Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Modelling of landslides propagation with SPH : effects of rheology and pore water pressure

El estudio desarrollado en este trabajo de tesis se centra en la modelización numérica de la fase de propagación de los deslizamientos rápidos de ladera a través del método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Este método tiene la gran ventaja de permitir el análisis de problemas de grandes deformaciones evitando operaciones costosas de remallado como en el caso de métodos numéricos con mallas tal como el método de los Elementos Finitos. En esta tesis, particular atención viene dada al rol que la reología y la presión de poros desempeñan durante estos eventos. El modelo matemático utilizado se basa en la formulación de Biot-Zienkiewicz v - pw, que representa el comportamiento, expresado en términos de velocidad del esqueleto sólido y presiones de poros, de la mezcla de partículas sólidas en un medio saturado. Las ecuaciones que gobiernan el problema son: • la ecuación de balance de masa de la fase del fluido intersticial, • la ecuación de balance de momento de la fase del fluido intersticial y de la mezcla, • la ecuación constitutiva y • una ecuación cinemática. Debido a sus propiedades geométricas, los deslizamientos de ladera se caracterizan por tener una profundidad muy pequeña frente a su longitud y a su anchura, y, consecuentemente, el modelo matemático mencionado anteriormente se puede simplificar integrando en profundidad las ecuaciones, pasando de un modelo 3D a 2D, el cual presenta una combinación excelente de precisión, sencillez y costes computacionales. El modelo propuesto en este trabajo se diferencia de los modelos integrados en profundidad existentes por incorporar un ulterior modelo capaz de proveer información sobre la presión del fluido intersticial a cada paso computacional de la propagación del deslizamiento. En una manera muy eficaz, la evolución de los perfiles de la presión de poros está numéricamente resuelta a través de un esquema explicito de Diferencias Finitas a cada nodo SPH. Este nuevo enfoque es capaz de tener en cuenta la variación de presión de poros debida a cambios de altura, de consolidación vertical o de cambios en las tensiones totales. Con respecto al comportamiento constitutivo, uno de los problemas principales al modelizar numéricamente deslizamientos rápidos de ladera está en la dificultad de simular con la misma ley constitutiva o reológica la transición de la fase de iniciación, donde el material se comporta como un sólido, a la fase de propagación donde el material se comporta como un fluido. En este trabajo de tesis, se propone un nuevo modelo reológico basado en el modelo viscoplástico de Perzyna, pensando a la viscoplasticidad como a la llave para poder simular tanto la fase de iniciación como la de propagación con el mismo modelo constitutivo. Con el fin de validar el modelo matemático y numérico se reproducen tanto ejemplos de referencia con solución analítica como experimentos de laboratorio. Finalmente, el modelo se aplica a casos reales, con especial atención al caso del deslizamiento de 1966 en Aberfan, mostrando como los resultados obtenidos simulan con éxito estos tipos de riesgos naturales. The study developed in this thesis focuses on the modelling of landslides propagation with the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) meshless method which has the great advantage of allowing to deal with large deformation problems by avoiding expensive remeshing operations as happens for mesh methods such as, for example, the Finite Element Method. In this thesis, special attention is given to the role played by rheology and pore water pressure during these natural hazards. The mathematical framework used is based on the v - pw Biot-Zienkiewicz formulation, which represents the behaviour, formulated in terms of soil skeleton velocity and pore water pressure, of the mixture of solid particles and pore water in a saturated media. The governing equations are: • the mass balance equation for the pore water phase, • the momentum balance equation for the pore water phase and the mixture, • the constitutive equation and • a kinematic equation. Landslides, due to their shape and geometrical properties, have small depths in comparison with their length or width, therefore, the mathematical model aforementioned can then be simplified by depth integrating the equations, switching from a 3D to a 2D model, which presents an excellent combination of accuracy, computational costs and simplicity. The proposed model differs from previous depth integrated models by including a sub-model able to provide information on pore water pressure profiles at each computational step of the landslide's propagation. In an effective way, the evolution of the pore water pressure profiles is numerically solved through a set of 1D Finite Differences explicit scheme at each SPH node. This new approach is able to take into account the variation of the pore water pressure due to changes of height, vertical consolidation or changes of total stress. Concerning the constitutive behaviour, one of the main issues when modelling fast landslides is the difficulty to simulate with the same constitutive or rheological model the transition from the triggering phase, where the landslide behaves like a solid, to the propagation phase, where the landslide behaves in a fluid-like manner. In this work thesis, a new rheological model is proposed, based on the Perzyna viscoplastic model, thinking of viscoplasticity as the key to close the gap between the triggering and the propagation phase. In order to validate the mathematical model and the numerical approach, benchmarks and laboratory experiments are reproduced and compared to analytical solutions when possible. Finally, applications to real cases are studied, with particular attention paid to the Aberfan flowslide of 1966, showing how the mathematical model accurately and successfully simulate these kind of natural hazards.

Auto-Emergencia de Comunicación Sintáctica en Entornos Estáticos y Dinámicos para Grupos de Robots mediante Evolución Gramatical y Aprendizaje por Refuerzo

La idea de dotar a un grupo de robots o agentes artificiales de un lenguaje ha sido objeto de intenso estudio en las ultimas décadas. Como no podía ser de otra forma los primeros intentos se enfocaron hacia el estudio de la emergencia de vocabularios compartidos convencionalmente por el grupo de robots. Las ventajas que puede ofrecer un léxico común son evidentes, como también lo es que un lenguaje con una estructura más compleja, en la que se pudieran combinar palabras, sería todavía más beneficioso. Surgen así algunas propuestas enfocadas hacia la emergencia de un lenguaje consensuado que muestre una estructura sintáctica similar al lenguaje humano, entre las que se encuentra este trabajo. Tomar el lenguaje humano como modelo supone adoptar algunas de las hipótesis y teorías que disciplinas como la filosofía, la psicología o la lingüística entre otras se han encargado de proponer. Según estas aproximaciones teóricas el lenguaje presenta una doble dimension formal y funcional. En base a su dimensión formal parece claro que el lenguaje sigue unas reglas, por lo que el uso de una gramática se ha considerado esencial para su representación, pero también porque las gramáticas son un dispositivo muy sencillo y potente que permite generar fácilmente estructuras simbólicas. En cuanto a la dimension funcional se ha tenido en cuenta la teoría quizá más influyente de los últimos tiempos, que no es otra que la Teoría de los Actos del Habla. Esta teoría se basa en la idea de Wittgenstein por la que el significado reside en el uso del lenguaje, hasta el punto de que éste se entiende como una manera de actuar y de comportarse, en definitiva como una forma de vida. Teniendo presentes estas premisas en esta tesis se pretende experimentar con modelos computacionales que permitan a un grupo de robots alcanzar un lenguaje común de manera autónoma, simplemente mediante interacciones individuales entre los robots, en forma de juegos de lenguaje. Para ello se proponen tres modelos distintos de lenguaje: • Un modelo basado en gramáticas probabilísticas y aprendizaje por refuerzo en el que las interacciones y el uso del lenguaje son claves para su emergencia y que emplea una gramática generativa estática y diseñada de antemano. Este modelo se aplica a dos grupos distintos: uno formado exclusivamente por robots y otro que combina robots y un humano, de manera que en este segundo caso se plantea un aprendizaje supervisado por humanos. • Un modelo basado en evolución gramatical que permite estudiar no solo el consenso sintáctico, sino también cuestiones relativas a la génesis del lenguaje y que emplea una gramática universal a partir de la cual los robots pueden evolucionar por sí mismos la gramática más apropiada según la situación lingüística que traten en cada momento. • Un modelo basado en evolución gramatical y aprendizaje por refuerzo que toma aspectos de los anteriores y amplia las posibilidades de los robots al permitir desarrollar un lenguaje que se adapta a situaciones lingüísticas dinámicas que pueden cambiar en el tiempo y también posibilita la imposición de restricciones de orden muy frecuentes en las estructuras sintácticas complejas. Todos los modelos implican un planteamiento descentralizado y auto-organizado, de manera que ninguno de los robots es el dueño del lenguaje y todos deben cooperar y colaborar de forma coordinada para lograr el consenso sintáctico. En cada caso se plantean experimentos que tienen como objetivo validar los modelos propuestos, tanto en lo relativo al éxito en la emergencia del lenguaje como en lo relacionado con cuestiones paralelas de importancia, como la interacción hombre-máquina o la propia génesis del lenguaje. ABSTRACT The idea of giving a language to a group of robots or artificial agents has been the subject of intense study in recent decades. The first attempts have focused on the development and emergence of a conventionally shared vocabulary. The advantages that can provide a common vocabulary are evident and therefore a more complex language that combines words would be even more beneficial. Thus some proposals are put forward towards the emergence of a consensual language with a sintactical structure in similar terms to the human language. This work follows this trend. Taking the human language as a model means taking some of the assumptions and theories that disciplines such as philosophy, psychology or linguistics among others have provided. According to these theoretical positions language has a double formal and functional dimension. Based on its formal dimension it seems clear that language follows rules, so that the use of a grammar has been considered essential for representation, but also because grammars are a very simple and powerful device that easily generates these symbolic structures. As for the functional dimension perhaps the most influential theory of recent times, the Theory of Speech Acts has been taken into account. This theory is based on the Wittgenstein’s idea about that the meaning lies in the use of language, to the extent that it is understood as a way of acting and behaving. Having into account these issues this work implements some computational models in order to test if they allow a group of robots to reach in an autonomous way a shared language by means of individual interaction among them, that is by means of language games. Specifically, three different models of language for robots are proposed: • A reinforcement learning based model in which interactions and language use are key to its emergence. This model uses a static probabilistic generative grammar which is designed beforehand. The model is applied to two different groups: one formed exclusively by robots and other combining robots and a human. Therefore, in the second case the learning process is supervised by the human. • A model based on grammatical evolution that allows us to study not only the syntactic consensus, but also the very genesis of language. This model uses a universal grammar that allows robots to evolve for themselves the most appropriate grammar according to the current linguistic situation they deal with. • A model based on grammatical evolution and reinforcement learning that takes aspects of the previous models and increases their possibilities. This model allows robots to develop a language in order to adapt to dynamic language situations that can change over time and also allows the imposition of syntactical order restrictions which are very common in complex syntactic structures. All models involve a decentralized and self-organized approach so that none of the robots is the language’s owner and everyone must cooperate and work together in a coordinated manner to achieve syntactic consensus. In each case experiments are presented in order to validate the proposed models, both in terms of success about the emergence of language and it relates to the study of important parallel issues, such as human-computer interaction or the very genesis of language.

A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

Experiments with liquid bridges in simulated microgravity

A feature of stability diagrams of liquid bridges between unequal disks subjected to small axial gravity forces is that, for each separation of disks, there is a value of microgravity for which an absolute minimum volume limit is reached. The dependence of such microgravity values on the liquid bridge geometry has been experimentally checked by using the neutral buoyancy technique, experimental results being in complete agreement with theoretical ones. Analytical background assuring the experimental procedure used is presented, and a second order analytical expression for the equilirium interface is also calculated.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Accommodating cabins as a new way of building houses

The current economic crisis has meant, particularly in Spain, the almost cessation of new buildings construction. This deep crisis will mean in future an irreversible change in the Spanish construction model, based to date almost exclusively on the brick. The project “Accommodating cabins as a new way of building houses” is part of a larger research within the line “Modular Architecture” developed by the Research Group “Design and Industrial Production”, belonging to the Technical University of Madrid, which aims to respond to the need for decent housing at an affordable price, by offering through Internet the plans, resources and other technical details required to build a house oneself. The proposed houses are built from the combination of industrially made modules (accommodation cabins, which are prefabricated modules usually used as provisional constructions in conventional building works), prefabricated subsystems and other catalogue components available on the market, all they set together by dry joints.

Autonomous Acquisition of Natural Language

An important part of human intelligence is the ability to use language. Humans learn how to use language in a society of language users, which is probably the most effective way to learn a language from the ground up. Principles that might allow an artificial agents to learn language this way are not known at present. Here we present a framework which begins to address this challenge. Our auto-catalytic, endogenous, reflective architecture (AERA) supports the creation of agents that can learn natural language by observation. We present results from two experiments where our S1 agent learns human communication by observing two humans interacting in a realtime mock television interview, using gesture and situated language. Results show that S1 can learn multimodal complex language and multimodal communicative acts, using a vocabulary of 100 words with numerous sentence formats, by observing unscripted interaction between the humans, with no grammar being provided to it a priori, and only high-level information about the format of the human interaction in the form of high-level goals of the interviewer and interviewee and a small ontology. The agent learns both the pragmatics, semantics, and syntax of complex sentences spoken by the human subjects on the topic of recycling of objects such as aluminum cans, glass bottles, plastic, and wood, as well as use of manual deictic reference and anaphora.

Understanding replication of experiments in software engineering: a classification

Context: Replication plays an important role in experimental disciplines. There are still many uncertain- ties about how to proceed with replications of SE experiments. Should replicators reuse the baseline experiment materials? How much liaison should there be among the original and replicating experiment- ers, if any? What elements of the experimental configuration can be changed for the experiment to be considered a replication rather than a new experiment? Objective: To improve our understanding of SE experiment replication, in this work we propose a classi- fication which is intend to provide experimenters with guidance about what types of replication they can perform. Method: The research approach followed is structured according to the following activities: (1) a litera- ture review of experiment replication in SE and in other disciplines, (2) identification of typical elements that compose an experimental configuration, (3) identification of different replications purposes and (4) development of a classification of experiment replications for SE. Results: We propose a classification of replications which provides experimenters in SE with guidance about what changes can they make in a replication and, based on these, what verification purposes such a replication can serve. The proposed classification helped to accommodate opposing views within a broader framework, it is capable of accounting for less similar replications to more similar ones regarding the baseline experiment. Conclusion: The aim of replication is to verify results, but different types of replication serve special ver- ification purposes and afford different degrees of change. Each replication type helps to discover partic- ular experimental conditions that might influence the results. The proposed classification can be used to identify changes in a replication and, based on these, understand the level of verification.

Evidence of the presence of bias in subjective metrics: analysis within a family of experiments

Context: Measurement is crucial and important to empirical software engineering. Although reliability and validity are two important properties warranting consideration in measurement processes, they may be influenced by random or systematic error (bias) depending on which metric is used. Aim: Check whether, the simple subjective metrics used in empirical software engineering studies are prone to bias. Method: Comparison of the reliability of a family of empirical studies on requirements elicitation that explore the same phenomenon using different design types and objective and subjective metrics. Results: The objectively measured variables (experience and knowledge) tend to achieve more reliable results, whereas subjective metrics using Likert scales (expertise and familiarity) tend to be influenced by systematic error or bias. Conclusions: Studies that predominantly use variables measured subjectively, like opinion polls or expert opinion acquisition.

New strategies in laser processing of TCOs for light management improvement in thin-film silicon solar cells

Light confinement strategies play a crucial role in the performance of thin-film (TF) silicon solar cells. One way to reduce the optical losses is the texturing of the transparent conductive oxide (TCO) that acts as the front contact. Other losses arise from the mismatch between the incident light spectrum and the spectral properties of the absorbent material that imply that low energy photons (below the bandgap value) are not absorbed, and therefore can not generate photocurrent. Up-conversion techniques, in which two sub-bandgap photons are combined to give one photon with a better matching with the bandgap, were proposed to overcome this problem. In particular, this work studies two strategies to improve light management in thin film silicon solar cells using laser technology. The first one addresses the problem of TCO surface texturing using fully commercial fast and ultrafast solid state laser sources. Aluminum doped Zinc Oxide (AZO) samples were laser processed and the results were optically evaluated by measuring the haze factor of the treated samples. As a second strategy, laser annealing experiments of TCOs doped with rare earth ions are presented as a potential process to produce layers with up-conversion properties, opening the possibility of its potential use in high efficiency solar cells.

Diseño e implementación de un módulo de crecimiento bacteriano dependiente de nutrientes en el simulador GRO

Hace no más de una década que empezó a escucharse el término biología sintética. Este área de estudio emergente consiste en la ingeniería y programación de sistemas biológicos, tratando la biología como una tecnología programable a la que aplican los principios y metodologías de la ingeniería, con el fin de crear nuevas funcionalidades genéticas desde cero, procurando asÍ algún beneficio como por ejemplo, programar células bacterianas para producir biocombustibles. Sin embargo, para la creación de dichas funcionalidades es necesario conocer bien al organismo sobre el que se van a implantar. Por este motivo, los biólogos sintéticos emplean bacterias en sus estudios, ya que es la forma de vida más simple, está presente en prácticamente todos los nichos ecológicos, desempeña algunas de las funcionalidades vitales para los humanos y lo mas importante, se conoce prácticamente todo su material genético. Los experimentos son costosos en tiempo y dinero, siendo necesaria la ayuda de herramientas que faciliten esta labor, los simuladores. En PLASWIRES, proyecto europeo de biología sintética en el que se engloba este este trabajo, el simulador empleado es GRO. Sin embargo, en GRO el crecimiento de las bacterias ocurre de forma exponencial y sin restricciones, generando comportamientos poco realistas. Por ello, se ha considerado relevante en biología sintética, y en el simulador GRO en particular, disponer de un modelo de crecimiento bacteriano dependiente de los nutrientes. El desarrollo de este trabajo se centra en la implementación de un módulo de consumo de nutrientes en colonias de bacterias simuladas con GRO, introduciendo así la limitación de nutrientes y evitanto que las bacterias crezcan exponencialmente. Se han introducido nutrientes en el medio y la capacidad de consumirlos, con el objetivo de obtener un crecimiento ajustado al que ocurre en la naturaleza. Además, se ha desarrollado en GRO una nueva función de adquisición de volumen, que condiciona el volumen adquirido por cada bacteria en función de los nutrientes. La implentación de las dos aportaciones presentadas ha supuesto la adición de funcionalidad extra a GRO, convirtiéndolo en el único simulador de bacterias que tiene en cuenta el crecimiento bacteriano dependiente de nutrientes.---ABSTRACT---It has been in this last decade that the synthetic biology term began to be heard. This emergent area of study consists in the engineering and programming of biological systems, dealing with biology as a programable technology in which the engineering principles and methodologies are applied in order to create novel genetic functinalities from scratch, obtaining some advatages such as programmed bacteria in order to produce biofuels. However, to create this functionalities, it is necessary to know well the organisms in which they are going to be implemented. For this reason, synthetic biology researchers use bacteria, because it is the simplest life form, it can be found in almost all the ecological niche, it does some vital function to humans and, most important, almost all of its genetic information is known. Experiments are expensive in time and money, making it necessary to use tools to ease this task: the simulators. In PLASWIRES, the european synthetic biology project in which this work is included, the simulator used is GRO. However, the bacterial growth in GRO is exponential and it does not have restrictions, generating unrealistic behaviours. Therefore, it has been considered relevant in synthetic biology, and in a particular way in GRO, to provide a bacterial growth model dependent on nutrient. This work focuses on the implementation of a nutrient consumption module in bacteria colonies simulated with GRO, introducing a nuntrient limitation and avoiding the bacteria exponential growth. The module introduces nutrients and the capacity for bacteria to consume them, aiming to obtain realistic growth simulations that fit the observations made in nature. Moreover, an adquisition volumen function has been developed in GRO, determining the volumen depending on nutrients. This two contributions make GRO the only bacteria simulator that computes growth depending on nutrients

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Electro y dielectroforesis de nanopartículas por efecto fotovoltaico

El objetivo de esta tesis doctoral es la investigación del nuevo concepto de pinzas fotovoltaicas, es decir, del atrapamiento, ordenación y manipulación de partículas en las estructuras generadas en la superficie de materiales ferroeléctricos mediante campos fotovoltaicos o sus gradientes. Las pinzas fotovoltaicas son una herramienta prometedora para atrapar y mover las partículas en la superficie de un material fotovoltaico de una manera controlada. Para aprovechar esta nueva técnica es necesario conocer con precisión el campo eléctrico creado por una iluminación específica en la superficie del cristal y por encima de ella. Este objetivo se ha dividido en una serie de etapas que se describen a continuación. La primera etapa consistió en la modelización del campo fotovoltaico generado por iluminación no homogénea en substratos y guías de onda de acuerdo al modelo de un centro. En la segunda etapa se estudiaron los campos y fuerzas electroforéticas y dielectroforéticas que aparecen sobre la superficie de substratos iluminados inhomogéneamente. En la tercera etapa se estudiaron sus efectos sobre micropartículas y nanopartículas, en particular se estudió el atrapamiento superficial determinando las condiciones que permiten el aprovechamiento como pinzas fotovoltaicas. En la cuarta y última etapa se estudiaron las configuraciones más eficientes en cuanto a resolución espacial. Se trabajó con distintos patrones de iluminación inhomogénea, proponiéndose patrones de iluminación al equipo experimental. Para alcanzar estos objetivos se han desarrollado herramientas de cálculo con las cuales obtenemos temporalmente todas las magnitudes que intervienen en el problema. Con estas herramientas podemos abstraernos de los complicados mecanismos de atrapamiento y a partir de un patrón de luz obtener el atrapamiento. Todo el trabajo realizado se ha llevado a cabo en dos configuraciones del cristal, en corte X ( superficie de atrapamiento paralela al eje óptico) y corte Z ( superficie de atrapamiento perpendicular al eje óptico). Se ha profundizado en la interpretación de las diferencias en los resultados según la configuración del cristal. Todas las simulaciones y experimentos se han realizado utilizando como soporte un mismo material, el niobato de litio, LiNbO3, con el f n de facilitar la comparación de los resultados. Este hecho no ha supuesto una limitación en los resultados pues los modelos no se limitan a este material. Con respecto a la estructura del trabajo, este se divide en tres partes diferenciadas que son: la introducción (I), la modelización del atrapamiento electroforético y dielectroforético (II) y las simulaciones numéricas y comparación con experimentos (III). En la primera parte se fijan las bases sobre las que se sustentarán el resto de las partes. Se describen los efectos electromagnéticos y ópticos a los que se hará referencia en el resto de los capítulos, ya sea por ser necesarios para describir los experimentos o, en otros casos, para dejar constancia de la no aparición de estos efectos para el caso en que nos ocupa y justificar la simplificación que en muchos casos se hace del problema. En esta parte, se describe principalmente el atrapamiento electroforético y dielectroforético, el efecto fotovoltaico y las propiedades del niobato de litio por ser el material que utilizaremos en experimentos y simulaciones. Así mismo, como no debe faltar en ninguna investigación, se ha analizado el state of the art, revisando lo que otros científicos del campo en el que estamos trabajando han realizado y escrito con el fin de que nos sirva de cimiento a la investigación. Con el capítulo 3 finalizamos esta primera parte describiendo las técnicas experimentales que hoy en día se están utilizando en los laboratorios para realizar el atrapamiento de partículas mediante el efecto fotovoltaico, ya que obtendremos ligeras diferencias en los resultados según la técnica de atrapamiento que se utilice. En la parte I I , dedicada a la modelización del atrapamiento, empezaremos con el capítulo 4 donde modelizaremos el campo eléctrico interno de la muestra, para a continuación modelizar el campo eléctrico, los potenciales y las fuerzas externas a la muestra. En capítulo 5 presentaremos un modelo sencillo para comprender el problema que nos aborda, al que llamamos Modelo Estacionario de Separación de Carga. Este modelo da muy buenos resultados a pesar de su sencillez. Pasamos al capítulo 6 donde discretizaremos las ecuaciones que intervienen en la física interna de la muestra mediante el método de las diferencias finitas, desarrollando el Modelo de Distribución de Carga Espacial. Para terminar esta parte, en el capítulo 8 abordamos la programación de las modelizaciones presentadas en los anteriores capítulos con el fn de dotarnos de herramientas para realizar las simulaciones de una manera rápida. En la última parte, III, presentaremos los resultados de las simulaciones numéricas realizadas con las herramientas desarrolladas y comparemos sus resultados con los experimentales. Fácilmente podremos comparar los resultados en las dos configuraciones del cristal, en corte X y corte Z. Finalizaremos con un último capítulo dedicado a las conclusiones, donde resumiremos los resultados que se han ido obteniendo en cada apartado desarrollado y daremos una visión conjunta de la investigación realizada. ABSTRACT The aim of this thesis is the research of the new concept of photovoltaic or optoelectronic tweezers, i.e., trapping, management and manipulation of particles in structures generated by photovoltaic felds or gradients on the surface of ferroelectric materials. Photovoltaic tweezers are a promising tool to trap and move the particles on the surface of a photovoltaic material in a monitored way. To take advantage of this new technique is necessary to know accurately the electric field created by a specifc illumination in the crystal surface and above it. For this purpose, the work was divided into the stages described below. The first stage consisted of modeling the photovoltaic field generated by inhomogeneous illumination in substrates and waveguides according to the one-center model. In the second stage, electrophoretic and dielectrophoretic fields and forces appearing on the surface of substrates and waveguides illuminated inhomogeneously were studied. In the third stage, the study of its effects on microparticles and nanoparticles took place. In particular, the trapping surface was studied identifying the conditions that allow its use as photovoltaic tweezers. In the fourth and fnal stage the most efficient configurations in terms of spatial resolution were studied. Different patterns of inhomogeneous illumination were tested, proposing lightning patterns to the laboratory team. To achieve these objectives calculation tools were developed to get all magnitudes temporarily involved in the problem . With these tools, the complex mechanisms of trapping can be simplified, obtaining the trapping pattern from a light pattern. All research was carried out in two configurations of crystal; in X section (trapping surface parallel to the optical axis) and Z section (trapping surface perpendicular to the optical axis). The differences in the results depending on the configuration of the crystal were deeply studied. All simulations and experiments were made using the same material as support, lithium niobate, LiNbO3, to facilitate the comparison of results. This fact does not mean a limitation in the results since the models are not limited to this material. Regarding the structure of this work, it is divided into three clearly differentiated sections, namely: Introduction (I), Electrophoretic and Dielectrophoretic Capture Modeling (II) and Numerical Simulations and Comparison Experiments (III). The frst section sets the foundations on which the rest of the sections will be based on. Electromagnetic and optical effects that will be referred in the remaining chapters are described, either as being necessary to explain experiments or, in other cases, to note the non-appearance of these effects for the present case and justify the simplification of the problem that is made in many cases. This section mainly describes the electrophoretic and dielectrophoretic trapping, the photovoltaic effect and the properties of lithium niobate as the material to use in experiments and simulations. Likewise, as required in this kind of researches, the state of the art have been analyzed, reviewing what other scientists working in this field have made and written so that serve as a foundation for research. With chapter 3 the first section finalizes describing the experimental techniques that are currently being used in laboratories for trapping particles by the photovoltaic effect, because according to the trapping technique in use we will get slightly different results. The section I I , which is dedicated to the trapping modeling, begins with Chapter 4 where the internal electric field of the sample is modeled, to continue modeling the electric field, potential and forces that are external to the sample. Chapter 5 presents a simple model to understand the problem addressed by us, which is called Steady-State Charge Separation Model. This model gives very good results despite its simplicity. In chapter 6 the equations involved in the internal physics of the sample are discretized by the finite difference method, which is developed in the Spatial Charge Distribution Model. To end this section, chapter 8 is dedicated to program the models presented in the previous chapters in order to provide us with tools to perform simulations in a fast way. In the last section, III, the results of numerical simulations with the developed tools are presented and compared with the experimental results. We can easily compare outcomes in the two configurations of the crystal, in section X and section Z. The final chapter collects the conclusions, summarizing the results that were obtained in previous sections and giving an overview of the research.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.