Kinematics and statics of cable-driven parallel robots by interval-analysis-based methods

In the past two decades the work of a growing portion of researchers in robotics focused on a particular group of machines, belonging to the family of parallel manipulators: the cable robots. Although these robots share several theoretical elements with the better known parallel robots, they still present completely (or partly) unsolved issues. In particular, the study of their kinematic, already a difficult subject for conventional parallel manipulators, is further complicated by the non-linear nature of cables, which can exert only efforts of pure traction. The work presented in this thesis therefore focuses on the study of the kinematics of these robots and on the development of numerical techniques able to address some of the problems related to it. Most of the work is focused on the development of an interval-analysis based procedure for the solution of the direct geometric problem of a generic cable manipulator. This technique, as well as allowing for a rapid solution of the problem, also guarantees the results obtained against rounding and elimination errors and can take into account any uncertainties in the model of the problem. The developed code has been tested with the help of a small manipulator whose realization is described in this dissertation together with the auxiliary work done during its design and simulation phases.

Miglioramento delle performance termiche e energetiche degli edifici rurali: valutazione del retrofit di locali per la conservazione del vino su casi studio

Il presente studio si colloca all’interno di una ricerca più ampia volta alla definizione di criteri progettuali finalizzati all’ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle cantine di aziende vitivinicole, di dimensioni produttive medio - piccole. Nello specifico la ricerca riguarda la riqualificazione di fabbricati rurali esistenti di modeste dimensioni, da convertire a magazzini per la conservazione del vino in bottiglia. Lo studio si pone come obiettivo la definizione di criteri di analisi per la valutazione di interventi di retrofit di tali fabbricati, volto sia al miglioramento delle prestazioni energetiche dell’involucro edilizio, sia alla riduzione del fabbisogno energetico legato al funzionamento di eventuali impianti di controllo termico. La ricerca è stata condotta mediante l’utilizzo del software di simulazione termica Energy Plus, per ottenere i valori simulati di temperatura interna relativi ai diversi scenari migliorativi ipotizzati, e mediante la successiva definizione di indicatori che esplicitino l’influenza delle principali variabili progettuali sull’andamento delle temperature interne dei locali di conservazione e sul fabbisogno energetico del fabbricato necessario a garantire l’intervallo di temperatura di comfort del vino. Tra tutti gli interventi possibili per il miglioramento della prestazione energetica degli edifici, quelli analizzati in questo studio prevedono l’aggiunta di un isolamento a cappotto delle pareti esterne, l’isolamento della copertura e l’aggiunta di una struttura ombreggiante vegetale esterna. I risultati ottenuti danno una prima indicazione sugli interventi più efficaci in termini di miglioramento energetico e mettono in luce l’utilità del criterio proposto nell’evidenziare le criticità degli interventi migliorativi ipotizzati. Il metodo definito nella presente ricerca risulta quindi un valido strumento di valutazione a supporto della progettazione degli interventi di retrofit dei fabbricati rurali da convertire a magazzini per la conservazione del vino.

Development of Core Design Methods and Tools for Gen-IV Heavy Liquid Metal Cooled Reactors

Heavy Liquid Metal Cooled Reactors are among the concepts, fostered by the GIF, as potentially able to comply with stringent safety, economical, sustainability, proliferation resistance and physical protection requirements. The increasing interest around these innovative systems has highlighted the lack of tools specifically dedicated to their core design stage. The present PhD thesis summarizes the three years effort of, partially, closing the mentioned gap, by rationally defining the role of codes in core design and by creating a development methodology for core design-oriented codes (DOCs) and its subsequent application to the most needed design areas. The covered fields are, in particular, the fuel assembly thermal-hydraulics and the fuel pin thermo-mechanics. Regarding the former, following the established methodology, the sub-channel code ANTEO+ has been conceived. Initially restricted to the forced convection regime and subsequently extended to the mixed one, ANTEO+, via a thorough validation campaign, has been demonstrated a reliable tool for design applications. Concerning the fuel pin thermo-mechanics, the will to include safety-related considerations at the outset of the pin dimensioning process, has given birth to the safety-informed DOC TEMIDE. The proposed DOC development methodology has also been applied to TEMIDE; given the complex interdependence patterns among the numerous phenomena involved in an irradiated fuel pin, to optimize the code final structure, a sensitivity analysis has been performed, in the anticipated application domain. The development methodology has also been tested in the verification and validation phases; the latter, due to the low availability of experiments truly representative of TEMIDE's application domain, has only been a preliminary attempt to test TEMIDE's capabilities in fulfilling the DOC requirements upon which it has been built. In general, the capability of the proposed development methodology for DOCs in delivering tools helping the core designer in preliminary setting the system configuration has been proven.

Smantellamento di un reattore di potenza gas-grafite di I generazione: metodologie e tecnologie di rimozione della grafite e smantellamento del nocciolo

Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo studio dello smantellamento di un reattore gas grafite di potenza di I Gen. L’indagine è stata focalizzata in particolare al recupero della grafite irraggiata che ne costituisce il core. Viene presentata una descrizione referenziata del reattore e dei suoi componenti per mettere in evidenza la particolare architettura e le specifiche problematiche ad essa correlate. A valle di un’indagine sulle esperienze internazionali in merito al decommissioning e allo smantellamento di questi tipi di reattori, si forniscono una possibile sequenza di accesso alla cavità del reattore e una procedura per il suo smantellamento; si descrivono sommariamente le tecnologie di taglio e di handling, attualmente allo stato dell’arte, considerate come più idonee a questo tipo di applicazione. Vengono descritte le principali criticità della grafite nuclear grade ed illustrati i fenomeni caratteristici che ne determinano l’evoluzione nel reattore. Sulla base dei dati resi disponibili dalla Sogin S.p:A. e ricorrendo ai dati di letteratura per quelli non disponibili, è stato effettuato un assessment della grafite irraggiata costituente il nocciolo del reattore, rivolto in particolare a determinarne le caratteristiche meccaniche e la resistenza residua post-irraggiamento. Per valutare la possibilità di prelevare la grafite dal nocciolo è stato ipotizzato un dispositivo di presa che agganci per attrito i blocchi di grafite del moderatore attraverso il canale assiale. Infine è stata valutata la fattibilità di tale metodo attraverso una serie di simulazioni agli elementi finiti dirette a verificare la resistenza del blocco in varie condizioni di carico e vincolo. Come risultato si è dimostrata la fattibilità, almeno in via preliminare, del metodo proposto, determinando l’inviluppo di utilizzo del dispositivo di presa nonché la compatibilità del metodo proposto con le tecnologie di handling precedentemente individuate.

Lo studio del microclima indoor per la conservazione preventiva del Patrimonio storico artistico e culturale

La conservazione preventiva degli edifici storici e dei beni custoditi al loro interno rappresenta una sfida ad oggi condivisa a livello internazionale. Tale conservazione dipende da numerose variabili, tra le quali il microclima indoor gioca un ruolo decisivo. Il fine di questa tesi è verificare come lo studio del microclima indoor, supportato dalla simulazione virtuale e dalla conoscenza storica delle evoluzioni dell’edificio stesso (legate a modifiche impiantistiche; architettoniche; d’uso; ecc., nel corso degli anni), costituiscano una base conoscitiva fondamentale, da cui architetti e restauratori possono partire per definire strategie specifiche, volte alla conservazione preventiva del Patrimonio. Per fare questo, l’autore presenta le indagini svolte per tre casi-studio: la Sala 33 della Reggia di Venaria Reale, in provincia di Torino, Italia; la Biblioteca Generale Storica dell’Università di Salamanca, in Spagna; il Portico della Gloria, nartece della Cattedrale di Santiago de Compostela, in Spagna. La metodologia definita e adottata per l’analisi e l’interpretazione dei dati di ciascun caso-studio ha previsto la comprensione e la messa in relazione tra: scelte costruttive; vicende evolutive delle singole architetture; fattori che ne determinano il microclima, letti (o ipotizzati) nelle relative modifiche diacroniche; degrado delle architetture e dei beni che sono custoditi in esse. Infine, uno degli esiti più innovativi della ricerca è stata la definizione di due indici di rischio: sono stati infatti definiti due nuovi indici (Heritage Microclimate Risk -HMR- e Predicted Risk of Damage -PRD-) legati al microclima degli edifici che ospitano beni e manufatti che costituiscono il patrimonio storico artistico e culturale. Tali indici sono stati definiti tenendo conto di tutte le variabili da cui il microclima dipende e dei fattori che ne determinano l’evolversi nel tempo e nello spazio.

Ruolo della proteina OPA3 nella patogenesi di malattie neurodegenerative

OPA3 è una proteina codificata dal genoma nucleare che, grazie a una sequenza di targeting mitocondriale, viene indirizzata ai mitocondri dopo la sua sintesi. Le mutazioni nel gene OPA3 sono associate a due patologie neurodegenerative: la Sindrome di Costeff, causata da mutazioni recessive, e una forma di atrofia ottica dominante che si manifesta con cataratta e spesso sordità. L’esatta funzione e regolazione della proteina non sono ancora state completamente chiarite, così come la sua localizzazione nella membrana mitocondriale esterna o interna. Lo scopo di questa tesi era quello di fare luce sulla funzione della proteina OPA3, con particolare interesse alla dinamica mitocondriale e all’autofagia, sulla sua localizzazione subcellulare ed infine di definire il meccanismo patogenetico nelle patologie neurodegenerative causate da mutazioni in questo gene. A questo scopo abbiamo utilizzato sia una linea di neuroblastoma silenziata stabilmente per OPA3 che linee cellulari primarie derivate da pazienti. I risultati del presente studio dimostrano che la riduzione di OPA3, indotta nelle cellule del neuroblastoma e presente nei fibroblasti derivati dai pazienti, produce alterazioni nel network mitocondriale con uno sbilanciamento a favore della fusione. Questo fenomeno è probabilmente dovuto all’aumento della forma long della proteina OPA1 che è stato riscontrato in entrambi i modelli cellulari. Inoltre, seppur con direzione apparentemente opposta, in entrambi i modelli abbiamo osservato un’alterata regolazione dell’autofagia. Infine, abbiamo confermato che OPA3 localizza nella membrana mitocondriale interna ed è esposta per gran parte nella matrice. Inoltre, un segnale della proteina è stato trovato anche nelle mitochondrial associated membranes, suggerendo un possibile ruolo di OPA3 nel trasferimento dei lipidi tra i mitocondri e il reticolo endoplasmatico. Abbiamo rilevato un’interazione della proteina OPA3 con l’acido fosfatidico che non era mai stata evidenziata fino ad oggi. Queste osservazioni sono compatibili con le alterazioni della dinamica mitocondriale e la disregolazione dell’autofagia documentate nei modelli studiati.

Measurement of CP violation with $B^0_{(s)} \to h^+ h^{\prime-}$ decays, $|V_{cb}|$ with $B^0_{s}\to D^{(*)-}_s \mu^+ \nu_\mu$ decays, and simulation and characterisation of the LHCb Upgrade II ECAL

The time-dependent CP asymmetries of the $B^0\to\pi^+\pi^-$ and $B^0_s\toK^+K^-$ decays and the time-integrated CP asymmetries of the $B^0\toK^+\pi^-$ and $B^0_s\to\pi^+K^-$ decays are measured, using the $p-p$ collision data collected with the LHCb detector and corresponding to the full Run2. The results are compatible with previous determinations of these quantities from LHCb, except for the CP-violation parameters of the $B^0_s\to K^+K^-$ decays, that show a discrepancy exceeding 3 standard deviations between different data-taking periods. The investigations being conducted to understand the discrepancy are documented. The measurement of the CKM matrix element $|V_{cb}|$ using $B^0_{s}\to D^{(*)-}_s\mu^+ \nu_\mu$ is also reported, using the $p-p$ collision data collected with the LHCb detector and corresponding to the full Run1. The measurement leads to $|V_{cb}| = (41.4\pm0.6\pm0.9\pm1.2)\times 10^{-3}$, where the first uncertainty is statistical, the second is systematic, and the third is due to external inputs. This measurement is compatible with the world averages and constitutes the first measurement of $|V_{cb}|$ at a hadron collider and the absolute first one with decays of the $B^0_s$ meson. The analysis also provides the very first measurements of the branching ratio and form factors parameters of the signal decay modes. The study of the characteristics ruling the response of an electromagnetic calorimeter (ECAL) to profitably operate in the high luminosity regime foreseen for the Upgrade2 of LHCb is reported in the final part of this Thesis. A fast and flexible simulation framework is developed to this purpose. Physics performance of different configurations of the ECAL are evaluated using samples of fully simulated $B^0\to \pi^+\pi^-\pi^0$ and $B^0\to K^{*0}e^+e^-$ decays. The results are used to guide the development of the future ECAL and are reported in the Framework Technical Design Report of the LHCb Upgrade2 detector.

Machine learning as a service for high energy physics (MLaaS4HEP): a service for ML-based data analyses

With the CERN LHC program underway, there has been an acceleration of data growth in the High Energy Physics (HEP) field and the usage of Machine Learning (ML) in HEP will be critical during the HL-LHC program when the data that will be produced will reach the exascale. ML techniques have been successfully used in many areas of HEP nevertheless, the development of a ML project and its implementation for production use is a highly time-consuming task and requires specific skills. Complicating this scenario is the fact that HEP data is stored in ROOT data format, which is mostly unknown outside of the HEP community. The work presented in this thesis is focused on the development of a ML as a Service (MLaaS) solution for HEP, aiming to provide a cloud service that allows HEP users to run ML pipelines via HTTP calls. These pipelines are executed by using the MLaaS4HEP framework, which allows reading data, processing data, and training ML models directly using ROOT files of arbitrary size from local or distributed data sources. Such a solution provides HEP users non-expert in ML with a tool that allows them to apply ML techniques in their analyses in a streamlined manner. Over the years the MLaaS4HEP framework has been developed, validated, and tested and new features have been added. A first MLaaS solution has been developed by automatizing the deployment of a platform equipped with the MLaaS4HEP framework. Then, a service with APIs has been developed, so that a user after being authenticated and authorized can submit MLaaS4HEP workflows producing trained ML models ready for the inference phase. A working prototype of this service is currently running on a virtual machine of INFN-Cloud and is compliant to be added to the INFN Cloud portfolio of services.

Transition Matters. Il ruolo del designer nella transizione sostenibile e circolare dei materiali polimerici

La ricerca indaga il ruolo del designer nella transizione sostenibile e circolare all’uso di materiali polimerici. Nel contesto contemporaneo la plastica è utilizzata in quasi ogni settore merceologico ma la sua futura applicazione è messa in forte discussione a causa dei visibili impatti ambientali del suo uso irresponsabile. Un passaggio netto dalla totale dipendenza alla liberazione dei polimeri è difficile; è necessario un periodo di transizione che permetta di coesistere responsabilmente con i polimeri in attesa di trovare dei validi sostituti. L’obiettivo della ricerca è lavorare su questo periodo ponendo il designer e le sue competenze come soggetti chiave del movimento. La tesi di ricerca propone un approccio per calare le pratiche del Transition Design nella progettazione di sistemi-prodotto, nutrendosi degli attributi anticipatori dell’Advanced Design e puntando agli obiettivi del Circular Design, lavorando a partire dalle merci più critiche nel contesto contemporaneo: quelle in polimero fossile non riciclabile. Contributo della tesi è la figura del Transition Matter Designer, un progettista di transizioni dei materiali che prevede metamorfosi di sistemi-prodotto nel tempo grazie alle sue competenze a diverse scale del progetto: forma l’utente agli atteggiamenti circolari e sostenibili, caratterizza i materiali per individuarne nuovi usi, seleziona i processi produttivi adatti a prevenire scarti e ne anticipa i cicli di vita nei prodotti. I Knitted Fasteners sono il risultato della simulazione del lavoro del Transition Matter Designer nel tessile: un sistema di elementi di fissaggio, personalizzabili dallo stilista e integrati negli abiti a maglia, che permettono di eliminare l’uso di fashion fasteners in plastica e metallo, elementi che rendono difficile il riciclo dei capi. Dalla sperimentazione è emerso il modello concettuale della Transindustrial Production: un lavoro di collaborazione fra Transition Matter Designer e creativo per dare identità ai materiali polimerici circolari attraverso l’ibridazione fra artigianato e industria, tipico del Made in Italy.

Incompressible limit and well-posedness of PDE models of tissue growth

Both compressible and incompressible porous medium models are used in the literature to describe the mechanical aspects of living tissues. Using a stiff pressure law, it is possible to build a link between these two different representations. In the incompressible limit, compressible models generate free boundary problems where saturation holds in the moving domain. Our work aims at investigating the stiff pressure limit of reaction-advection-porous medium equations motivated by tumor development. Our first study concerns the analysis and numerical simulation of a model including the effect of nutrients. A coupled system of equations describes the cell density and the nutrient concentration and the derivation of the pressure equation in the stiff limit was an open problem for which the strong compactness of the pressure gradient is needed. To establish it, we use two new ideas: an L3-version of the celebrated Aronson-Bénilan estimate, and a sharp uniform L4-bound on the pressure gradient. We further investigate the sharpness of this bound through a finite difference upwind scheme, which we prove to be stable and asymptotic preserving. Our second study is centered around porous medium equations including convective effects. We are able to extend the techniques developed for the nutrient case, hence finding the complementarity relation on the limit pressure. Moreover, we provide an estimate of the convergence rate at the incompressible limit. Finally, we study a multi-species system. In particular, we account for phenotypic heterogeneity, including a structured variable into the problem. In this case, a cross-(degenerate)-diffusion system describes the evolution of the phenotypic distributions. Adapting methods recently developed in the context of two-species systems, we prove existence of weak solutions and we pass to the incompressible limit. Furthermore, we prove new regularity results on the total pressure, which is related to the total density by a power law of state.