Diseño de una práctica para un laboratorio virtual de biotecnología multilingüe y adaptable a alumnos de secundaria

Este trabajo describe el diseño y la implementación de un ejercicio virtual que es parte de una práctica que se realiza en un laboratorio virtual de biotecnología, la adaptación de la misma para que alumnos de secundaria la puedan realizar y por último, la adaptación del laboratorio a un entorno multilingüe. La práctica consiste en transformar genéticamente un árbol (chopo) para dotarlo de una mayor resistencia a enfermedades, especialmente las producidas por hongos y más en concreto, el ejercicio o fase de la práctica a desarrollar consiste en introducir en el plásmido un gen amplificado por la PCR obtenido en la fase anterior de la práctica virtual. La adaptación para alumnos de secundaria servirá para fomentar el interés de estos alumnos por la biotecnología. Asimismo, la adaptación a un entorno multilingüe permitirá que varios alumnos de distintos idiomas realicen la práctica de forma simultánea. Como parte de este trabajo, se ha realizado un análisis sobre OpenSimulator, que es la herramienta utilizada para la creación del entorno virtual, así como de sus visores gráficos para visitar y desarrollar el mundo virtual. Debido a que este proyecto toma como punto de partida un laboratorio virtual con una parte de la práctica virtual ya desarrollada, se ha incluido una descripción de dicho laboratorio para comprender mejor el trabajo que se ha realizado en este proyecto. Finalmente, en este trabajo se presentan los modelos y especificaciones para la extensión del laboratorio virtual. ---ABSTRACT---This document describes the design and implementation of virtual exercise that is part of a practice that is performed in a virtual biotechnology laboratory, the adaptation of this phase to high-school students and finally, the adaptation of laboratory for a multilingual environment. In this practice a tree is genetically modified to give it resistance to diseases produced by fungi. Specifically, the exercise or phase developed consists in introducing in the plasmid a gene amplified by PCR in the previous phase. The adaptation for high-school students will motivate to new students about biotechnology. And the adapting to the multilingual environment will allow several students, such as Erasmus, to do the practice in different languages simultaneously. We analyzed the OpenSimulator platform and the graphic viewers to visit and develop the virtual world. This tool is used for creating the virtual environment. Because of the fact that the project takes a starting point a laboratory with some parts already developed, we have included a description with information related to the laboratory to better understand the work carried out in this project. Finally, this document presents the models and specifications for the extension of the virtual laboratory.

Building memristor applications: from device model to circuit design

Since the memristor was first built in 2008 at HP Labs, no end of devices and models have been presented. Also, new applications appear frequently. However, the integration of the device at the circuit level is not straightforward, because available models are still immature and/or suppose high computational loads, making their simulation long and cumbersome. This study assists circuit/systems designers in the integration of memristors in their applications, while aiding model developers in the validation of their proposals. We introduce the use of a memristor application framework to support the work of both the model developer and the circuit designer. First, the framework includes a library with the best-known memristor models, being easily extensible with upcoming models. Systematic modifications have been applied to these models to provide better convergence and significant simulations speedups. Second, a quick device simulator allows the study of the response of the models under different scenarios, helping the designer with the stimuli and operation time selection. Third, fine tuning of the device including parameters variations and threshold determination is also supported. Finally, SPICE/Spectre subcircuit generation is provided to ease the integration of the devices in application circuits. The framework provides the designer with total control overconvergence, computational load, and the evolution of system variables, overcoming usual problems in the integration of memristive devices.

Using pMOS Pass-Gates to Boost SRAM Performance by Exploiting Strain Effects in Sub-20-nm FinFET Technologies

Strained fin is one of the techniques used to improve the devices as their size keeps reducing in new nanoscale nodes. In this paper, we use a predictive technology of 14 nm where pMOS mobility is significantly improved when those devices are built on top of long, uncut fins, while nMOS devices present the opposite behavior due to the combination of strains. We explore the possibility of boosting circuit performance in repetitive structures where long uncut fins can be exploited to increase fin strain impact. In particular, pMOS pass-gates are used in 6T complementary SRAM cells (CSRAM) with reinforced pull-ups. Those cells are simulated under process variability and compared to the regular SRAM. We show that when layout dependent effects are considered the CSRAM design provides 10% to 40% faster access time while keeping the same area, power, and stability than a regular 6T SRAM cell. The conclusions also apply to 8T SRAM cells. The CSRAM cell also presents increased reliability in technologies whose nMOS devices have more mismatch than pMOS transistors.

La construcción de un puente en el siglo XVIII : puente de Neuilly Jean-Rodolphe Perronet = der bau einer brücke im 18. Jahrhundert : die brücke von Neuilly, Jean-Rodolphe Perronet

A comienzos de diciembre de 1996, Javier León, uno de los autores, impartió una conferencia en esta Escuela ante una inesperadamente grande e interesada audiencia de profesores y alumnos de todos los cursos. El tema central de aquella intervención era La construcción de un puente en el siglo XVIII, basado en el trabajo de J.R. Perronet, fundador de la Ecole des Ponts et Chaussées de Paris, precedente inmediato de nuestra Escuela de Caminos y Canales que fundara Agustín de Bediencourt en 1802. Los asistentes manifestaron un gran interés, que comparto, por las cuestiones históricas relacionadas con nuestra profesión, que comprende no sólo puentes, sino puertos, faros, canales y edificios como catedrales o torres. Su estudio debe contemplarse desde ángulos complementarios, es decir, técnicos, académicos y humanísticos, en la medida en que la obligación de mantener las joyas estructurales del pasado enseña mucho acerca del comportamiento de las de hoy. No podrían concebirse las grandes estructuras de estadios y palacios de congresos si no hubieran existido los teatros romanos o las catedrales medievales, ni se entenderían las estructuras metálicas de los siglos XIX y XX sin los precedentes de las estructuras de madera de la antigüedad. Su análisis en profundidad requiere la puesta al día de las técnicas de nuestros antepasados, que debemos conocer, como recuerda este libro que me honro en prologar. Esto comporta compilar, enseñar y practicar. Qué duda cabe que facilita enormemente las cosas (incluso las condiciona) el hecho de poseer una formación humanística que permita entender el momento histórico en que se ejecutaron tales estructuras. Ni siquiera estas cuestiones se circunscriben al ámbito local (regional o español), trascienden a nuestra vieja Europa en un sentimiento compartido de interés y de necesidad. En particular, es reseñable el enorme impulso que han dado algunas escuelas alemanas (Karlsruhe, Stuttgart, Munich, Aquisgrán, Dresde). Desde una sólida formación estructural y humanista, han conseguido estos equipos multidisciplinares poner a punto un conjunto de técnicas analíticas y constructivas que se han traducido en destacables ejemplos conocidos, como, por ejemplo, la reconstrucción y mantenimiento de edificios y estructuras tras la II Guerra Mundial. El conocimiento de los muchos textos disponibles, escritos mayoritariamente en alemán, no puede ser ignorado por los técnicos y, especialmente, por los alumnos de nuestras escuelas, cada vez más ávidos de intercambio con el exterior y, por fin, con mejor nivel de idiomas que la generación que les precede. (Merece una mención muy especial el creciente número de alumnos que, año tras año, eligen la asignatura de Alemán como idioma complementario. También crece el número de alumnos alemanes que, en virtud del programa Erasmus de intercambio, cursan sus últimos años de estudios en nuestra Escuela, con cuyo alto nivel de formación quedan satisfechos.) Por todas esas razones, contemplé con simpatía y creciente entusiasmo la iniciativa de los autores, quienes, sobre un texto en sí mismo interesante, han conseguido articular una sugerente propuesta de estudio ?tanto para el alumno como para el profesional en ejercicio? con un contenido humanista en el que idioma y lenguaje son, además, un hermoso componente práctico. Quisiera finalmente señalar que este libro es el primero de una colección que los autores están invitados a ir desarrollando, y ojala este ejemplo cunda y se siga ?entre profesores y alumnos? en otros campos. Nuestra Escuela, que posee unos fondos bibliográficos de enorme valor, verá encantada cómo éstos se difunden y cómo se configura una disciplina que la praxis, la profesión, exige ya en toda Europa.

VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Development of a sensorimotor algorithm able to deal with unforeseen pushes and its implementation based on VHDL

Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL is the title of my thesis which concludes my Bachelor Degree in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. It encloses the overall work I did in the Neurorobotics Research Laboratory from the Beuth Hochschule für Technik Berlin during my ERASMUS year in 2015. This thesis is focused on the field of robotics, specifically an electronic circuit called Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) and its control algorithm based on VHDL hardware description language. The reason that makes the CSL special resides in its ability to operate a motor both as a sensor and an actuator. This way, it is possible to achieve a balanced position in any of the robot joints (e.g. the robot manages to stand) without needing any conventional sensor. In other words, the back electromotive force (EMF) induced by the motor coils is measured and the control algorithm responds depending on its magnitude. The CSL circuit contains mainly an analog-to-digital converter (ADC) and a driver. The ADC consists on a delta-sigma modulation which generates a series of bits with a certain percentage of 1's and 0's, proportional to the back EMF. The control algorithm, running in a FPGA, processes the bit frame and outputs a signal for the driver. This driver, which has an H bridge topology, gives the motor the ability to rotate in both directions while it's supplied with the power needed. The objective of this thesis is to document the experiments and overall work done on push ignoring contractive sensorimotor algorithms, meaning sensorimotor algorithms that ignore large magnitude forces (compared to gravity) applied in a short time interval on a pendulum system. This main objective is divided in two sub-objectives: (1) developing a system based on parameterized thresholds and (2) developing a system based on a push bypassing filter. System (1) contains a module that outputs a signal which blocks the main Sensorimotor algorithm when a push is detected. This module has several different parameters as inputs e.g. the back EMF increment to consider a force as a push or the time interval between samples. System (2) consists on a low-pass Infinite Impulse Response digital filter. It cuts any frequency considered faster than a certain push oscillation. This filter required an intensive study on how to implement some functions and data types (fixed or floating point data) not supported by standard VHDL packages. Once this was achieved, the next challenge was to simplify the solution as much as possible, without using non-official user made packages. Both systems behaved with a series of interesting advantages and disadvantages for the elaboration of the document. Stability, reaction time, simplicity or computational load are one of the many factors to be studied in the designed systems. RESUMEN. Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL es un Proyecto de Fin de Grado (PFG) que concluye mis estudios en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. En él se documenta el trabajo de investigación que realicé en el Neurorobotics Research Laboratory de la Beuth Hochschule für Technik Berlin durante el año 2015 mediante el programa de intercambio ERASMUS. Este PFG se centra en el campo de la robótica y en concreto en un circuito electrónico llamado Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) y su algoritmo de control basado en lenguaje de modelado hardware VHDL. La particularidad del CSL reside en que se consigue que un motor haga las veces tanto de sensor como de actuador. De esta manera es posible que las articulaciones de un robot alcancen una posición de equilibrio (p.ej. el robot se coloca erguido) sin la necesidad de sensores en el sentido estricto de la palabra. Es decir, se mide la propia fuerza electromotriz (FEM) inducida sobre el motor y el algoritmo responde de acuerdo a su magnitud. El circuito CSL se compone de un convertidor analógico-digital (ADC) y un driver. El ADC consiste en un modulador sigma-delta, que genera una serie de bits con un porcentaje de 1's y 0's determinado, en proporción a la magnitud de la FEM inducida. El algoritmo de control, que se ejecuta en una FPGA, procesa esta cadena de bits y genera una señal para el driver. El driver, que posee una topología en puente H, provee al motor de la potencia necesaria y le otorga la capacidad de rotar en cualquiera de las dos direcciones. El objetivo de este PFG es documentar los experimentos y en general el trabajo realizado en algoritmos Sensorimotor que puedan ignorar fuerzas de gran magnitud (en comparación con la gravedad) y aplicadas en una corta ventana de tiempo. En otras palabras, ignorar empujones conservando el comportamiento original frente a la gravedad. Para ello se han desarrollado dos sistemas: uno basado en umbrales parametrizados (1) y otro basado en un filtro de corte ajustable (2). El sistema (1) contiene un módulo que, en el caso de detectar un empujón, genera una señal que bloquea el algoritmo Sensorimotor. Este módulo recibe diferentes parámetros como el incremento necesario de la FEM para que se considere un empujón o la ventana de tiempo para que se considere la existencia de un empujón. El sistema (2) consiste en un filtro digital paso-bajo de respuesta infinita que corta cualquier variación que considere un empujón. Para crear este filtro se requirió un estudio sobre como implementar ciertas funciones y tipos de datos (coma fija o flotante) no soportados por las librerías básicas de VHDL. Tras esto, el objetivo fue simplificar al máximo la solución del problema, sin utilizar paquetes de librerías añadidos. En ambos sistemas aparecen una serie de ventajas e inconvenientes de interés para el documento. La estabilidad, el tiempo de reacción, la simplicidad o la carga computacional son algunas de las muchos factores a estudiar en los sistemas diseñados. Para concluir, también han sido documentadas algunas incorporaciones a los sistemas: una interfaz visual en VGA, un módulo que compensa el offset del ADC o la implementación de una batería de faders MIDI entre otras.