Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

O quadro interativo no ensino do português : dos recursos aos discursos

O trabalho que apresentamos, “O Quadro Interativo no ensino do Português: dos recursos aos discursos”, situa-se na área do Multimédia em Educação e, mais especificamente, no domínio da tecnologia e pedagogia em sala de aula. Partimos de um projeto de implementação de quadros interativos em agrupamentos/escolas do interior do país, associado a um Centro de Formação e procurámos evidenciar a forma como essa tecnologia levou à introdução de recursos digitais de aprendizagem na unidade curricular de Português. Nesse âmbito, fizemos uma análise sobre os tipos, funcionalidades e usos pelos professores e estudantes no processo de ensino e aprendizagem com os QIM. Analisámos também algumas estratégias de utilização no desenvolvimento de competências essenciais da língua e a interação que proporcionaram no ambiente educativo. Para percebermos as razões e fundamentos que estiveram na base da investigação, procurámos, na primeira parte do nosso trabalho, partir de três vertentes de uma conjuntura que fundamenta a aprendizagem no século XXI: a passagem de uma sociedade da informação para uma sociedade do conhecimento como um processo que radica numa comunicação em rede e na criação de conhecimento(s) através de recursos digitais; o desenvolvimento de competências adequadas e que conduz os indivíduos para ambientes de aprendizagem com as tecnologias; e numa Escola mais familiarizada com as tecnologias, onde o ato de educar cria novos desafios a todos os agentes educativos. Notámos que a capacidade de mobilizar a informação e o conhecimento na rede reclama atitudes dinâmicas, flexíveis e adaptadas à multiculturalidade. Esta característica favorece a construção de aprendizagens multifacetadas, a inclusão progressiva do individuo na “aldeia global”, tornando-o também cada vez mais criativo e produtivo. A promoção de espaços interativos de aprendizagem facilita esse processo e o conhecimento desenvolve-se numa interação social mediada por tecnologias que nos fazem participar nessa multiculturalidade, diversidade do universo e nas histórias pessoais e coletivas. Num ambiente com estas características, torna-se necessário passar de um conceito de ensino declarado nos saberes básicos ou em conhecimentos factuais para uma estratégia de aprendizagem que incida sobre o desenvolvimento e aquisição de outras habilidades. A aquisição de saberes no âmbito da leitura, da oralidade e da escrita tornamse importantes para os indivíduos porquanto esses saberes transformam-se em competências transversais para outros domínios e literacias. Tentámos mostrar que a escola do futuro terá de ser um espaço educativo que implique ambientes de aprendizagem onde vão confluir várias ferramentas tecnológicas, que arrastam consigo outros recursos e outras possibilidades de acesso à informação e à construção de conhecimento. Para isso, a escola está obrigada a mudar alguns conceitos e estratégias e a focar-se no desenvolvimento de competências para a vida. A definição de recurso educativo ou recurso de aprendizagem e a aceção do quadro interativo como um recurso tecnológico, que envolve outros recursos, digitais e multimédia, levou-nos a concluir sobre as potenciais mais-valias deste equipamento. Para além da apresentação da informação, da orientação da atenção e das aprendizagens para o grupo - turma, abre-se a possibilidade de relacionar e organizar conteúdos digitais multimédia, criar conhecimento e desenvolver competências de acordo com os interesses dos públicos em fase de escolarização. Reclama-se um padrão de qualidade nos recursos, avaliados e estruturados em função dos conteúdos, objetivos, desempenhos e currículos de aprendizagem dos aprendentes. Definimos o paradigma digital e as dinâmicas de comunicação e interação proporcionadas pelo quadro interativo. Concluímos que o QIM produz efeitos positivos sobre a participação dos estudantes, evidenciada por um comportamento mais positivo face às tarefas a realizar em sala de aula. Contudo, o papel desta ferramenta e dos recursos utilizados requerem dos professores e dos ambientes educativos novas práticas e modelos de comunicação mais interativos. A informação e o conhecimento tornam-se mais fluidos, diversos e atuais. Fluxos variados de informação em vários suportes e formatos ou pesquisas em tempo real podem ser facilmente incorporados, acedidos e manipulados durante as aulas. A partilha de materiais e recursos retroalimenta uma rede de informação e troca de conhecimentos, amplia a aprendizagem e cria comunidades de prática com as tecnologias. A inclusão do QIM, no contexto do ensino e aprendizagem do Português, promoveu a literacia digital; o desenvolvimento de recursos digitais de aprendizagem; criou ambientes educativos modernos, mais apelativos, criativos e inovadores. Conduziu a uma mudança de práticas, que se querem mais ajustadas às necessidades e expectativas dos estudantes, aos desafios dos novos tempos e aos objetivos de uma educação que reforça o papel e autonomia dos indivíduos no processo de aprendizagem. Por isso, a lógica de projeto ou as dinâmicas de trabalho em projeto devem conduzir a dinâmicas de escola que elevem os comportamentos dos professores para se familiarizarem com a tecnologia, mas também para desenvolverem competências tecnológicas e profissionais coadunadas com contextos educativos atuais. Os resultados disponíveis mostram um quadro predominantemente positivo das possibilidades educativas dos QIM no ensino do Português. O QIM apresenta um conjunto de potencialidades pedagógicas; incentiva ao uso de recursos digitais em vários formatos e com várias finalidades; propicia estratégicas de construção e reconstrução dos percursos de aprendizagem que levam ao desenvolvimento de competências essenciais da língua. Porém, há ainda alguns aspetos que necessitam de ser revistos para tornar os QIM ainda mais eficazes como ferramenta de ensino e aprendizagem em sala de aula. Assim: i. A introdução de recursos digitais de aprendizagem na sala de aula deve ser um processo bem refletido que conduza e valorize a aproximação do professor e dos estudantes, visto que ambos estão perante uma nova realidade de conceitos, representações e formatos que carecem de habilidades, capacidades, comportamentos e literacias próprias; ii. A transformação do ensino, no que respeita a uma aprendizagem mais autónoma e individualizada, não está generalizada com a introdução dos QIM nos contextos de aprendizagem observados. Parece haver um incentivo para abordagens tradicionais centradas no professor e nos conteúdos, uma vez que a aquisição de conhecimentos está também condicionada por um sistema educativo que considera esses conteúdos estritamente necessários para o desempenho de determinadas tarefas; iii. Pelos vários níveis de análise do discurso pedagógico que se institui com os QIM, o tipo que melhor o define é ainda o tipo unidirecional. O discurso interativo, tão badalado pelos modelos comunicacionais modernos e pelos conceitos inerentes às tecnologias interativas, parece ainda não ter sido bem compreendido e explorado nos benefícios que os QIM, os recursos digitais interativos e as tecnologias em geral podem trazer ao processo de ensino e aprendizagem do Português no 3º CEB.

Pro-internationalisation policies and outward foreign direct investment

This thesis addresses the impacts of public policies on outward foreign direct investment, seeking to contribute to a better understanding of the interplay between pro-internationalisation policies and firm behaviour. Home country measures associated with these policies are explored in terms of use and awareness, as determinants of foreign direct investment, as drivers of policy objectives, in terms of perceived importance and impact in different scenarios of internationalisation. Using a comprehensive database of 441 Portuguese firms, being those that had participated at least in one of the 11 types of public support between 1994 and 2009. The empirical papers presented here reveal a moderating effect of firm capabilities and internationalisation conditions on policy objectives. In fact, firms’ resources and capabilities frame the awareness and use of home country support measures, the existence of public policy determinants of foreign direct investment, the decision to carry out more aggressive modes of entry and the choice of more demanding environments, the impact of policy objectives, and the perceived importance of incentives. In practical terms, the findings of this thesis points that firms’ resources and capabilities are negatively associated with the use of public support, contrasting with awareness, which is found to increase with firms’ resources and capabilities. This insight sheds light on a potential problem of incentives allocation. Our results support the established theorizing about the co-evolution of government and firms' policies, home country measures being found as determinants of foreign direct investment. It is also shown that prointernationalization policies reinforce the firms’ resources and capabilities, which seems to have a positive impact on international growth. An evaluation of public policy, from the foreign direct investor's lens, supports the argument that firms involved in more demanding projects tend to attribute more importance to public supports. Behind the specific and concrete contributions identified in each of the empirical papers, as a whole this thesis makes methodological contributions by introducing the evaluation of impacts of public policies to the field of international business through the firm perspective; these contributions are achieved by taking the pro-internationalisation policies of a small open economy to better understand the impacts of public policies, and by shedding light on co-evolution between resource and institutional-based views.

A performance do silêncio na música contemporânea para oboé

O presente estudo tem como objectivo entender todo o universo anexo à performance do silêncio na música clássica contemporânea. Numa nova perspectiva: o estudo do impacto da ansiedade num músico que se observa e que observa a sua interação com o contexto artístico que o rodeia, são estudadas todas as variáveis com influência directa no acto de percepção e gestão dos momentos de ausência de som. Tendo por base os princípios da investigação qualitativa foi criado um modelo teórico de análise na área dos estudos em performance. Este modelo foi aplicado em dois recitais realizados na Universidade de Aveiro e num concerto do Remix Ensemble da Casa da Música do Porto. O uso de ferramentas de pesquisa: O teste do Cortisol e o uso do colete Vitaljacket®, permitiu observar comportamentos fisiológicos no performer e no público nunca antes relatados. Os principais resultados desta investigação permitem aferir a elevada complexidade do fenómeno perceptivo e performativo do silêncio na música contemporânea. A pesquisa realizada permitiu observar que o silêncio na música contemporânea acontece num contexto de elevada ambiguidade semântica e que a duração dada a este num concerto, está directamente dependente do quadro fisiológico observado no performer no momento do concerto. Foi ainda possível aferir que a repetição, numa data posterior, de um mesmo programa de concerto provoca uma acentuada descida dos níveis de ansiedade no performer e essa descida altera a forma como este gere, em concerto, os momentos de silêncio. As conclusões alcançadas em sede de investigação reforçam a pertinência deste estudo. São postas à prova concepções altamente empíricas sobre a performance dos silêncios em música contemporânea. As asserções formuladas têm impacto a nível pedagógico e didático. São apontadas direcções de investigação futura no sentido da valorização do estudo da gestão dos momentos de silêncio em performance.

Avaliação do perfil de cuidado de enfermagem geriátrico em hospitais de Portugal

A transição demográfica e epidemiológica da população portuguesa tem e terá um enorme impacto na utilização dos recursos de saúde. Atualmente, as pessoas idosas representam um dos grupos etários com taxas de internamento hospitalar mais significativos. Contudo, os dados sobre a hospitalização destas pessoas têm demonstrado resultados de saúde negativos, nomeadamente, o declínio funcional e cognitivo e o risco elevado de eventos adversos. Os/as enfermeiros/as têm um papel crucial na mudança desta realidade. Deste modo, a associação entre o contexto no qual decorre o cuidado de enfermagem geriátrica e os resultados deste cuidado relativos a/os utentes, enfermeiros/as e organizações têm sido proficuamente documentados. Algumas estratégias para promover a qualidade do cuidado geriátrico e a segurança das pessoas idosas hospitalizadas consistem em avaliar e (re)criar o ambiente de trabalho geriátrico dos/as enfermeiros/as (AGTE) e capacitar e treinar estes/as profissionais no cuidado à pessoa idosa. Embora, internacionalmente, os dados demonstrem a associação entre as características de hospitais e/ou enfermeiros/as e o AGTE, não existem estudos em Portugal nesta área, bem como sobre o conhecimento e as atitudes destes profissionais no contexto hospitalar. Por conseguinte, este estudo teve como objetivos: 1) traduzir, adaptar culturalmente e validar as escalas que compõem o questionário Geriatric Institucional Assessment Proflie (GIAP) para a população portuguesa; 2) analisar o AGTE (fatores intrínsecos e extrínsecos) que apoiam ou dificultam a adoção das melhores práticas geriátricas em hospitais portugueses; 3) analisar as atitudes e conhecimento de enfermeiros/as acerca de quatro síndromes geriátricas (úlceras de pressão, distúrbio do sono, contenção física e incontinência), destacando as boas práticas e os problemas encontrados nos hospitais portugueses; 4) analisar a relação entre as variáveis demográficas, profissionais e as características dos hospitais e as escalas que compõem o GIAP – versão portuguesa; 5) conhecer as perceções de enfermeiros/as acerca do cuidado às pessoas idosas hospitalizadas e dos obstáculos enfrentados para desenvolver um cuidado de boa qualidade; e 6) analisar a relação entre a perceção de enfermeiros/as sobre o AGTE e o conhecimento e atitudes geriátricas destes profissionais em função da região e unidade de internamento. Este estudo foi desenvolvido com base num método quantitativo do tipo exploratório-descritivo, transversal, prospetivo e correlacional. A amostra foi constituída por 1.068 enfermeiros/as de cinco hospitais da região norte e centro do país. A recolha de dados foi desenvolvida através de autopreenchimento do GIAP – versão portuguesa. De entre os principais resultados destacam-se: 1) a obtenção de um instrumento válido e fiável para avaliar o AGTE e conhecimentos e atitudes geriátricas; 2) a perceção de enfermeiros/as sobre o cuidado às pessoas idosas como sendo predominantemente negativa; 3) a perceção de enfermeiros/as sobre o apoio insuficiente dos líderes hospitalares para promover um AGTE favorável; 4) o cuidado a pessoas idosas com comportamentos inadequados e o uso de recursos geriátricos como os principais fatores que influenciam a eficácia e a qualidade do cuidado geriátrico; 5) a lacuna de conhecimento e atitudes negativas de enfermeiros/as acerca das quatro síndromes geriátricas; 6) a conceptualização de um modelo sobre a associação das características de enfermeiros/as, dos hospitais do estudo e das perceções destes/as profissionais sobre o cuidado geriátrico com o AGTE e o conhecimento e atitudes geriátricos; 7) a falta de apoio familiar, a descontinuidade e a escassez de tempo para o cuidado como principais obstáculos no cuidado à pessoa idosa hospitalizada; e 8) o perfil de cuidado geriátrico nos hospitais da região norte e centro de Portugal como tendencialmente homogéneo. Os resultados deste estudo sustentam a necessidade de um maior investimento dos decisores políticos, administradores hospitalares e docentes de Enfermagem na capacitação dos/as enfermeiros/as para o cuidado geriátrico e na promoção de um AGTE mais favorável. Também oferece recomendações significativas nos domínios da decisão política, da gestão institucional e da prática profissional que devem ser alvo de uma discussão alargada entre os vários agentes com responsabilidade nestes domínios. Espera-se que este estudo possa contribuir para a promoção de um contexto favorável ao desenvolvimento de um cuidado de enfermagem geriátrica de boa qualidade às pessoas hospitalizadas.

Participação ativa no desenvolvimento de comunidades online

Esta tese tem como objetivos identificar e caraterizar os modos de Comunicação Mediada por Computador (CMC) utilizados nas Comunidades Online (CO), relevantes para a prática de criação visual, contextualizando-os na produção de Type Design (TD). E concetualizar um modelo de CO de prática, desenvolvida segundo uma metodologia participativa, avaliando as estratégias de dinamização e viabilização no contexto nacional. Atualmente, com a disseminação das tecnologias de informação e comunicação a prática de TD, uma atividade isolada e individual, está sujeita a um paradigma de mudança—tornar-se uma atividade de partilha cada vez maior. A investigação dividiu-se em três fases. Na primeira fase procura perceber os modos relevantes de CMC para a prática de TD. Para isso, observa-se as motivações e comportamentos dos utilizadores nestas plataformas, apoiado pela recolha de dados sobre o uso destas plataformas no contexto académico. Juntamente com o desenvolvimento e avaliação de uma experiência preliminar numa plataforma online existente. Na segunda fase, apresenta-se o modelo concetual de uma CO para a produção de TD apoiado na identificação e caraterização das Virtual Community of Practice de TD existentes. E o respetivo desenvolvimento e implementação de um protótipo funcional. Na terceira fase o protótipo foi avaliado recorrendo à participação dos utilizadores—uma amostra de Type Designers profissionais portugueses—no desenvolvimento das estratégias comunitárias segundo uma abordagem participativa de Community-Centered Development. A utilização de um Focus Group de dimensões reduzidas, e as limitações temporais da investigação prática não permitem generalizar os resultados encontrados. No entanto, os resultados revelam que quanto mais específica for a atividade da prática partilhada na CO, mais especializados e restritos devem ser os modos de CMC implementados para a comunicação e interação dos membros online. A integração dos modos de CMC sobre a comunicação assíncrona através de artefactos visuais tem um potencial de comunicação mais eficaz e satisfatório para estes utilizadores. E as barreiras à participação, apesar de poderem ser minimizadas através da inovação nos modos implementados, são um desafio de sociabilização que devem ser geridos, equilibrando a comunicação explícita, os usos, perceções e expectativas dos diferentes papéis dos membros da comunidade.

Alkali-free bioactive glasses for bone regeneration

Bioactive glasses and glass-ceramics are a class of third generation biomaterials which elicit a special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissues. The purpose of the present study was to develop diopside based alkali-free bioactive glasses in order to achieve good sintering behaviour, high bioactivity, and a dissolution/ degradation rates compatible with the target applications in bone regeneration and tissue engineering. Another aim was to understand the structure-property relationships in the investigated bioactive glasses. In this quest, various glass compositions within the Diopside (CaMgSi2O6) – Fluorapatite (Ca5(PO4)3F) – Tricalcium phosphate (3CaO•P2O5) system have been investigated. All the glasses were prepared by melt-quenching technique and characterized by a wide array of complementary characterization techniques. The glass-ceramics were produced by sintering of glass powders compacts followed by a suitable heat treatment to promote the nucleation and crystallization phenomena. Furthermore, selected parent glass compositions were doped with several functional ions and an attempt to understand their effects on the glass structure, sintering ability and on the in vitro bio-degradation and biomineralization behaviours of the glasses was made. The effects of the same variables on the devitrification (nucleation and crystallization) behaviour of glasses to form bioactive glass-ceramics were also investigated. Some of the glasses exhibited high bio-mineralization rates, expressed by the formation of a surface hydroxyapatite layer within 1–12 h of immersion in a simulated body fluid (SBF) solution. All the glasses showed relatively lower degradation rates in comparison to that of 45S5 Bioglass®. Some of the glasses showed very good in vitro behaviour and the glasses co-doped with zinc and strontium showed an in vitro dose dependent behaviour. The as-designed bioactive glasses and glass–ceramic materials are excellent candidates for applications in bone regeneration and for the fabrication of scaffolds for tissue engineering.

Architecture for real-time coordination of multiple autonomous mobile units

Interest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.

Perception and software architecture for mobile robotics

When developing software for autonomous mobile robots, one has to inevitably tackle some kind of perception. Moreover, when dealing with agents that possess some level of reasoning for executing their actions, there is the need to model the environment and the robot internal state in a way that it represents the scenario in which the robot operates. Inserted in the ATRI group, part of the IEETA research unit at Aveiro University, this work uses two of the projects of the group as test bed, particularly in the scenario of robotic soccer with real robots. With the main objective of developing algorithms for sensor and information fusion that could be used e ectively on these teams, several state of the art approaches were studied, implemented and adapted to each of the robot types. Within the MSL RoboCup team CAMBADA, the main focus was the perception of ball and obstacles, with the creation of models capable of providing extended information so that the reasoning of the robot can be ever more e ective. To achieve it, several methodologies were analyzed, implemented, compared and improved. Concerning the ball, an analysis of ltering methodologies for stabilization of its position and estimation of its velocity was performed. Also, with the goal keeper in mind, work has been done to provide it with information of aerial balls. As for obstacles, a new de nition of the way they are perceived by the vision and the type of information provided was created, as well as a methodology for identifying which of the obstacles are team mates. Also, a tracking algorithm was developed, which ultimately assigned each of the obstacles a unique identi er. Associated with the improvement of the obstacles perception, a new algorithm of estimating reactive obstacle avoidance was created. In the context of the SPL RoboCup team Portuguese Team, besides the inevitable adaptation of many of the algorithms already developed for sensor and information fusion and considering that it was recently created, the objective was to create a sustainable software architecture that could be the base for future modular development. The software architecture created is based on a series of di erent processes and the means of communication among them. All processes were created or adapted for the new architecture and a base set of roles and behaviors was de ned during this work to achieve a base functional framework. In terms of perception, the main focus was to de ne a projection model and camera pose extraction that could provide information in metric coordinates. The second main objective was to adapt the CAMBADA localization algorithm to work on the NAO robots, considering all the limitations it presents when comparing to the MSL team, especially in terms of computational resources. A set of support tools were developed or improved in order to support the test and development in both teams. In general, the work developed during this thesis improved the performance of the teams during play and also the e ectiveness of the developers team when in development and test phases.

Severe plastic deformation of Al–Zn alloys

In this work, the R&D work mainly focused on the mechanical and microstructural analysis of severe plastic deformation (SPD) of Al–Zn alloys and the development of microstructure–based models to explain the observed behaviors is presented. Evolution of the microstructure and mechanical properties of Al–30wt% Zn alloy after the SPD by the high–pressure torsion (HPT) has been investigated in detail regarding the increasing amount of deformation. SPD leads to the gradual grain refinement and decomposition of the Al–based supersaturated solid solution. The initial microstructure of the Al–30wt% Zn alloy contains Al and Zn phases with grains sizes respectively of 15 and 1 micron. The SPD in compression leads to a gradual decrease of the Al and Zn phase grain sizes down to 4 microns and 252 nm, respectively, until a plastic strain of 0.25 is reached. At the same time, the average size of the Zn particles in the bulk of the Al grains increases from 20 to 60 nm and that of the Zn precipitates near or at the grain boundaries increases as well. This microstructure transformation is accompanied at the macroscopic scale by a marked softening of the alloy. The SPD produced by HPT is conducted up to a shear strain of 314. The final Al and Zn grains refine down to the nanoscale with sizes of 370 nm and 170 nm, respectively. As a result of HPT, the Zn–rich (Al) supersaturated solid solution decomposes completely and reaches the equilibrium state corresponding to room temperature and its leads to the material softening. A new microstructure–based model is proposed to describe the softening process occurring during the compression of the supersaturated Al–30wt% Zn alloy. The model successfully describes the above–mentioned phenomena based on a new evolution law expressing the dislocation mean free path as a function of the plastic strain. The softening of the material behavior during HPT process is captured very well by the proposed model that takes into consideration the effects of solid solution hardening and its decomposition, Orowan looping and dislocation density evolution. In particular, it is demonstrated that the softening process that occurs during HPT can be attributed mainly to the decomposition of the supersaturated solid solution and, in a lesser extent, to the evolution of the dislocation mean free path with plastic strain.