Análisis genómico y funcional de los sistemas de Quorum Sensing en Rhizobium leguminosarum

Rhizobium leguminosarum (Rl) es una alfa-proteobacteria capaz de establecer una simbiosis diazotrófica con distintas leguminosas. A pesar de la importancia de esta simbiosis en el balance global del ciclo del nitrógeno, muy pocos genomas de rhizobios han sido secuenciados, que aporten nuevos conocimientos relacionados con las características genéticas que contribuyen a importantes procesos simbióticos. Únicamente tres secuencias completas de Rl han sido publicadas: Rl bv. viciae 3841 y dos genomas de Rl bv. trifolii (WSM1325 y WSM2304), ambos simbiontes de trébol. La secuencia genómica de Rlv UPM791 se ha determinado por medio de secuenciación 454. Este genoma tiene un tamaño aproximado de 7.8 Mb, organizado en un cromosoma y 5 replicones extracromosómicos, que incluyen un plásmido simbiótico de 405 kb. Este nuevo genoma se ha analizado en relación a las funciones simbióticas y adaptativas en comparación con los genomas completos de Rlv 3841 y Rl bv. trifolii WSM1325 y WSM2304. Mientras que los plásmidos pUPM791a y b se encuentran conservados, el plásmido simbiótico pUPM791c exhibe un grado de conservación muy bajo comparado con aquellos descritos en las otras cepas de Rl. Uno de los factores implicados en el establecimiento de la simbiosis es el sistema de comunicación intercelular conocido como Quorum Sensing (QS). El análisis del genoma de Rlv UPM791 ha permitido la identificación de dos sistemas tipo LuxRI mediados por señales de tipo N-acyl-homoserina lactonas (AHLs). El análisis mediante HPLC-MS ha permitido asociar las señales C6-HSL, C7-HSL y C8-HSL al sistema rhiRI, codificado en el plásmido simbiótico; mientras que el sistema cinRI, localizado en el cromosoma, produce 3OH-C14:1-HSL. Se ha identificado una tercera sintasa (TraI) codificada en el plásmido simbiótico, pero su regulador correspondiente se encuentra truncado debido a un salto de fase. Adicionalmente, se han encontrado tres reguladores de tipo LuxR-orphan que no presentan una sintasa LuxI asociada. El efecto potencial de las señales tipo AHL se ha estudiado mediante una estrategia de quorum quenching, la cual interfiere con los sistemas de QS de la bacteria. Esta estrategia está basada en la introducción del gen aiiA de Bacillus subtilis, que expresa constitutivamente una enzima lactonasa degradadora de AHLs. Para llevar a cabo el análisis en condiciones simbióticas, se ha desarrollado un sistema de doble marcaje que permite la identificación basado en los marcadores gusA y celB, que codifican para una enzima β–glucuronidasa y una β–galactosidasa termoestable, respectivamente. Los resultados obtenidos indican que Rlv UPM791 predomina sobre la cepa Rlv 3841 para la formación de nódulos en plantas de guisante. La baja estabilidad del plásmido que codifica para aiiA, no ha permitido obtener una conclusión definitiva sobre el efecto de la lactonasa AiiA en competitividad. Con el fin de analizar el significado y la regulación de la producción de moléculas señal tipo AHL, se han generado mutantes defectivos en cada uno de los dos sistemas de QS. Se ha llevado a cabo un análisis detallado sobre la producción de AHLs, formación de biofilm y simbiosis con plantas de guisante, veza y lenteja. El efecto de las deleciones de los genes rhiI y rhiR en Rlv UPM791 es más drástico en ausencia del plásmido pUPM791d. Mutaciones en cinI o cinRIS muestran tanto ausencia de señales, como producción exclusivamente de las de bajo peso molecular, respectivamente, producidas por el sistema rhiRI. Estas mutaciones mostraron un efecto importante en simbiosis. El sistema rhiRI se necesita para un comportamiento simbiótico normal. Además, mutantes cinRIS generaron nódulos blancos e ineficientes, mientras que el mutante cinI fue incapaz de producir nódulos en ninguna de las leguminosas utilizadas. Dicha mutación resultó en la inestabilización del plasmido simbiótico por un mecanismo dependiente de cinI que no ha sido aclarado. En general, los resultados obtenidos indican la existencia de un modelo de regulación dependiente de QS significativamente distinto a los que se han descrito previamente en otras cepas de R. leguminosarum, en las cuales no se había observado ningún fenotipo relevante en simbiosis. La regulación de la producción de AHLs Rlv UPM791 es un proceso complejo que implica genes situados en los plásmidos UPM791c y UPM791d, además de la señal 3-OH-C14:1-HSL. Finalmente, se ha identificado un transportador de tipo RND, homologo a mexAB-oprM de P. aeruginosa e implicado en la extrusión de AHLs de cadena larga. La mutación he dicho transportador no tuvo efectos apreciables sobre la simbiosis. ABSTRACT Rhizobium leguminosarum (Rl) is a soil alpha-proteobacterium that establishes a diazotrophic symbiosis with different legumes. Despite the importance of this symbiosis to the global nitrogen cycling balance, very few rhizobial genomes have been sequenced so far which provide new insights into the genetic features contributing to symbiotically relevant processes. Only three complete sequences of Rl strains have been published: Rl bv. viciae 3841, harboring six plasmids (7.75 Mb) and two Rl bv. trifolii (WSM1325 and WSM2304), both clover symbionts, harboring 5 and 4 plasmids, respectively (7.41 and 6.87 Mb). The genomic sequence of Rlv UPM791 was undertaken by means of 454 sequencing. Illumina and Sanger reads were used to improve the assembly, leading to 17 final contigs. This genome has an estimated size of 7.8 Mb organized in one chromosome and five extrachromosomal replicons, including a 405 kb symbiotic plasmid. Four of these plasmids are already closed, whereas there are still gaps in the smallest one (pUPM791d) due to the presence of insertion elements and repeated sequences, which difficult the assembly. The annotation has been carried out thanks to the Manatee pipeline. This new genome has been analyzed as regarding symbiotic and adaptive functions in comparison to the Rlv 3841 complete genome, and to those from Rl bv. trifolii strains WSM1325 and WSM2304. While plasmids pUPM791a and b are conserved, the symbiotic plasmid pUPM791c exhibited the lowest degree of conservation as compared to those from the other Rl strains. One of the factors involved in the symbiotic process is the intercellular communication system known as Quorum Sensing (QS). This mechanism allows bacteria to carry out diverse biological processes in a coordinate way through the production and detection of extracellular signals that regulate the transcription of different target genes. Analysis of the Rlv UPM791 genome allowed the identification of two LuxRI-like systems mediated by N-acyl-homoserine lactones (AHLs). HPLC-MS analysis allowed the adscription of C6-HSL, C7-HSL and C8-HSL signals to the rhiRI system, encoded in the symbiotic plasmid, whereas the cinRI system, located in the chromosome, produces 3OH-C14:1-HSL, previously described as “bacteriocin small”. A third synthase (TraI) is encoded also in the symbiotic plasmid, but its cognate regulator TraR is not functional due to a fameshift mutation. Three additional LuxR orphans were also found which no associated LuxI-type synthase. The potential effect of AHLs has been studied by means of a quorum quenching approach to interfere with the QS systems of the bacteria. This approach is based upon the introduction into the strains Rl UPM791 and Rl 3841 of the Bacillus subtilis gene aiiA expressing constitutively an AHL-degrading lactonase enzyme which led to virtual absence of AHL even when AiiA-expressing cells were a fraction of the total population. No significant effect of AiiA-mediated AHL removal on competitiveness for growth in solid surface was observed. For analysis under symbiotic conditions we have set up a two-label system to identify nodules produced by two different strains in pea roots, based on the markers gusA and celB, encoding a β–glucuronidase and a thermostable β–galactosidase enzymes, respectively. The results obtained show that Rlv UPM791 outcompetes Rlv 3841 for nodule formation in pea plants, and that the presence of the AiiA plasmid does not significantly affect the relative competitiveness of the two Rlv strains. However, the low stability of the pME6863 plasmid, encoding aiiA, did not lead to a clear conclusion about the AiiA lactonase effect on competitiveness. In order to further analyze the significance and regulation of the production of AHL signal molecules, mutants deficient in each of the two QS systems were constructed. A detailed analysis of the effect of these mutations on AHL production, biofilm formation and symbiosis with pea, vetch and lentil plants has been carried out. The effect of deletions on Rlv UPM791 rhiI and rhiR genes is more pronounced in the absence of plasmid pUPM791d, as no signal is detected in UPM791.1, lacking this plasmid. Mutations in cinI or cinRIS show either no signals, or only the small ones produced by the rhiRI system, suggesting that cinR might be regulating the rhiRI system. These mutations had a strong effect on symbiosis. Analysis of rhi mutants revealed that rhiRI system is required for normal symbiotic performance, as a drastic reduction of symbiotic fitness is observed when rhiI is deleted, and rhiR is essential for nitrogen fixation in the absence of plasmid pUPM791d. Furthermore, cinRIS mutants resulted in white and inefficient nodules, whereas cinI mutant was unable to form nodules on any legume tested. The latter mutation is associated to the instabilization of the symbiotic plasmid through a mechanism still uncovered. Overall, the results obtained indicate the existence of a model of QS-dependent regulation significantly different to that previously described in other R. leguminosarum strains, where no relevant symbiotic phenotype had been observed. The regulation of AHL production in Rlv UPM791 is a complex process involving the symbiotic plasmid (pUPM791c) and the smallest plasmid (pUPM791d), with a key role for the 3-OH-C14:1-HSL signal. Finally, we made a search for potential AHL transporters in Rlv UPM791 genome. These signals diffuse freely across membranes, but in the case of the long-chain AHLs an active efflux system might be required, as it has been described for C12-HSL in the case of Pseudomonas aeruginosa. We have identified a putative AHL transporter of the RND family homologous to P. aeruginosa mexAB-oprM. A mutant strain deficient in this transporter has been generated, and TLC analysis shows absence of 3OH-C14:1-HSL in its supernatant. This deficiency was complemented by the reintroduction of an intact copy of the genes via plasmid transfer. The mutation in mexAB genes had no significant effects on the symbiotic performance of R. leguminosarum bv. viciae.

Quorum Sensing is essential for an effective symbiosis in R. leguminosarum UPM791.

The implications of Quorum Sensing in the establishment of a successful symbiosis of Rhizobium leguminosarum bv. viciae (Rlv) with legume plants are discussed in this work. In order to analyze the significance and regulation of the production of AHL signal molecules, mutants deficient in each of the two QS systems present in Rlv UPM791 were constructed. A detailed analysis of the effect of these mutations on growth, AHL production, biofilm formation and symbiosis with pea, vetch and lentil plants has been carried out.

Efecto de los sistemas de Quorum Sensing sobre la eficiencia simbiótica de R. leguminosarum UPM791

Rhizobium leguminosarum bv viciae (Rlv) es una alfa-proteobacteria capaz de establecer una simbiosis diazotrófica con distintas leguminosas. Uno de los factores implicados en el establecimiento de la simbiosis es el sistema de comunicación intercelular conocido como Quorum Sensing (QS). Mediante este sistema, las bacterias actúan de manera coordinada en respuesta a cambios en la densidad de población a través de la producción y detección de señales extracelulares. El genoma de Rlv UPM791 contiene dos sistemas tipo luxRI mediados por señales de tipo N-acyl-homoserina lactonas (AHLs): el sistema rhiRI, codificado en el plásmido simbiótico, produce C6-HSL, C7-HSL y C8-HSL; y el sistema cinRI, localizado en el cromosoma, produce 3-OH-C14:1-HSL. Con el fin de analizar el significado y la regulación de los sistemas de QS en esta bacteria endosimbiótica se generaron mutantes defectivos en cada uno de los sistemas de QS, y se llevó a cabo un análisis detallado sobre la producción de AHLs y la simbiosis con plantas de guisante, veza y lenteja. El sistema rhiRI se necesita para un comportamiento simbiótico normal, dado que la mutación en rhiI reduce considerablemente la eficiencia simbiótica. rhiR es esencial para la fijación de nitrógeno en ausencia del plásmido pUPM791d. Asimismo, mutaciones en el sistema cinRIS mostraron también un importante efecto en simbiosis. El mutante ?cinRIS no produce la señal 3-OH-C14:1-HSL, y da lugar a nódulos blancos e inefectivos, carentes de bacteroides. El mutante ?cinI, incapaz de producir AHLs, no forma nódulos en ninguna de las leguminosas utilizadas. El análisis genético reveló que dicha mutación origina la inestabilización del plásmido simbiótico por un mecanismo dependiente de cinI que no ha sido aclarado. Los resultados obtenidos sugieren un papel relevante de los sistemas de Quorum Sensing de Rlv UPM791 en los primeros estadíos de la simbiosis, e indican la existencia de un modelo de regulación dependiente de QS significativamente distinto a los que se han descrito previamente en otras cepas de R. leguminosarum.

Biomolecular interaction analysis of gestrinone-anti-gestrinone using arrays of high aspect ratio SU-8 nanopillars

In this paper, label-free biosensing for antibody screening by periodic lattices of high-aspect ratio SU-8 nano-pillars (BICELLs) is presented. As a demonstration, the determination of anti-gestrinone antibodies from whole rabbit serum is carried out, and for the first time, the dissociation constant (KD = 6 nM) of antigen-antibody recognition process is calculated using this sensing system. After gestrinone antigen immobilization on the BICELLs, the immunorecognition was performed. The cells were interrogated vertically by using micron spot size Fourier transform visible and IR spectrometry (FT-VIS-IR), and the dip wavenumber shift was monitored. The biosensing assay exhibited good reproducibility and sensitivity (LOD = 0.75 ng/mL).

Wearable soft robotic device for post-stroke shoulder rehabilitation: identifying misalignments

Stroke is the leading cause of long-term disability in the United States, affecting over 795,000 people annually. In order to regain motor function of the upper body, patients are usually treated by regular sessions with a dedicated physical therapist. A cost-effective wearable upper body orthotics system that can be used at home to empower both the patients and physical therapists is described. The system is composed of a thin, compliant, lightweight, cost-effective soft orthotic device with an integrated cable actuation system that is worn over the upper body, an embedded limb position sensing system, an electric actuator package and controller. The proposed device is robust to misalignments that may occur during actuation of the compliant brace or when putting on the system. Through simulations and experimental evaluation, it was demonstrated i) that the soft orthotic cable-driven shoulder brace can be successfully actuated without the production of off-axis torques in the presence of misalignments and ii) that the proposed model can identify linear and angular misalignments online.

Estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para detección de vibraciones en ductos ascendentes submarinos

En esta tesis doctoral se describe el trabajo de investigación enfocado al estudio y desarrollo de sensores de fibra óptica para la detección de presión, flujo y vibraciones en ductos ascendentes submarinos utilizados en la extracción y transporte de hidrocarburos, con el objetivo de aplicarlos en los campos de explotación de aguas profundas en el Golfo de México pertenecientes a la Industria Petrolera Mexicana. El trabajo se ha enfocado al estudio y desarrollo de sensores ópticos cuasi distribuidos y distribuidos. En especial se ha profundizado en el uso y aplicación de las redes de Bragg (FBG) y de reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo sensible a la fase (φ-OTDR). Los sensores de fibra óptica son especialmente interesantes para estas aplicaciones por sus ventajosas características como su inmunidad a interferencias electromagnéticas, capacidad de multiplexado, fiabilidad para trabajar en ambientes hostiles, altas temperaturas, altas presiones, ambientes salino-corrosivos, etc. Además, la fibra óptica no solo es un medio sensor sino que puede usarse como medio de transmisión. Se ha realizado un estudio del estado del arte y las ventajas que presentan los sensores ópticos puntuales, cuasi-distribuidos y distribuidos con respecto a los sensores convencionales. Se han estudiado y descrito los interrogadores de redes de Bragg y se ha desarrollado un método de calibración útil para los interrogadores existentes en el mercado, consiguiendo incertidumbres en la medida de la longitud de onda menores de ± 88 nm e incertidumbres relativas (la mas interesante en el campo de los sensores) menores de ±3 pm. Centrándose en la aplicación de las redes de Bragg en la industria del petróleo, se ha realizado un estudio en detalle del comportamiento que presentan las FBGs en un amplio rango de temperaturas de -40 ºC a 500 oC. Como resultado de este estudio se han evaluado las diferencias en los coeficientes de temperatura en diversos tramos de mas mismas, así como para diferentes recubrimientos protectores. En especial se ha encontrado y evaluado las diferencias de los diferentes recubrimientos en el intervalo de temperaturas entre -40 ºC y 60 ºC. En el caso del intervalo de altas temperaturas, entre 100 ºC y 500 ºC, se ha medido y comprobado el cambio uniforme del coeficiente de temperatura en 1pm/ºC por cada 100 ºC de aumento de temperatura, en redes independientemente del fabricante de las mismas. Se ha aplicado las FBG a la medición de manera no intrusiva de la presión interna en una tubería y a la medición del caudal de un fluido en una tubería, por la medida de diferencia de presión entre dos puntos de la misma. Además se ha realizado un estudio de detección de vibraciones en tuberías con fluidos. Finalmente, se ha implementado un sistema de detección distribuida de vibraciones aplicable a la detección de intrusos en las proximidades de los ductos, mediante un φ-OTDR. En este sistema se ha estudiado el efecto negativo de la inestabilidad de modulación que limita la detección de vibraciones distribuidas, su sensibilidad y su alcance. ABSTRACT This thesis describes the research work focused for the study and development of on optical fiber sensors for detecting pressure, flow and vibration in subsea pipes used in the extraction and transportation of hydrocarbons, in order to apply them in deepwater fields in the Gulf of Mexico belonging to the Mexican oil industry. The work has focused on the study and development of optical sensors distributed and quasi distributed. Especially was done on the use and application of fiber Bragg grating (FBG) and optical reflectometers time domain phase sensitive (φ-OTDR). The optical fiber sensors especially are interesting for these applications for their advantageous characteristics such as immunity to electromagnetic interference, multiplexing capability, reliability to work in harsh environments, high temperatures, high pressures, corrosive saline environments, etc. Furthermore, the optical fiber is not only a sensor means it can be used as transmission medium. We have performed a study of the state of the art and the advantages offered by optical sensors point, quasi-distributed and distributed over conventional sensors. Have studied and described interrogators Bragg grating and has developed a calibration method for interrogators useful for the existing interrogators in the market, resulting uncertainty in the measurement of the wavelength of less than ± 0.17 nm and uncertainties (the more interesting in the field of sensors) less than ± 3 pm. Focusing on the application of the Bragg gratings in the oil industry, has been studied in detail the behavior of the FBGs in a wide range of temperatures from -40 °C to 500 oC. As a result of this study we have evaluated the difference in temperature coefficients over various sections of the same, as well as different protective coatings. In particular evaluated and found the differences coatings in the range of temperatures between -40 º C and 60 º C. For the high temperature range between 20 ° C and 500 ° C, has been measured and verified the uniform change of the temperature coefficient at 1pm / ° C for each 100 ° C increase in temperature, in networks regardless of manufacturer thereof. FBG is applied to the non-intrusive measurement of internal pressure in a pipeline and measuring flow of a fluid in a pipe, by measuring the pressure difference between two points thereof. Therefore, has also made a study of detecting vibrations in pipes with fluids. Finally, we have implemented a distributed sensing system vibration applied to intrusion detection in the vicinity of the pipelines, by φ-OTDR. In this system we have studied the negative effect of modulation instability limits the distributed vibration detection, sensitivity and scope.

Estudio de la adherencia de armaduras corroídas y su influencia en la capacidad resistente de elementos de hormigón armado

La verificación de la seguridad estructural, tanto de estructuras que permitan un cierto grado de deterioro en su dimensionado como de estructuras existentes deterioradas, necesita disponer de modelos de resistencia que tengan en cuenta los efectos del deterioro. En el caso de la corrosión de las armaduras en las estructuras de hormigón armado, la resistencia depende de múltiples factores tales como la sección del acero corroído, el diagrama tensión-deformación del acero corroído, la adherencia hormigón-acero corroído, la fisuración o desprendimiento del hormigón debido a la expansión de los productos de corrosión. En este sentido, la transferencia de las fuerzas a través de la superficie de contacto entre el hormigón y el acero, la adherencia, es uno de los aspectos más importantes a considerar y es la base del comportamiento del hormigón armado como elemento estructural. La adherencia debe asegurar el anclaje de las armaduras y transmitir la tensión tangencial que aparece en las mismas como consecuencia de la variación de las solicitaciones a lo largo de un elemento estructural. Como consecuencia de la corrosión de las armaduras, el desarrollo de la adherencia se altera y, por tanto, la transferencia de la tensión longitudinal. Esta Tesis Doctoral aborda el comportamiento en estado límite último de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. El objetivo principal es la obtención de un modelo suficientemente realista y fiable para la evaluación de la adherencia con armaduras corroídas en el marco de la verificación de la seguridad estructural de elementos de hormigón armado con armaduras corroídas. Para ello se ha llevado a cabo un programa experimental de ensayos tipo pull-out excéntricos, con diferentes probetas, unas sin corrosión y otras sometidas tanto a procesos de corrosión natural como a procesos de corrosión acelerada, con diferentes grados de deterioro. Este tipo de ensayo de adherencia representa de forma realista y fiable realista los esfuerzos de adherencia en la zona de anclaje. Por otra parte, para la realización de estos ensayos se ha puesto a punto, además del procedimiento de ensayo, un sistema de adquisición de datos entre los que se incluye el empleo de sensores de tipo fibra óptica con redes de Bragg embebidos en la armadura para determinar los parámetros representativos de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. Por otra parte, la recopilación de los datos de los estudios de adherencia con armaduras corroídas procedentes de la literatura científica, además de los resultados de la presente investigación, junto con la identificación de las variables relevantes en el comportamiento de la adherencia con armaduras sanas y corroídas ha servido para la obtención de una formulación realista y fiable para la evaluación conjunta de la adherencia con armaduras sanas y corroídas a partir de modelos de regresión múltiple. La formulación propuesta ha sido validada mediante criterios estadísticos y comparada con otras formulaciones propuestas en la literatura científica. Además se ha realizado un análisis de las variables influyentes de la formulación propuesta. También se ha obtenido un modelo numérico simple y eficiente, validado con alguno de los ensayos realizados en esta tesis, para simular la adherencia con armaduras sanas y corroídas. Finalmente, se presenta un procedimiento para realizar la evaluación de vigas deterioradas por corrosión mediante el método de los campos de tensiones que incluye la evaluación de la adherencia mediante la formulación sugerida en esta Tesis Doctoral. Las conclusiones alcanzadas en este trabajo han permitido evaluar la adherencia con armaduras corroídas de forma realista y fiable. Asimismo, se ha podido incluir la evaluación de la adherencia en el marco de la verificación de la seguridad estructural en elementos de hormigón armado deteriorados por corrosión. ABSTRACT Structural safety verification of both structures allowing a certain degree of deterioration in design and deteriorated existing structures needs strength models that factor in the effects of deterioration. In case of corrosion of steel bars in reinforced concrete structures, the resistance depends on many things such as the remaining cross-section of the corroded reinforcement bars, the stress-strain diagrams of steel, the concrete-reinforcement bond and corrosion-induced concrete cracking or spalling. Accordingly, the force transfer through the contact surface between concrete and reinforcement, bond, is one of the most important aspects to consider and it is the basis of the structural performance of reinforced concrete. Bond must assure anchorage of reinforcement and transmit shear stresses as a consequence of the different stresses along a structural element As a consequence of corrosion, the bond development may be affected and hence the transfer of longitudinal stresses. This PhD Thesis deals with ultimate limit state bond behaviour in structural concrete with corrode steel bars. The main objective is to obtain a realistic and reliable model for the assessment of bond within the context of structural safety verifications of reinforced concrete members with corroded steel bars. In that context, an experimental programme of eccentric pull-out tests were conducted, with different specimens, ones without corrosion and others subjected to accelerated or natural corrosion with different corrosion degrees. This type of bond test reproduces in a realistic and reliable way bond stresses in the anchorage zone. Moreover, for conducting these tests it was necessary to develop both a test procedure and also a data acquisition system including the use of an embedded fibre-optic sensing system with fibre Bragg grating sensors to obtain the representative parameters of bond strength in structural concrete with corroded steel bars. Furthermore, the compilation of data from bond studies with corroded steel bars from scientific literature, including tests conducted in the present study, along with the identification of the relevant variables influencing bond behaviour for both corroded and non-corroded steel bars was used to obtain a realistic and reliable formulation for bond assessment in corroded and non-corroded steel bars by multiple linear regression analysis. The proposed formulation was validated with a number of statistical criteria and compared to other models from scientific literature. Moreover, an analysis of the influencing variables of the proposed formulation has been performed. Also, a simplified and efficient numerical model has been obtained and validated with several tests performed in this PhD Thesis for simulating the bond in corroded and non-corroded steel bars. Finally, a proposal for the assessment of corrosion-damaged beams with stress field models including bond assessment with the proposed formulation is presented. The conclusions raised in this work have allowed a realistic and reliable bond assessment in corroded steel bars. Furthermore, bond assessment has been included within the context of structural safety verifications in corrosion-damaged reinforced concrete elements.

Novel system for bite-force sensing and monitoring based on magnetic eear field communication

Intraoral devices for bite-force sensing have several applications in odontology and maxillofacial surgery, as bite-force measurements provide additional information to help understand the characteristics of bruxism disorders and can also be of help for the evaluation of post-surgical evolution and for comparison of alternative treatments. A new system for measuring human bite forces is proposed in this work. This system has future applications for the monitoring of bruxism events and as a complement for its conventional diagnosis. Bruxism is a pathology consisting of grinding or tight clenching of the upper and lower teeth, which leads to several problems such as lesions to the teeth, headaches, orofacial pain and important disorders of the temporomandibular joint. The prototype uses a magnetic field communication scheme similar to low-frequency radio frequency identification (RFID) technology (NFC). The reader generates a low-frequency magnetic field that is used as the information carrier and powers the sensor. The system is notable because it uses an intra-mouth passive sensor and an external interrogator, which remotely records and processes information regarding a patient?s dental activity. This permits a quantitative assessment of bite-force, without requiring intra-mouth batteries, and can provide supplementary information to polysomnographic recordings, current most adequate early diagnostic method, so as to initiate corrective actions before irreversible dental wear appears. In addition to describing the system?s operational principles and the manufacture of personalized prototypes, this report will also demonstrate the feasibility of the system and results from the first in vitro and in vivo trials.

Effect of impacting radius of curvature on firmness sensing of fruits in a sorting system.

Fruits of two varieties of both apples and pear were tested to measure their response to small energy impact applied by a impact tester with two spherical tips of different radious of curvature ( RA = 2.48 cm and RB = 0.98 cm) and equal mass were used. In the four varieties studied, the size of bruise was smaller with a spherical tip RA than with tip RB . The non-destructive impact test would cause less damage with a spherical impactor with a radious bigger than 0.98 cm.

System Engineering Approach to Initial Design of LEO Remote Sensing Missions

The satellite remote sensing missions are essential for long-term research around the condition of the earth resources and environment. On the other hand, in recent years the application of microsatellites is of interest in many space programs for their less cost and response time. In microsatellite remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole system level design characteristics. In this work, the remote sensing microsatellite sizing process is divided into three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. Finally, some specific design cases are investigated inside the design space for evaluating the effect of different design variables on the satellite total mass. Considering the results of the work, it is concluded that applying a systematic approach at the initial design phase of such projects provides a good insight to the not clearly seen interactions inside their highly extended design space

Development of a visual object tracking system using a compressive sensing framework for modeling the appearance

En el presente trabajo se aborda el problema del seguimiento de objetos, cuyo objetivo es encontrar la trayectoria de un objeto en una secuencia de video. Para ello, se ha desarrollado un método de seguimiento-por-detección que construye un modelo de apariencia en un dominio comprimido usando una nueva e innovadora técnica: “compressive sensing”. La única información necesaria es la situación del objeto a seguir en la primera imagen de la secuencia. El seguimiento de objetos es una aplicación típica del área de visión artificial con un desarrollo de bastantes años. Aun así, sigue siendo una tarea desafiante debido a varios factores: cambios de iluminación, oclusión parcial o total de los objetos y complejidad del fondo de la escena, los cuales deben ser considerados para conseguir un seguimiento robusto. Para lidiar lo más eficazmente posible con estos factores, hemos propuesto un algoritmo de tracking que entrena un clasificador Máquina Vector Soporte (“Support Vector Machine” o SVM en sus siglas en inglés) en modo online para separar los objetos del fondo de la escena. Con este fin, hemos generado nuestro modelo de apariencia por medio de un descriptor de características muy robusto que describe los objetos y el fondo devolviendo un vector de dimensiones muy altas. Por ello, se ha implementado seguidamente un paso para reducir la dimensionalidad de dichos vectores y así poder entrenar nuestro clasificador en un dominio mucho menor, al que denominamos domino comprimido. La reducción de la dimensionalidad de los vectores de características se basa en la teoría de “compressive sensing”, que dice que una señal con poca dispersión (pocos componentes distintos de cero) puede estar bien representada, e incluso puede ser reconstruida, a partir de un conjunto muy pequeño de muestras. La teoría de “compressive sensing” se ha aplicado satisfactoriamente en este trabajo y diferentes técnicas de medida y reconstrucción han sido probadas para evaluar nuestros vectores reducidos, de tal forma que se ha verificado que son capaces de preservar la información de los vectores originales. También incluimos una actualización del modelo de apariencia del objeto a seguir, mediante el reentrenamiento de nuestro clasificador en cada cuadro de la secuencia con muestras positivas y negativas, las cuales han sido obtenidas a partir de la posición predicha por el algoritmo de seguimiento en cada instante temporal. El algoritmo propuesto ha sido evaluado en distintas secuencias y comparado con otros algoritmos del estado del arte de seguimiento, para así demostrar el éxito de nuestro método.

Random-modulation cw lidar system for space-borne carbon dioxide remote sensing based on a high-brightness semiconductor laser

In this paper, we report on the progresses of the BRITESPACE Consortium in order to achieve space-borne LIDAR measurements of atmospheric carbon dioxide concentration based on an all semiconductor laser source at 1.57 ?m. The complete design of the proposed RM-CW IPDA LIDAR has been presented and described in detail. Complete descriptions of the laser module and the FSU have been presented. Two bended MOPAs, emitting at the sounding frequency of the on- and off- IPDA channels, have been proposed as the transmitter optical sources with the required high brightness. Experimental results on the bended MOPAs have been presented showing a high spectral purity and promising expectations on the high output power requirements. Finally, the RM-CW approach has been modelled and an estimation of the expected SNR for the entire system is presented. Preliminary results indicate that a CO2 retrieval precision of 1.5 ppm could be achieved with an average output power of 2 W for each channel.

Aerial Remote Sensing in Agriculture: A Practical Approach to Area Coverage and Path Planning for Fleets of Mini Aerial Robots

In this paper, a system that allows applying precision agriculture techniques is described. The application is based on the deployment of a team of unmanned aerial vehicles that are able to take georeferenced pictures in order to create a full map by applying mosaicking procedures for postprocessing. The main contribution of this work is practical experimentation with an integrated tool. Contributions in different fields are also reported. Among them is a new one-phase automatic task partitioning manager, which is based on negotiation among the aerial vehicles, considering their state and capabilities. Once the individual tasks are assigned, an optimal path planning algorithm is in charge of determining the best path for each vehicle to follow. Also, a robust flight control based on the use of a control law that improves the maneuverability of the quadrotors has been designed. A set of field tests was performed in order to analyze all the capabilities of the system, from task negotiations to final performance. These experiments also allowed testing control robustness under different weather conditions.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Unattended motion detection system based on the mammalian retina

Sensing systems in living bodies offer a large variety of possible different configurations and philosophies able to be emulated in artificial sensing systems. Motion detection is one of the areas where different animals adopt different solutions and, in most of the cases, these solutions reflect a very sophisticated form. One of them, the mammalian visual system, presents several advantages with respect to the artificial ones. The main objective of this paper is to present a system, based on this biological structure, able to detect motion, its sense and its characteristics. The configuration adopted responds to the internal structure of the mammalian retina, where just five types of cells arranged in five layers are able to differentiate a large number of characteristics of the image impinging onto it. Its main advantage is that the detection of these properties is based purely on its hardware. A simple unit, based in a previous optical logic cell employed in optical computing, is the basis for emulating the different behaviors of the biological neurons. No software is present and, in this way, no possible interference from outside affects to the final behavior. This type of structure is able to work, once the internal configuration is implemented, without any further attention. Different possibilities are present in the architecture to be presented: detection of motion, of its direction and intensity. Moreover, some other characteristics, as symmetry may be obtained.