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.

Monitoring and all-optical signal processing techniques for transparent networks

Optical networks are under constant evolution. The growing demand for dynamism require devices that can accommodate different types of traffic. Thus the study of transparent optical networks arises. This approach makes optical networks more "elegant" , due to a more efficient use of network resources. In this thesis, the author proposes devices that intend to form alternative approaches both in the state of art of these same technologies both in the fitting of this technologies in transparent optical networks. Given that full transparency is difficult to achieve with current technology (perhaps with more developed optical computing this is possible), the author proposes techniques with different levels of transparency. On the topic of performance of optical networks, the author proposes two techniques for monitoring chromatic dispersion with different levels of transparency. In Chapter 3 the proposed technique seems to make more sense for long-haul optical transmission links and high transmission rates, not only due to its moderate complexity but also to its potential moderate/high cost. However it is proposed to several modulation formats, particularly those that have a protruding clock component. In Chapter 4 the transparency level was not tested for various modulation formats, however some transparency is achieved by not adding any electrical device after the receiver (other than an analog-digital converter). This allows that this technique can operate at high transmission rates in excess of 100 Gbit / s, if electro-optical asynchronous sampling is used before the optical receiver. Thus a low cost and low bandwidth photo-detector can be used. In chapter 5 is demonstrated a technique for simultaneously monitoring multiple impairments of the optical network by generating novel performance analysis diagrams and by use of artificial neural networks. In chapter 6 the author demonstrates an all-optical technique for controlling the optical state of polarization and an example of how all-optical signal processing can fully cooperate with optical performance monitoring.

Contributos da educação em Geociências para o desenvolvimento: uma abordagem ao tempo geológico

Perante os desafios do mundo contemporâneo, marcado pela complexidade, pelo ritmo acelerado de mudança e pela incerteza, o desenvolvimento dos alunos como cidadãos cientificamente cultos é um fator crítico. Neste contexto, a educação em Geociências, em geral, e a compreensão do tempo geológico, em particular, podem contribuir para um aprofundamento da cultura científica e da responsabilidade do cidadão promotor do desenvolvimento sustentável, numa matriz Ciência/Tecnologia/Sociedade. Assim, com este estudo, pretende-se alcançar duas grandes finalidades: a) contribuir para o desenvolvimento de um quadro teórico e concetual, no âmbito da educação em geral e das Geociências em particular, visando o desenvolvimento dos alunos como cidadãos cientificamente cultos numa lógica de sustentabilidade; b) conceber, implementar e avaliar estratégias, fundamentadas no corpus de referência, no âmbito da Geologia no ensino secundário. Corresponde a uma investigação-ação desenvolvida pelo professor de Biologia e Geologia com alunos do 11.º ano e organizada em três fases: i) desenvolvimento de um quadro teórico de referência e concetual; ii) conceção, desenvolvimento e avaliação de uma intervenção didática iii) elaboração de uma proposta metodológica fundamentada para o aprofundamento de uma cultura científica que promova o desenvolvimento da sustentabilidade na Terra a partir do ensino do tempo geológico. Os resultados do estudo apontam para a importância de trabalhar de modo articulado os conceitos de tempo geológico e de desenvolvimento sustentável na formação de cidadãos cientificamente cultos, capazes de dar resposta às questões complexas da sociedade atual. Por outro lado, a análise da intervenção didática confirma a importância das atividades exteriores à sala de aula e do trabalho prático para o desenvolvimento da cidadania, em alunos do ensino secundário, e como facilitadoras da compreensão de conceitos complexos como o de tempo geológico.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Aplicação da terapia fotodinâmica no processo de esterilização de sangue

A importância médica do sangue associada ao risco de doenças infeciosas levou a um melhoramento das técnicas de rastreio de patogénicos no sangue doado. No entanto, devido aos períodos de "janela", durante o qual os agentes infeciosos não podem ser detetados, a desinfeção de sangue e seus derivados assume uma importância vital. Considerando que as técnicas convencionais de desinfeção (tratamento com solvente-detergente ou irradiação com UV ou radiação gama) pode ser empregue em concentrados de plasma ou de proteínas, o efeito colateral associado aos respetivos tratamentos não permite a sua utilização em frações celulares. Consequentemente, é necessário o desenvolvimento de uma nova alternativa eficaz para inativar microrganismos em sangue. Uma boa estratégia que merece ser considerada baseia-se na terapia fotodinâmica antimicrobiana (aPDT). aPDT envolve a interação entre a luz e um fotossensibilizador (PS) na presença de oxigénio molecular. Esta interação produz espécies reativas de oxigénio (ROS), que causam danos oxidativos às moléculas microbianas necessárias à sobrevivência do microrganismo. Em alguns países, esta metodologia já está aprovada para descontaminação de plasma, utilizando azul de metileno ou psoraleno como PSs. O objetivo deste estudo foi avaliar a adequação de de estrutura do tipo ftalocianina (Pc) e porfirina (Por) para desinfeção fotodinâmica de hemoderivados. Plasma e sangue total foram infetados com 108 unidades formadoras de colónias (CFU) / mL de Escherichia coli e após incubação com os derivados Pc e Por em estudo, expostos respetivamente a luz vermelha ou a luz branca com uma irradiância de 150 W/m2durante 270 min. As concentrações de E. coli viáveis foram determinadas a 0, 30, 60, 90, 180 e 270 min e comparadas com as obtidas nos controlos claro (amostras irradiadas na ausência de PS) e controlos escuro (amostras incubadas com PS mas não irradiadas). O efeito do tratamento aPDT nas células do sangue (glóbulos vermelhos e brancos) também foi avaliado. Os resultados obtidos mostram que, em todos os componentes do sangue, a Por em estudo é mais eficaz na inativação de E. coli que o derivado Pc. Após o tratamento aPDT, o número de células vermelhas e brancas no sangue é semelhante aos valores observados nas amostras de controlo. A eficiente inativação de células de E. coli e a ausência de efeito sobre as células de sangue transformam os derivados porfirínicos e ftalocianinas potenciais candidatos a serem utilizados com fotossensibilizadores na desinfeção fotodinâmica de produtos derivados do sangue.