Mining biomedical information from scientific literature

The rapid evolution and proliferation of a world-wide computerized network, the Internet, resulted in an overwhelming and constantly growing amount of publicly available data and information, a fact that was also verified in biomedicine. However, the lack of structure of textual data inhibits its direct processing by computational solutions. Information extraction is the task of text mining that intends to automatically collect information from unstructured text data sources. The goal of the work described in this thesis was to build innovative solutions for biomedical information extraction from scientific literature, through the development of simple software artifacts for developers and biocurators, delivering more accurate, usable and faster results. We started by tackling named entity recognition - a crucial initial task - with the development of Gimli, a machine-learning-based solution that follows an incremental approach to optimize extracted linguistic characteristics for each concept type. Afterwards, Totum was built to harmonize concept names provided by heterogeneous systems, delivering a robust solution with improved performance results. Such approach takes advantage of heterogenous corpora to deliver cross-corpus harmonization that is not constrained to specific characteristics. Since previous solutions do not provide links to knowledge bases, Neji was built to streamline the development of complex and custom solutions for biomedical concept name recognition and normalization. This was achieved through a modular and flexible framework focused on speed and performance, integrating a large amount of processing modules optimized for the biomedical domain. To offer on-demand heterogenous biomedical concept identification, we developed BeCAS, a web application, service and widget. We also tackled relation mining by developing TrigNER, a machine-learning-based solution for biomedical event trigger recognition, which applies an automatic algorithm to obtain the best linguistic features and model parameters for each event type. Finally, in order to assist biocurators, Egas was developed to support rapid, interactive and real-time collaborative curation of biomedical documents, through manual and automatic in-line annotation of concepts and relations. Overall, the research work presented in this thesis contributed to a more accurate update of current biomedical knowledge bases, towards improved hypothesis generation and knowledge discovery.

Grounding human vocabulary in robot perception through interaction

This thesis addresses the problem of word learning in computational agents. The motivation behind this work lies in the need to support language-based communication between service robots and their human users, as well as grounded reasoning using symbols relevant for the assigned tasks. The research focuses on the problem of grounding human vocabulary in robotic agent’s sensori-motor perception. Words have to be grounded in bodily experiences, which emphasizes the role of appropriate embodiments. On the other hand, language is a cultural product created and acquired through social interactions. This emphasizes the role of society as a source of linguistic input. Taking these aspects into account, an experimental scenario is set up where a human instructor teaches a robotic agent the names of the objects present in a visually shared environment. The agent grounds the names of these objects in visual perception. Word learning is an open-ended problem. Therefore, the learning architecture of the agent will have to be able to acquire words and categories in an openended manner. In this work, four learning architectures were designed that can be used by robotic agents for long-term and open-ended word and category acquisition. The learning methods used in these architectures are designed for incrementally scaling-up to larger sets of words and categories. A novel experimental evaluation methodology, that takes into account the openended nature of word learning, is proposed and applied. This methodology is based on the realization that a robot’s vocabulary will be limited by its discriminatory capacity which, in turn, depends on its sensors and perceptual capabilities. An extensive set of systematic experiments, in multiple experimental settings, was carried out to thoroughly evaluate the described learning approaches. The results indicate that all approaches were able to incrementally acquire new words and categories. Although some of the approaches could not scale-up to larger vocabularies, one approach was shown to learn up to 293 categories, with potential for learning many more.

Algoritmos inteligentes de baixa complexidade

A domótica é uma área com grande interesse e margem de exploração, que pretende alcançar a gestão automática e autónoma de recursos habitacionais, proporcionando um maior conforto aos utilizadores. Para além disso, cada vez mais se procuram incluir benefícios económicos e ambientais neste conceito, por forma a garantir um futuro sustentável. O aquecimento de água (por meios elétricos) é um dos fatores que mais contribui para o consumo de energia total de uma residência. Neste enquadramento surge o tema “algoritmos inteligentes de baixa complexidade”, com origem numa parceria entre o Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática (DETI) da Universidade de Aveiro e a Bosch Termotecnologia SA, que visa o desenvolvimento de algoritmos ditos “inteligentes”, isto é, com alguma capacidade de aprendizagem e funcionamento autónomo. Os algoritmos devem ser adaptados a unidades de processamento de 8 bits para equipar pequenos aparelhos domésticos, mais propriamente tanques de aquecimento elétrico de água. Uma porção do desafio está, por isso, relacionada com as restrições computacionais de microcontroladores de 8 bits. No caso específico deste trabalho, foi determinada a existência de sensores de temperatura da água no tanque como a única fonte de informação externa aos algoritmos, juntamente com parâmetros pré-definidos pelo utilizador que estabelecem os limiares de temperatura máxima e mínima da água. Partindo deste princípio, os algoritmos desenvolvidos baseiam-se no perfil de consumo de água quente, observado ao longo de cada semana, para tentar prever futuras tiragens de água e, consequentemente, agir de forma adequada, adiantando ou adiando o aquecimento da água do tanque. O objetivo é alcançar uma gestão vantajosa entre a economia de energia e o conforto do utilizador (água quente), isto sem que exista necessidade de intervenção direta por parte do utilizador final. A solução prevista inclui também o desenvolvimento de um simulador que permite observar, avaliar e comparar o desempenho dos algoritmos desenvolvidos.

Dynamic set pieces for CAMBADA team

Robotics is an emergent branch of engineering that involves the conception, manufacture, and control of robots. It is a multidisciplinary field that combines electronics, design, computer science, artificial intelligence, mechanics and nanotechnology. Its evolution results in machines that are able to perform tasks with some level of complexity. Multi-agent systems is a researching topic within robotics, thus they allow the solving of higher complexity problems, through the execution of simple routines. Robotic soccer allows the study and development of robotics and multiagent systems, as the agents have to work together as a team, having in consideration most problems found in our quotidian, as for example adaptation to a highly dynamic environment as it is the one of a soccer game. CAMBADA is the robotic soccer team belonging to the group of research IRIS from IEETA, composed by teachers, researchers and students of the University of Aveiro, which annually has as main objective the participation in the RoboCup, in the Middle Size League. The purpose of this work is to improve the coordination in set pieces situations. This thesis introduces a new behavior and the adaptation of the already existing ones in the offensive situation, as well as the proposal of a new positioning method in defensive situations. The developed work was incorporated within the competition software of the robots. Which allows the presentation, in this dissertation, of the experimental results obtained, through simulation software as well as through the physical robots on the laboratory.

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.

Subspace-based techniques and applications

Este trabalho focou-se no estudo de técnicas de sub-espaço tendo em vista as aplicações seguintes: eliminação de ruído em séries temporais e extracção de características para problemas de classificação supervisionada. Foram estudadas as vertentes lineares e não-lineares das referidas técnicas tendo como ponto de partida os algoritmos SSA e KPCA. No trabalho apresentam-se propostas para optimizar os algoritmos, bem como uma descrição dos mesmos numa abordagem diferente daquela que é feita na literatura. Em qualquer das vertentes, linear ou não-linear, os métodos são apresentados utilizando uma formulação algébrica consistente. O modelo de subespaço é obtido calculando a decomposição em valores e vectores próprios das matrizes de kernel ou de correlação/covariância calculadas com um conjunto de dados multidimensional. A complexidade das técnicas não lineares de subespaço é discutida, nomeadamente, o problema da pre-imagem e a decomposição em valores e vectores próprios de matrizes de dimensão elevada. Diferentes algoritmos de préimagem são apresentados bem como propostas alternativas para a sua optimização. A decomposição em vectores próprios da matriz de kernel baseada em aproximações low-rank da matriz conduz a um algoritmo mais eficiente- o Greedy KPCA. Os algoritmos são aplicados a sinais artificiais de modo a estudar a influência dos vários parâmetros na sua performance. Para além disso, a exploração destas técnicas é extendida à eliminação de artefactos em séries temporais biomédicas univariáveis, nomeadamente, sinais EEG.

Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

Integrated coastal geoengineering approach for maritime environments

This dissertation introduces several methodological approaches which integrate a proposed coastal management model in an interdisciplinary perspective. The research presented herein is displayed as a set of publications comprising different thematic outlooks. The thesis develops an integrated coastal geoengineering approach which is intrinsically linked to the studied maritime environments. From sandy coasts and marine works to rocky platforms and sea cliffs, this study includes field work between Caminha – Figueira da Foz (NW Portugal) and Galicia (NW Spain). The research also involves an analysis and geological-geotechnical characterisation of natural rock (armourstone) and artificial units (concrete blocks) applied to coastal structures. The main goal is to contribute to the characterisation and re-evaluation of georesources and to determine armourstone suitability and availability from its source (quarry). It was also important to diagnose the geomaterials in situ concerning their degradation/deterioration level on the basis of the current status of the coastal protection works in order to facilitate more efficient monitoring and maintenance, with economic benefits. In the rocky coast approach the coastal blocks were studied along the platform, but also the geoforms were studied from a coastal morphodynamics point of view. A shoreline evolution analysis was developed for sandy coasts through Digital Shoreline Analysis System (DSAS) extension. In addition, the spatial and statistical analysis applied to sea cliffs allowed the establishment of susceptibility zones to erosion and hazardous areas. All of these studies have different purposes and results however, there is a common denominator – GIS mapping. Hence, apart from the studied coastal environment, there is an integrated system which includes a sequence of procedures and methodologies that persisted during the research period. This is a step forward in the study of different coastal environments by using almost the same methodologies. This will allow the characterisation, monitoring and assessment of coastal protection works, rocky coasts, and shore platforms. With such data, it is possible to propose or recommend strategies for coastal and shoreline management based on several justifications in terms of social, economic, and environmental questions, or even provide a GIS-based planning support system reinforced by geocartographic decisions. Overall the development of the applied cartography embraces six stages which will allow the production of detailed maps of the maritime environment: (1) high-resolution aerial imagery surveys; (2) visual inspection and systematic monitoring; (3) applied field datasheet; (4) in situ evaluation; (5) scanline surveying; and (6) GIS mapping. This thesis covers fundamental matters that were developed over the course of scientific publication and as a consequence they represent the results obtained and discussed. The subjects directly related to the thesis architecture are: (i) cartography applied to coastal dynamics (including an art historical analysis as a tool to comprehend the coastal evolution and the littoral zone); (ii) georesources assessment (the role of cartography in georesources zoning, assessment and armourstone durability); (iii) coastal geoengineering applications and monitoring (Espinho pilot site in NW Portugal as an experimental field); (iv) rocky coast and shore platform studies and characterisation; (v) sandy and mixed environment approaches; (vi) coastal geosciences GIS mapping and photogrammetric surveying (coastal geoengineering); and (vii) shoreline change mapping and coastal management strategies (the CartGalicia Project as an example – NW Spain). Finally, all of these thematic areas were crucial to generate the conceptual models proposed and to shape the future of integrated coastal coastal geoengineering management.

Modificação da pasta kraft de eucalipto para novas aplicações

Este trabalho constou num estudo da modificação da pasta kraft de eucalipto, utilizando uma técnica de processamento por alta pressão hidrostática com o intuito de melhorar a sua performance para novas aplicações tal como o papel tissue ou o papel para embalagens. Para tal pretendia-se melhorar algumas propriedades da pasta com a utilização da técnica de alta pressão hidrostática. Realizou-se um estudo preliminar onde se submeteu uma pasta branqueada A, não refinada, a um tratamento hiperbárico (TH) numa gama de pressões de 5000-8000 bar. Para uma pressão de 6000 bar constatou-se uma melhoria de cerca de 16 % no alongamento percentual na rotura, 17 % na resistência à tração, 27 % no índice de rebentamento e cerca de 19 % no índice de rasgamento. Posteriormente, e tendo em conta os resultados positivos verificados na pasta A, estudou-se o efeito do TH numa pasta branqueada B variando a consistência de tratamento (1,5% ou 3%) e o tempo de processamento (5 ou 10 minutos). Foi estudado também o efeito do TH quando aplicado antes e após a refinação da pasta. A pasta branca foi submetida à refinação num moinho PFI entre 1000 e 3000 rotações. Os resultados obtidos mostram que o TH realizado a menores consistências apresenta um efeito mais significativo nas propriedades físico-mecânicas de pastas e que o efeito é distinto quando o processamento é aplicado antes e depois da refinação, tendo-se registado melhoramentos das propriedades mecânicas apenas quando o TH ocorre após a refinação. A pasta kraft foi também modificada com anidrido alquenil succínico (ASA). A modificação da pasta de celulose com ASA resultou numa diminuição das propriedades mecânicas e para além disso não gerou qualquer alteração na termoplasticidade do material, no entanto registou-se um aumento na resistência à molhabilidade. Concluiu-se que o TH conduz a alterações ao nível de propriedades mecânicas e estruturais da pasta de interesse para a aplicação em papéis tissue no caso da pasta B. Para além disso a modificação da pasta com ASA resultou em alterações de interesse particular para papéis de embalagem.