresora 
no asegura una resolución exacta por lo que las dimensiones de las piezas pueden 
cambiar y afectarían el comportamiento del micro robot. El otro problema es que el 
flotador es casi 10 veces más alto que el alto del micro robot por lo que implementar 
los flotadores puede resultar muy ineficiente y la estructura final resultaría muy grande. 
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8.2 Trabajo computacional 
La primera herramienta computacional utilizada fue Matlab en donde se modificaron y 
usaron los códigos para crear Boxplots (Bloques en 3D) y el código de los flotadores que 
permite hacer barridos de las fuerzas existentes para ambos modos del micro robot, 
permite hallar los centros de masa de los objetos e incluyen las ecuaciones de Poiseuille 
y de los tubos capilares. El último código utiliza la función del código Bloques en 3D que 
permite crear los bloques para simular la estructura del micro robot solo y también con 
los flotadores y los tubos capilares implementados. 
La otra herramienta computacional utilizada fue Inventor y esta se usó meramente para 
realizar los modelos 3D de las piezas y permite hacerlas con dimensiones precisas y 
correctas. Además, esta herramienta permite exportar los archivos y guardarlos en el 
formato necesario para la impresión 3D. 
9 VALIDACIÓN DEL TRABAJO 
9.1 Metodología de prueba 
En cuanto a la metodología de prueba, se realizó un proceso experimental para la 
remoción de acetaminofén en el agua. En primer lugar, se utilizó una solución madre de 
600mg/L y, a partir de esta, se realizaron tres soluciones de 50mL de 4.5mg/L, 9mg/L y 
18mg/L de acetaminofén diluido. A cada solución se le pusieron 6 micro robots 
funcionalizados con lacasa inmovilizada y se preparó una solución de ABTS para 
comprobar que la lacasa continuaba activa en los micro robots. Si se apreciaba un color 
verde, se comprobaba que la lacasa continúa activa (ver figuras 9.1 y 9.2). Se dejaron 
los micro robots flotando en la solución durante una hora para, mediante el espectro, 
obtener la curva de la cinética y, por último, se realizaron medidas cada 10 minutos y 
así comprobar si la concentración de acetaminofén disminuye en las soluciones. 
 
Figura 9.1. Comparación entre micro robot con enzima lacasa y sin enzima lacasa 
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Figura 9.2. Micro robot con ABTS 
9.2 Validación de los resultados del trabajo 
MANUFACTURA 
La importancia del protocolo de manufactura radica en su replicabilidad por lo que a 
continuación se demuestra, mediante imágenes, el desempeño del mismo. 
 
Figura 9.3. Bases micro robot 
Como se mencionó anteriormente, la estructura final del micro robot es dos láminas de 
níquel a los extremos y dos imanes en el centro y cada elemento está a un milímetro de 
distancia de su vecino. Este protocolo se usó desde el semestre pasado por lo que, 
mientras antes se demoraba 2 meses en fabricar 15 micro robots, actualmente fue 
posible fabricar 30 micro robots en un lapso de 4 horas siendo estos simétricos entre sí. 
 
FLOTABILIDAD MODO EXTENDIDO 
La verificación de los diseños expuestos en la sección 8 se plasman a continuación donde 
se analizaron principalmente las fuerzas ejercidas sobre el micro robot. Para lograr 
obtener estabilidad entre el peso del micro robot y la fuerza de flotabilidad, es necesario 
que la sumatoria de fuerzas del sistema sea igual a cero. Así, al analizar tanto la fuerza 
del peso del micro robot como la fuerza de flotabilidad se tienen las ecuaciones 
siguientes: 
Fg = -mm*g = Fuerza Peso Micro Robot 
Fb = ρ*g*V = ρ*g*Am*d = Peso del volumen agua desplazada 
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donde mm es la masa del micro robot, g es gravedad, Am es el área superficial del micro 
robot, d es la distancia a la que se sumerge el micro robot respecto a la superficie, ρ es 
la densidad del agua y V es el volumen de agua desplazado. 
 
Se realizó un barrido de la distancia d y se calcularon tanto las fuerzas sobre el micro 
robot como la fuerza resultante. La gráfica 9.1 muestra dicho barrido donde se observa 
que la fuerza de flotabilidad es mucho menor al peso del micro robot por lo que no hay 
equilibrio en el sistema. Así, es necesario hacer uso de materiales de densidad más baja 
y que permitan mantener a flote el micro robot. 
 
Gráfica 9.1. Fuerzas micro robot extendido 
Ahora bien, las simulaciones se realizaron teniendo en cuenta que el material del 
flotador es ABS y que la altura de la parte sólida es de altura 0.3mm como se expone en 
la sección 8.1. La gráfica 9.2 muestra que, implementando los flotadores, la fuerza de 
flotabilidad aumenta hasta una posición de equilibrio. Si bien se aprecia que la 
sumatoria de fuerzas es 0 a primera vista, la fuerza resultante es positiva, más 
específicamente de 0.0044mN. Esta posición de equilibrio se alcanza cuando el flotador 
se sumerge casi en su totalidad, pero se mantiene sobre la superficie 0.2mm lo cual es 
más de la mitad de la altura del micro robot, con lo cual se logra su flotabilidad. 
 
Gráfica 9.2. Posición de equilibrio del sistema extendido 
 
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Con el fin de determinar qué material de los flotadores y qué parámetros son los 
óptimos, se realizó un barrido de las dimensiones de los flotadores para diferentes 
materiales utilizados en impresión 3D y se determinó que la parte sólida de los 
flotadores con mejores resultados fueron los de altura 0.3mm y 0.5mm ya que, con 
otros valores, el micro robot tiende a ladearse. Se tuvieron en cuenta los materiales 
ABS, FPE, PLA y Polipropileno. Con esto, se puede observar y comparar el 
comportamiento del sistema con estos materiales de densidades diferentes. 
 
Gráfica 9.3. Altura parte sólida de 0.3mm (izquierda), de 0.5mm (derecha) y material ABS 
 
Gráfica 9.4. Altura parte sólida de 0.3mm (izquierda), de 0.5mm (derecha) y material FPE 
 
Gráfica 9.5. Altura parte sólida de 0.3mm (izquierda), de 0.5mm (derecha) y material PLA 
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Gráfica 9.6. Altura parte sólida de 0.3mm (izquierda), de 0.5mm (derecha) y material Polipropileno 
Como se observa en las gráficas anteriores, mientras mayor sea el relleno, los valores 
de la fuerza resultante resultan ser negativos puesto que no hay volumen suficiente 
para desplazar el peso total del micro robot. Ahora bien, dados los materiales y 
observando el comportamiento del sistema para cada uno, se afirma que con FPE no se 
tienen buenos resultados pues es muy denso y, si bien permite que el micro robot flote, 
con una perturbación mínima, el micro robot se hundirá y se le complicará volver a subir 
y mantenerse a flote. Con polipropileno, la fuerza resultante es mayor que con los otros 
materiales por lo que elsistema saldrá más a flote debido a la baja densidad del material 
y se puede intuir que si el sistema sufre perturbaciones, le resultará sencillo volver a 
flote en caso de hundirse y mantenerse en ese estado. También se obtuvieron 
resultados satisfactorios con los otros 2 materiales: PLA y ABS. Se comportan de manera 
similar por lo que también son materiales óptimos para la implementación. 
 
FLOTABILIDAD MODO PLEGADO 
Ahora es necesario estudiar y trabajar con el micro robot en su modo plegado cuyo 
propósito principal es que se hunda. En principio, con la estructura que se planteó para 
el modo extendido, para el modo plegado no funciona pues los flotadores mantendrían 
a flote al micro robot en ambos modos. Dicha estructura se muestra en la figura 9.4. 
 
Figura 9.4. Micro robot plegado con flotadores 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
18 
 
 
Se analiza y simula las fuerzas sobre el micro robot en el modo plegado sin los flotadores 
a medida que este es sumergido. Es decir, se realiza un barrido de la altura a la que se 
sumerge el micro robot y, de manera simultánea, se calculan las fuerzas ejercidas. 
 
Gráfica 9.7. Fuerzas micro robot plegado. 
Se puede observar en la gráfica 9.7 que la sumatoria de fuerzas resulta ser negativa 
siempre con lo cual el volumen de agua desplazada es insuficiente como para 
compensar la fuerza del peso del micro robot y no se logra mantener a flote, que es lo 
que se requiere para este modo. Sin embargo, al haber implementado los flotadores en 
el modo extendido, toca tener en cuenta estos flotadores en el modo plegado. Es por 
esto que se agregaron los tubos capilares mencionados en la sección 8 de manera que 
el sistema se hunda en modo plegado y al mismo tiempo se mantenga el sistema a flote 
en modo extendido. 
 
En el marco conceptual en la sección de capilaridad, se expuso la ecuación a usar para 
el diseño de los tubos capilares. Así, se definen los valores a utilizar para cada variable 
sabiendo los materiales a utilizar con lo cual se tiene un valor de 42x10-3 mN/mm para 
𝛾𝛾 dado que el material a usar es ABS y se toma un ángulo 𝜃𝜃 de cero. Entonces, como se 
tiene que la posición estable en el modo extendido de 0.2mm sobre la superficie, dicho 
valor es el límite superior del valor del diámetro del tubo por lo que no es recomendable 
superarlo ya que es muy probable que ingrese agua al tubo. 
 
Gráfica 9.8. Radio óptimo tubo capilar 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
19 
 
 
Observando la gráfica 9.8 se afirma que, para radios inferiores a 0.11mm, se garantiza 
que el tubo, incluido en el flotador, se llene de agua pues la altura del tubo es menor a 
la altura máxima. Consecuentemente, teniendo en cuenta el valor del radio, la altura 
máxima del agua dentro del tubo capilar siempre será mayor a 2mm, con lo cual se 
verifica lo expuesto anteriormente. Con esto en mente, se escogió un radio para el tubo 
capilar de valor 0.109 milímetros. Para ver el modelo final y la estructura del tubo y el 
flotador ver la figura 8.4 y la figura 8.5. 
 
La idea principal de incluir los tubos en el diseño es el lograr el ingreso de agua en los 
tubos cuando el micro robot está en modo plegado para que se tenga la suficiente 
fuerza y se hunda el sistema. Es necesario hacer uso de la ley de Poiseuille para 
determinar el flujo de entrada de agua al tubo capilar teniendo en cuenta las diferencias 
de presión en cada extremo del tubo. Así, sabiendo que la base del tubo es una 
circunferencia, el flujo de agua se expresa de la siguiente manera: 
𝑄𝑄(ℎ)=ΔP∗(A3/2𝛼𝛼𝛼𝛼p2 )=ΔP∗(π3r6/2𝛼𝛼𝛼𝛼*4π2r2) 
ΔP=(P0+𝜌𝜌gh)−P0= 𝜌𝜌gh 
𝑄𝑄(ℎ)=𝜌𝜌gh*(πr4/8𝛼𝛼𝛼𝛼) 
donde ΔP es la diferencia de presión por lo que P0 es la presión atmosférica, A es el área 
del tubo capilar, 𝛼𝛼 es la viscosidad del agua, L es la altura del tubo capilar, p es el 
perímetro, r es el radio del tubo capilar, 𝜌𝜌 es la densidad del agua, g es la gravedad y h 
es la profundidad a la que se hunde respecto a la superficie. 
 
Gráfica 9.9. Flujo del tubo capilar vs profundidad 
Este proceso se realiza únicamente para saber a qué profundidad se llena 
completamente el tubo capilar y para esto, es necesario saber el volumen de dicha pieza 
la cual es 0.0747mm3. En la gráfica 9.9 se observa que el flujo más cercano al volumen 
corresponde al momento cuando el sistema está a una profundidad de 0.29mm con 
respecto a la superficie. Para lograr que se hunda en modo plegado, se necesitan 
implementar 5 tubos capilares por cada flotador y esto se puede evidenciar en la gráfica 
siguiente. 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
20 
 
 
 
Gráfica 9.10. Fuerzas sistema plegado completo 
En principio, se observa que el sistema está en equilibrio y a flote pues la fuerza 
resultante es muy cercana a cero, pero esto es falso pues dicha fuerza resultante es 
negativa, más específicamente de -0.003mN. Los picos negativos indican una 
perturbación en el sistema pues estos son sumergidos y el cambio de pendiente indica 
que los tubos capilares se llenan progresivamente. Cuando el sistema está a 2mm de 
profundidad, la fuerza resultante se estabiliza justo por debajo de la superficie y en 
ningún momento el sistema sale a flote. Así, el sistema está completo en modo plegado 
y se expuso en la figura 8.6. 
9.3 Evaluación del plan de trabajo 
En la propuesta de tesis se planteó la actividad de imprimir las piezas modeladas para 
implementarlas en el micro robot y realizar pruebas de flotabilidad en ambos modos. 
Sin embargo, a lo largo de la realización del proyecto el asesor recomendó no realizar la 
impresión puesto que se encontraron diferentes problemas importantes que se 
expusieron en la sección 8.1. Por estos problemas, como trabajo futuro se propuso 
cambiar el diseño por dos imanes en los extremos y una lámina de PLA en el centro que 
asegura flotabilidad en modo extendido. Así, en la última etapa del proyecto, se decidió 
trabajar en pruebas de remoción de acetaminofén y de tintes fenólicos a través de la 
funcionalización de la enzima lacasa presente en el micro robot. Este proceso se 
describió en la sección 9.1 Metodología de prueba. 
10 DISCUSIÓN 
ETAPA DE MANUFACTURA 
Se utilizó el protocolo de manufactura implementado desde el semestre pasado donde 
se hizo uso de algunas herramientas prácticas como un bisturí y unas pinzas metálicas, 
aunque lo ideal sería utilizar pinzas plásticas. Esta actividad requiere de mucha paciencia 
pues es un proceso de precisión y, aunque se asegura replicabilidad, los micro robots 
no serán idénticos entre sí pues depende mucho de la habilidad y capacidad de la 
persona, siendo este un limitante importante. Es casi imposible que los micro robots 
sean idénticos, pero se puede hacer manufactura de los mismos obteniendo resultados 
consistentes y más precisos si la habilidad de la persona lo permite. Este semestre hubo 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
21 
 
 
una curva de aprendizaje importante a la hora de fabricar los micro robots puesto que 
mientras que al principio se lograron construir 30 micro robots en 6 horas, finalizando 
el proyecto se construyó la misma cantidad destinada a las pruebas de remoción en 
menos de 2 horas y asegurando precisión sin que las dimensiones varíen entre réplicas. 
 
ETAPA DE FLOTABILIDAD 
Para esta etapa se tuvieron en cuenta varios aspectos importantes como lo son la 
posición de los flotadores en el micro robot. Esta posición es opuesta y en caras 
contrarias de manera que el micro robot se mantenga estable y no tienda a ladearse. 
También se tuvo en cuenta que el relleno de los flotadores debía ser el indicado y, en 
este caso, está ubicado en la parte inferior de los flotadores puesto que se necesita una 
cavidadde aire más grande que permita el ingreso de agua para el modo plegado y se 
mantenga vacío en el modo extendido. Este aspecto está directamente relacionado con 
el centro de masa de los flotadores puesto que el relleno permite ubicar el centro de 
masa abajo para que se mantenga estable y no se incline mientras flota. Cuando haya 
alguna perturbación sobre el sistema, y este se sumerja, es importante que su centro 
de masa este abajo para aportar estabilidad y así logre volver a una posición de 
equilibrio. En la teoría, el sistema funciona, pero como se mencionó anteriormente, los 
flotadores son muy grandes en comparación con el micro robot por lo que, como trabajo 
futuro, se plantea cambiar el diseño por imanes a los extremos y una lámina de PLA en 
el centro que actúa como flotador y pretende ser del mismo grosor que los imanes. 
 
ETAPA DE MODELADO 3D 
El resultado de los modelos 3D es el deseado puesto que replica el diseño de los 
flotadores y los tubos capilares hechos en las simulaciones. Sin embargo, al ser 
sumamente delgados, pues el grosor de las piezas es de 0.1mm, no se garantiza que se 
impriman las piezas con las mismas dimensiones debido a la resolución de la impresora 
con lo cual puede haber comportamientos no deseados. 
11 CONCLUSIONES 
• El protocolo de manufactura es satisfactorio y eficiente, pero requiere de mucha 
paciencia. Existen varios aspectos que pueden mejorar como el uso de algún 
dispositivo que permita hacer zoom mientras se realiza el protocolo de 
manufactura para aumentar la precisión con la que se ubican los elementos del 
micro robot sobre la cinta y, así mismo, que el corte de la cinta sea lo más preciso 
posible y el excedente de este sea mínimo. 
• En simulación, los resultados para la etapa de flotabilidad son satisfactorios y 
permite que el micro robot se mantenga estable y a flote en modo extendido y 
se hunda en modo plegado. Sin embargo, no se garantiza que estas piezas sean 
impresas con la resolución requerida además del gran tamaño que se tiene 
comparado con el micro robot. Por esto, como trabajo futuro se recomienda 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
22 
 
 
cambiar el diseño del micro robot para lograr acoplar los flotadores o cambiar el 
diseño de los flotadores. 
• Las pruebas de remoción de acetaminofén y de tintes fueron satisfactorias 
siguiendo la metodología de prueba expuesta en este documento pues, dado 
que el micro robot Las pruebas de remoción de acetaminofén y de tintes fueron 
satisfactorias siguiendo la metodología de prueba expuesta en este documento 
pues, dado que el micro robot fue funcionalizado con enzima lacasa, estando 
esta activa, se fue removiendo el contaminante a medida que el tiempo 
transcurría hasta que se llegaba a un punto de saturación donde, a partir de este 
punto, no bajaba la concentración del contaminante en el agua con lo cual es 
necesario remover los micro robots saturados y reemplazarlos por otros para 
continuar el proceso de remoción. 
12 AGRADECIMIENTOS 
Quiero agradecer al equipo de personas involucrado en el proyecto compuesto por 
Johann Osma, Paula Peñaranda y Camilo Vélez que siempre estuvieron dispuestos a 
apoyar y disponibles para cualquier duda o problema surgido. Agradecer a mi asesor 
Johann pues gracias a él tuve la oportunidad de trabajar muy de cerca en el área de 
micro robótica y de tecnología a pequeña escala y a mi coasesora Paula Peñaranda pues 
en ella pude apoyarme a lo largo del proyecto y tuve una aproximación a un área 
puramente experimental dentro del laboratorio en la última parte del proyecto 
referente a las pruebas de remoción con lo cual pude obtener mayor conocimiento 
multidisciplinario. También agradecer a Camilo Vélez, investigador postdoctoral que 
estuvo pendiente y, mediante reuniones semanales, fue de gran ayuda y una guía 
fundamental para lograr avanzar en el proyecto. Por último, agradecer a mi familia por 
siempre brindarme apoyo y confianza y así estar cada día más cerca de mis metas. 
13 REFERENCIAS 
[1] M. A. Atieh, “Removal of Phenol from Water Different Types of Carbon - A 
Comparative Analysis”. 2014. APCBEE Procedia, vol. 10, pp. 136-141. 
[2] W. W. Anku, M. A. Mamo, P. P. Govender, “Phenolic Compounds in Water: Sources, 
Reactivity, Toxicity and Treatment Methods in Phenolic Compounds - Natural Sources, 
Importance and Applications”. InTech, 2017. 
[3] Z. M. Wang, Nanotechnology for Water Treatment and Purification, vol. 22. 2014. 
[4] N. Iit and K. Web, “Classification of Water Pollutants and Effects on Environment”. 
NPTEL IIT Kharagpur Web Courses, pp. 1-7. 
[5] R. Helmer and I. Hespanhol, Water Pollution Control - A Guide to the Use of Water 
Quality Management Principles. London: E & FN Spon, 1997. 
[6] Registro estatal de emisiones y fuentes contaminantes. Fenoles. España. [En línea] 
http://www.prtres.es/Fenoles,15658,11,2007.html#:~:text=Efectos%20sobre%20la%2
0salud%20h%20umana,de%20la%20sustancia%20a%2020%C2%BAC 
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
23 
 
 
[7] H. G. Olivares, “Diseño, construcción y control de un micro robot SCARA industrial 
de alta precisión”. Instituto Politécnico Nacional, 2011. 
[8] Leyes de Newton. Física. Disponible en línea en: 
https://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html 
[9] Frank M, White. (2011). Fluid Mechanics (7ed). New York: McGraw Hill, pp. 91, 2.8 
Buoyancy and Stability. 
[10] Henrik, Bruus (2009). Theoretical Microfluidics. New York, Oxford University, pp. 
41-43. 
[11] Imagen tomada de: Fenómenos de Superficie: Tensión Superficial y capilaridad. 
Universidad de Granada, pp. 16. 
[12] Fernández Sánchez, María. 2013. Inmovilización de Lacasa: Métodos y potenciales 
aplicaciones industriales. Universidad de Vigo. 
[13] P. A. Peñaranda, “Design and manufacture of torus microreactors for the removal 
of dyes by laccase immobilized on magnetite nanoparticles”. Universidad de Los Andes, 
2019. 
[14] J. P. Linares, “Diseño de un micro robot para tratamiento de aguas”. Universidad 
de Los Andes, 2020. 
[15] Diana, Sotelo. Johann F, Osma. Protocolo inmovilización de lipasa en partículas 
milimétricas. Universidad de los Andes 
14 APENDICES 
Variables utilizadas 
 Lxn = Largo lámina niquel = 2mm 
 Lyn = Ancho lámina niquel = 1mm 
 Lzn = Altura lámina niquel = 0.3mm 
 Lxi = Longitud lámina imán = 2mm 
 Lyi = Ancho lámina imán = 1mm 
 Lzi = Altura lámina imán = 0.3mm 
 Lxf = Largo flotador = 2mm 
 Lyf = Ancho flotador = 1.6mm 
 Lzf = Altura parte roja flotador = 0.3mm 
 Af = Área base flotador = 2mmx1.6mm=3.2mm2 
 Lt = Altura tubo capilar = 2mm 
 Rt = Radio tubo capilar = 0.109mm 
 Vt = Volumen tubo capilar = 0.0747mm3 
 Vn = Volumen lámina niquel = Lxn*Lyn*Lzn = 0.6mm3 
 Vi = Volumen lámina imán = Lxi*Lyi*Lzi = 0.3mm3 
 𝜌𝜌i = Densidad imán = 5.24x10-3g/mm3 
 𝜌𝜌n = Densidad niquel = 8x10-3g/mm3 
 𝜌𝜌a = Densidad agua = 10-3g/mm3 
 𝜌𝜌ABS = Densidad ABS = 1.07x10-3g/mm3 
 mn = Masa niquel = 𝜌𝜌n*Vn = 0.0053g 
 mi = Masa imán = 𝜌𝜌i*Vi = 0.0016g 
 mm = Masa micro robot = 2mn+2mi = 0.0138g 
https://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html
Diseño e implementación de micro robots con capacidad de 
flotar para tratamiento de aguas residuales 
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 Vm = Volumen micro robot = 2(Vn + Vi) = 1.8mm3 
 Vb = Volumen micro robot con flotadores = 2*(Lxf + Lyf + Lzf + Vn + Vi) = 
3.72mm3 
 Boq = Grosor boquilla impresora 3D = 0.1mm2 
 Apared = Área superficial flotador = 2*Boq(Lxf + Lyf) – 4*Boq = 0.32mm2 
 Lzfsum = Altura parte roja flotador = 0.3mm 
 P = Porcentaje relleno flotador = 0.15 
 Vsum = Lzfsum*Af 
 Mp = Masa pared flotador parte amarilla = 𝜌𝜌ABS * Apared * ((1 - P)* Lzfsum + 
Lzf) 
 Mr = Masa flotador parte roja = 𝜌𝜌ABS * P * Vsum 
 Mf = Masa flotador = Mp + Mr 
Fuerzas resultantes 
Fg = Fuerza del peso sistema completo = 2*𝜌𝜌a*g*(Vsum + Vb) 
Fb = Fuerza flotabilidadsistema completo = -g*( mm + 2*Mf) 
Ft = Sumatoria de fuerzas (fuerza total) = Fg + Fb 
 
 
	1 RESUMEN
	2 INTRODUCCIÓN
	3 OBJETIVOS
	3.1 Objetivo General
	3.2 Objetivos Específicos
	3.3 Alcance y productos finales
	4 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
	5 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
	5.1 Marco Teórico
	5.2 Marco Conceptual
	5.3 Marco Histórico
	6 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
	6.1 Definición
	6.2 Especificaciones
	7 METODOLOGÍA DEL TRABAJO
	8 TRABAJO REALIZADO
	8.1 Descripción del Resultado Final
	8.2 Trabajo computacional
	9 VALIDACIÓN DEL TRABAJO
	9.1 Metodología de prueba
	9.2 Validación de los resultados del trabajo
	9.3 Evaluación del plan de trabajo
	10 DISCUSIÓN
	11 CONCLUSIONES
	12 AGRADECIMIENTOS
	13 REFERENCIAS
	14 APENDICES