BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Essentials in Ontology Engineering: Methodologies, Languages, and Tools

In the beginning of the 90s, ontology development was similar to an art: ontology developers did not have clear guidelines on how to build ontologies but only some design criteria to be followed. Work on principles, methods and methodologies, together with supporting technologies and languages, made ontology development become an engineering discipline, the so-called Ontology Engineering. Ontology Engineering refers to the set of activities that concern the ontology development process and the ontology life cycle, the methods and methodologies for building ontologies, and the tool suites and languages that support them. Thanks to the work done in the Ontology Engineering field, the development of ontologies within and between teams has increased and improved, as well as the possibility of reusing ontologies in other developments and in final applications. Currently, ontologies are widely used in (a) Knowledge Engineering, Artificial Intelligence and Computer Science, (b) applications related to knowledge management, natural language processing, e-commerce, intelligent information integration, information retrieval, database design and integration, bio-informatics, education, and (c) the Semantic Web, the Semantic Grid, and the Linked Data initiative. In this paper, we provide an overview of Ontology Engineering, mentioning the most outstanding and used methodologies, languages, and tools for building ontologies. In addition, we include some words on how all these elements can be used in the Linked Data initiative.

A Light-Weight On-Chip Monitoring Network for Dynamic Adaptation and Calibration

Current nanometer technologies suffer within-die parameter uncertainties, varying workload conditions, aging, and temperature effects that cause a serious reduction on yield and performance. In this scenario, monitoring, calibration, and dynamic adaptation become essential, demanding systems with a collection of multi purpose monitors and exposing the need for light-weight monitoring networks. This paper presents a new monitoring network paradigm able to perform an early prioritization of the information. This is achieved by the introduction of a new hierarchy level, the threshing level. Targeting it, we propose a time-domain signaling scheme over a single-wire that minimizes the network switching activity as well as the routing requirements. To validate our approach, we make a thorough analysis of the architectural trade-offs and expose two complete monitoring systems that suppose an area improvement of 40% and a power reduction of three orders of magnitude compared to previous works.

Analysis of spontaneous MEG activity in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease using spectral entropies and statistical complexity measures

Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of dementia. Over the last few years, a considerable effort has been devoted to exploring new biomarkers. Nevertheless, a better understanding of brain dynamics is still required to optimize therapeutic strategies. In this regard, the characterization of mild cognitive impairment (MCI) is crucial, due to the high conversion rate from MCI to AD. However, only a few studies have focused on the analysis of magnetoencephalographic (MEG) rhythms to characterize AD and MCI. In this study, we assess the ability of several parameters derived from information theory to describe spontaneous MEG activity from 36 AD patients, 18 MCI subjects and 26 controls. Three entropies (Shannon, Tsallis and Rényi entropies), one disequilibrium measure (based on Euclidean distance ED) and three statistical complexities (based on Lopez Ruiz–Mancini–Calbet complexity LMC) were used to estimate the irregularity and statistical complexity of MEG activity. Statistically significant differences between AD patients and controls were obtained with all parameters (p < 0.01). In addition, statistically significant differences between MCI subjects and controls were achieved by ED and LMC (p < 0.05). In order to assess the diagnostic ability of the parameters, a linear discriminant analysis with a leave-one-out cross-validation procedure was applied. The accuracies reached 83.9% and 65.9% to discriminate AD and MCI subjects from controls, respectively. Our findings suggest that MCI subjects exhibit an intermediate pattern of abnormalities between normal aging and AD. Furthermore, the proposed parameters provide a new description of brain dynamics in AD and MCI.

Rational conchoid and offset constructions: algorithms and implementation

This paper is framed within the problem of analyzing the rationality of the components of two classical geometric constructions, namely the offset and the conchoid to an algebraic plane curve and, in the affirmative case, the actual computation of parametrizations. We recall some of the basic definitions and main properties on offsets (see [13]), and conchoids (see [15]) as well as the algorithms for parametrizing their rational components (see [1] and [16], respectively). Moreover, we implement the basic ideas creating two packages in the computer algebra system Maple to analyze the rationality of conchoids and offset curves, as well as the corresponding help pages. In addition, we present a brief atlas where the offset and conchoids of several algebraic plane curves are obtained, their rationality analyzed, and parametrizations are provided using the created packages.

Caracterización de los barrios de bodegas subterráneas de la denominación de origen calificada Rioja. Estudio y comparación de sus condiciones interiores con las de las nuevas bodegas comerciales

Esta tesis pretende demostrar que las bodegas subterráneas suponen un modelo de construcción eficiente y medioambientalmente sostenible para la crianza y el almacenamiento de vinos. Durante la elaboración, crianza y almacenamiento del vino, las condiciones de temperatura y humedad relativa son determinantes en la calidad final del producto. La aparición de defectos en el vino como consecuencia de altas temperaturas durante el proceso crianza es algo conocido desde el siglo pasado, por lo que los enólogos tratan de alcanzar los parámetros que consideran idóneos para una correcta elaboración y envejecimiento del vino recurriendo en la mayoría de las bodegas a la climatización artificial. Las bodegas subterráneas son construcciones históricas en La Rioja y en el conjunto de los pueblos de la Denominación de Origen Calificada Rioja y el objetivo de esta tesis es demostrar que reúnen de forma natural las condiciones idóneas para la crianza del vino debido al diseño de su construcción y sin necesidad de emplear otras energías para conseguirlo. Además, la presencia de estas construcciones en la Denominación de Origen Calificada Rioja supone el origen de la fama de sus caldos y es un patrimonio cultural hoy en día sin explotar. Para demostrar la importancia de estos barrios de bodegas subterráneas, germen de la Denominación de Origen Calificada Rioja, se han inventariado los barrios de todos los municipios acogidos a ésta. Para ello se han visitado todos los municipios y se han fotografiado sus bodegas. En las visitas realizadas durante la catalogación se ha observado que constituyen hoy en día un patrimonio olvidado, que ha evolucionado hacia merenderos o viviendas, incluso en ocasiones abandonadas o derruidas. La conservación de las construcciones se ha cuidado más en la subzona de Rioja Alta, donde aún se pueden encontrar bodegas donde se elabora vino de forma particular, algo más excepcional de encontrar en La Rioja Baja. También se ha observado que los materiales de construcción de los calados empleados en La Rioja Alta suelen ser de piedra labrada o de sillería, mientras que en La Rioja Baja se recurre más a piedra de río o mampostería. Este trabajo se refleja en 2159 fichas que catalogan las bodegas subterráneas localizadas. Con objeto de demostrar que reúnen las condiciones adecuadas para la crianza, se han instalado sensores que han registrado la temperatura y la humedad relativa en las bodegas subterráneas y en bodegas comerciales de las que se diferencian tanto en el diseño constructivo como en las soluciones adoptadas por estas para reunir los parámetros buscados. Los resultados obtenidos en las bodegas subterráneas muestran que estas construcciones tradicionales presentan menos oscilaciones anuales de temperatura y humedad relativa que las salas de crianza de bodegas comerciales, lo que implica una solución constructiva más adecuada para la crianza y conservación del vino. Para corroborar los resultados obtenidos sobre las condiciones interiores, se ha realizado un análisis sensorial de vinos almacenados y criados en bodegas subterráneas comparándolos con los almacenados sin estar sometidos a un control de estos parámetros, como se puede dar en condiciones domésticas, una vez comercializados cuando el enólogo pierde el control sobre ellos. Los resultados demuestran que los vinos almacenados en domicilios particulares presentan diferencias con los almacenados en bodegas subterráneas. Estos resultados son acordes con los datos obtenidos de los sensores colocados en estas bodegas subterráneas, donde la temperatura máxima anual no supera los 20ºC, considerada como umbral máximos permitido durante la crianza por varios autores. ABSTRACT This thesis aims to demonstrate that the underground cellars represent a model of efficient construction and environmentally sustainable for aging and storing wines. During the production, aging and storing wine, temperature and relative humidity are crucial to the final product quality. The appearance of defects in wine as a result of high temperatures during the aging process is something known since the last century, so that winemakers seek to achieve the parameters considered suitable for proper production and aging of wine using the most wineries to artificial air conditioning. The underground cellars are historical buildings in La Rioja and all the peoples of the Designation of Origin Rioja and the aim of this thesis is to demonstrate that naturally meet the conditions for aging wine due to its construction design and without the use of other energy to get it. Furthermore, the presence of these buildings in the Rioja Denomination of Origin represents the origin of the fame of its wines and is a cultural heritage today untapped. To demonstrate the importance of these areas of underground cellars, germ of the Designation of Origin Rioja, they have been inventoried all the districts of municipalities benefiting from this. This will have visited all municipalities and have photographed their cellars. In visits made during cataloging it has been observed that constitute today a forgotten heritage that has evolved to picnic or homes, sometimes even abandoned or demolished. The conservation of the buildings has been more careful in the subzone of Rioja Alta, where you can still find wine cellars where a particular way, something exceptional to find in La Rioja Baja is made. It has also been observed that the building materials used in the drafts La Rioja Alta usually carved stone or masonry, while in La Rioja Baja is most uses of river stone or masonry. This work is reflected in 2159 cataloging records located underground cellars. In order to demonstrate that they meet the conditions suitable for breeding they were installed sensors that recorded the temperature and relative humidity in the underground cellars and commercial wineries which differ both in the building design and the solutions adopted by sought to gather these parameters. The results obtained in the underground cellars show that these traditional buildings have fewer annual fluctuations of temperature and relative humidity of the aging rooms commercial wineries, which implies a more constructive solution suitable for the breeding and conservation of wine. To corroborate the results obtained on domestic conditions, has made a sensory analysis of wines stored and raised underground cellars compared with stored without being subjected to control these parameters, as can occur in domestic conditions, once marketed as winemaker loses control over them. The results show that the wines stored in private homes have differences with those stored in underground cellars. These results are consistent with data obtained from sensors placed in these underground cellars, where the maximum annual temperature is below 20 ° C, considered as maximum allowable threshold for raising by various authors.