Intelligent Bio-Inspired system for manufacturing scheduling under uncertainties

A novel approach to scheduling resolution by combining Autonomic Computing (AC), Multi-Agent Systems (MAS), Case-based Reasoning (CBR), and Bio-Inspired Optimization Techniques (BIT) will be described. AC has emerged as a paradigm aiming at incorporating applications with a management structure similar to the central nervous system. The main intentions are to improve resource utilization and service quality. In this paper we envisage the use of MAS paradigm for supporting dynamic and distributed scheduling in Manufacturing Systems with AC properties, in order to reduce the complexity of managing manufacturing systems and human interference. The proposed CBR based Intelligent Scheduling System was evaluated under different dynamic manufacturing scenarios.

Collective intelligence on dynamic manufacturing scheduling optimization

Swarm Intelligence (SI) is a growing research field of Artificial Intelligence (AI). SI is the general term for several computational techniques which use ideas and get inspiration from the social behaviours of insects and of other animals. This paper presents hybridization and combination of different AI approaches, like Bio-Inspired Techniques (BIT), Multi-Agent systems (MAS) and Machine Learning Techniques (ML T). The resulting system is applied to the problem of jobs scheduling to machines on dynamic manufacturing environments.

Self-managing agents for dynamic scheduling in manufacturing

The main purpose of this paper is to propose a Multi-Agent Autonomic and Bio-Inspired based framework with selfmanaging capabilities to solve complex scheduling problems using cooperative negotiation. Scheduling resolution requires the intervention of highly skilled human problem-solvers. This is a very hard and challenging domain because current systems are becoming more and more complex, distributed, interconnected and subject to rapidly changing. A natural Autonomic Computing (AC) evolution in relation to Current Computing is to provide systems with Self-Managing ability with a minimum human interference.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Introducing the fractional-order Darwinian PSO

One of the most well-known bio-inspired algorithms used in optimization problems is the particle swarm optimization (PSO), which basically consists on a machinelearning technique loosely inspired by birds flocking in search of food. More specifically, it consists of a number of particles that collectively move on the search space in search of the global optimum. The Darwinian particle swarm optimization (DPSO) is an evolutionary algorithm that extends the PSO using natural selection, or survival of the fittest, to enhance the ability to escape from local optima. This paper firstly presents a survey on PSO algorithms mainly focusing on the DPSO. Afterward, a method for controlling the convergence rate of the DPSO using fractional calculus (FC) concepts is proposed. The fractional-order optimization algorithm, denoted as FO-DPSO, is tested using several well-known functions, and the relationship between the fractional-order velocity and the convergence of the algorithm is observed. Moreover, experimental results show that the FO-DPSO significantly outperforms the previously presented FO-PSO.

Projeto, desenvolvimento e implementação de um robô nadador de inspiração biológica

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, pertencente ao Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores, ramo de Automação e Sistemas, do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Este trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica no meio aquático. Pretendeu-se com este trabalho desenvolver e implementar um robô nadador de inspiração biológica. Inicialmente foi realizado um estudo acerca da locomoção dos peixes, para perceber a sua forma de se movimentar. Foi ainda efetuado um estudo acerca dos robôs nadadores existentes, de forma a verificar a sua constituição e formas de locomoção. Numa fase inicial foi desenvolvido um protótipo e, de seguida, procedeu-se à implementação do robô de uma forma sequencial. Implementou-se a estrutura do robô, com o objetivo de se assemelhar o mais possível com um peixe biológico. Foram utilizados servomotores para a locomoção do robô. Para que o robô possua a capacidade de se movimentar numa determinada direção recorreu-se à utilização de uma bússola digital. Posteriormente introduziu-se um emissor/recetor de radiofrequência (RF) para ligar/desligar o robô. Numa fase final procederam-se aos testes da locomoção do robô. Nos ensaios realizados verificou-se que o robô conseguiu nadar com estabilidade e com sentido de direção.

Synthesis of molecular biomimetics

Biomimetics has paved the way toward new materials and technologies inspired in Nature. Biomolecules and their supramolecular organization have today a leading role in biomimetics, benefiting from the recent advances in nanotechnology. The production of biomimetic materials may be however a difficult task, because Nature does it very well. The use of several building blocks assembled in bottom-up arrangement is without doubt at the core of this process. Such building blocks include different molecules or molecular arrangements, of synthetic or natural origin, such as amino acids, lipids, carbohydrates, nucleic acids, carbon allotropes, dendrimers, or organosilanes, among others. The most common approaches to produce synthetic biomimetic materials are reported herein, with special emphasis to building blocks and their supramolecular arrangement.

Projeto, Desenvolvimento e implementação de um Robô Voador de Inspiração Biológica

Este trabalho consiste no projeto, desenvolvimento e implementação de uma máquina voadora de inspiração biológica. Para a sua construção, é elaborado um estudo do voo nos seres biológicos de forma a obter alguma informação para o seu dimensionamento e é elaborada uma análise de projetos que utilizem as mesmas características de voo. Com os dados recolhidos neste estudo, é elaborado o projeto da máquina. Numa última fase, com recurso a materiais leves, é implementada uma máquina capaz de exercer as forças envolvidas no voo, força de propulsão e força de sustentação, e são elaborados estudos a fim de perceber quais os pontos fortes e os pontos fracos da mesma.

Towards a reliable technology for antioxidant capacity and oxidative damage evaluation: Electrochemical (bio)sensors

To counteract and prevent the deleterious effect of free radicals the living organisms have developed complex endogenous and exogenous antioxidant systems. Several analytical methodologies have been proposed in order to quantify antioxidants in food, beverages and biological fluids. This paper revises the electroanalytical approaches developed for the assessment of the total or individual antioxidant capacity. Four electrochemical sensing approaches have been identified, based on the direct electrochemical detection of antioxidant at bare or chemically modified electrodes, and using enzymatic and DNA-based biosensors.

Design and Implementation of a Biologically Inspired Flying Robot - An EPS@ISEP 2014 Spring Project

The goal of this EPS@ISEP project proposed in the Spring of 2014 was to develop a flapping wing flying robot. The project was embraced by a multinational team composed of four students from different countries and fields of study. The team designed and implemented a robot inspired by a biplane design, constructed from lightweight materials and battery powered. The prototype, called MyBird, was built with a 250 € budget, reuse existing materials as well as low cost solutions. Although the team's initial idea was to build a light radio controlled robot, time limitations along with setbacks involving the required electrical components led to a light but not radio controlled prototype. The team, from the experience gathered, made a number of future improvement suggestions, namely, the addition of radio control and a camera and the adoption of articulated monoplane design instead of the current biplane design for the wings.

Design and Implementation of a Biologically Inspired Swimming Robot - An EPS@ISEP 2014 Spring Project

This paper presents the development of a fish-like robot called Bro-Fish. Bro-Fish aims to be an educational toy dedicated to teaching mechanics, programming and the physics of floating objects to youngsters. The underlying intention is to awaken the interest of children for technology, especially biomimetic (biologically inspired) approaches, in order to promote sustainability and raise the level of ecological awareness. The main focus of this project was to create a robot with carangiform locomotion and controllable swimming, providing the opportunity to customize parts and experiment with the physics of floating objects. Therefore, the locomotion principles of fishes and mechanisms developed in related projects were analysed. Inspired by this background knowledge, a prototype was designed and implemented. The main achievement is the new tail mechanism that propels the robot. The tail resembles the undulation motion of fish bodies and is actuated in an innovative way, triggered by an elegant movement of a rotating helicoidal. First experimental tests revealed the potential of the proposed methodology to effectively generate forward propulsion.

Emerging (Bio)Sensing Technology for Assessing and Monitoring Freshwater Contamination – Methods and Applications

Ecological Water Quality - Water Treatment and Reuse