La Ricostruzione 3D di Bologna nel XVI Secolo

Il lavoro presentato ha come oggetto la ricostruzione tridimensionale della città di Bologna nella sua fase rinascimentale. Tale lavoro vuole fornire un modello 3D delle architetture e degli spazi urbani utilizzabile sia per scopi di ricerca nell’ambito della storia delle città sia per un uso didattico-divulgativo nel settore del turismo culturale. La base del lavoro è una fonte iconografica di grande importanza: l’affresco raffigurante Bologna risalente al 1575 e situato in Vaticano; questa è una veduta a volo d’uccello di grandi dimensioni dell’intero tessuto urbano bolognese all’interno della terza cerchia di mura. In esso sono rappresentate in maniera particolareggiata le architetture civili e ecclesiastiche, gli spazi ortivi e cortilivi interni agli isolati e alcune importanti strutture urbane presenti in città alla fine del Cinquecento, come l’area portuale e i canali interni alla città, oggi non più visibili. La ricostruzione tridimensionale è stata realizzata tramite Blender, software per la modellazione 3D opensource, attraverso le fasi di modellazione, texturing e creazione materiali (mediante campionamento delle principali cromie presenti nell’affresco), illuminazione e animazione. Una parte della modellazione è stata poi testata all’interno di un GIS per verificare l’utilizzo delle geometrie 3D come elementi collegabili ad altre fonti storiche relative allo sviluppo urbano e quindi sfruttabili per la ricerca storica. Grande attenzione infine è stata data all’uso dei modelli virtuali a scopo didattico-divulgativo e per il turismo culturale. La modellazione è stata utilizzata all’interno di un motore grafico 3D per costruire un ambiente virtuale interattivo nel quale un utente anche non esperto possa muoversi per esplorare gli spazi urbani della Bologna del Cinquecento. In ultimo è stato impostato lo sviluppo di un’applicazione per sistemi mobile (Iphone e Ipad) al fine di fornire uno strumento per la conoscenza della città storica in mobilità, attraverso la comparazione dello stato attuale con quello ricostruito virtualmente.

Fluidodinamica biomedica computazionale del flusso sanguigno in presenza di affezioni strumentali e/o patologiche

La tesi di Dottorato studia il flusso sanguigno tramite un codice agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics). Nell’arteria è presente un catetere Doppler (in posizione concentrica o decentrata rispetto all’asse di simmetria) o di stenosi di varia forma ed estensione. Le arterie sono solidi cilindrici rigidi, elastici o iperelastici. Le arterie hanno diametri di 6 mm, 5 mm, 4 mm e 2 mm. Il flusso ematico è in regime laminare stazionario e transitorio, ed il sangue è un fluido non-Newtoniano di Casson, modificato secondo la formulazione di Gonzales & Moraga. Le analisi numeriche sono realizzate in domini tridimensionali e bidimensionali, in quest’ultimo caso analizzando l’interazione fluido-strutturale. Nei casi tridimensionali, le arterie (simulazioni fluidodinamiche) sono infinitamente rigide: ricavato il campo di pressione si procede quindi all’analisi strutturale, per determinare le variazioni di sezione e la permanenza del disturbo sul flusso. La portata sanguigna è determinata nei casi tridimensionali con catetere individuando tre valori (massimo, minimo e medio); mentre per i casi 2D e tridimensionali con arterie stenotiche la legge di pressione riproduce l’impulso ematico. La mesh è triangolare (2D) o tetraedrica (3D), infittita alla parete ed a valle dell’ostacolo, per catturare le ricircolazioni. Alla tesi sono allegate due appendici, che studiano con codici CFD la trasmissione del calore in microcanali e l’ evaporazione di gocce d’acqua in sistemi non confinati. La fluidodinamica nei microcanali è analoga all’emodinamica nei capillari. Il metodo Euleriano-Lagrangiano (simulazioni dell’evaporazione) schematizza la natura mista del sangue. La parte inerente ai microcanali analizza il transitorio a seguito dell’applicazione di un flusso termico variabile nel tempo, variando velocità in ingresso e dimensioni del microcanale. L’indagine sull’evaporazione di gocce è un’analisi parametrica in 3D, che esamina il peso del singolo parametro (temperatura esterna, diametro iniziale, umidità relativa, velocità iniziale, coefficiente di diffusione) per individuare quello che influenza maggiormente il fenomeno.

Atomic Force Microscopy Studies of the Amyloidogenic Processes of Intrinsically Unstructured Proteins related to Neurodegenerative Diseases

Protein aggregation and formation of insoluble aggregates in central nervous system is the main cause of neurodegenerative disease. Parkinson’s disease is associated with the appearance of spherical masses of aggregated proteins inside nerve cells called Lewy bodies. α-Synuclein is the main component of Lewy bodies. In addition to α-synuclein, there are more than a hundred of other proteins co-localized in Lewy bodies: 14-3-3η protein is one of them. In order to increase our understanding on the aggregation mechanism of α-synuclein and to study the effect of 14-3-3η on it, I addressed the following questions. (i) How α-synuclein monomers pack each other during aggregation? (ii) Which is the role of 14-3-3η on α-synuclein packing during its aggregation? (iii) Which is the role of 14-3-3η on an aggregation of α-synuclein “seeded” by fragments of its fibrils? In order to answer these questions, I used different biophysical techniques (e.g., Atomic force microscope (AFM), Nuclear magnetic resonance (NMR), Surface plasmon resonance (SPR) and Fluorescence spectroscopy (FS)).

Metaheuristics for Search Problems in Genomics - New Algorithms and Applications

In this thesis we made the first steps towards the systematic application of a methodology for automatically building formal models of complex biological systems. Such a methodology could be useful also to design artificial systems possessing desirable properties such as robustness and evolvability. The approach we follow in this thesis is to manipulate formal models by means of adaptive search methods called metaheuristics. In the first part of the thesis we develop state-of-the-art hybrid metaheuristic algorithms to tackle two important problems in genomics, namely, the Haplotype Inference by parsimony and the Founder Sequence Reconstruction Problem. We compare our algorithms with other effective techniques in the literature, we show strength and limitations of our approaches to various problem formulations and, finally, we propose further enhancements that could possibly improve the performance of our algorithms and widen their applicability. In the second part, we concentrate on Boolean network (BN) models of gene regulatory networks (GRNs). We detail our automatic design methodology and apply it to four use cases which correspond to different design criteria and address some limitations of GRN modeling by BNs. Finally, we tackle the Density Classification Problem with the aim of showing the learning capabilities of BNs. Experimental evaluation of this methodology shows its efficacy in producing network that meet our design criteria. Our results, coherently to what has been found in other works, also suggest that networks manipulated by a search process exhibit a mixture of characteristics typical of different dynamical regimes.

A Design Methodology for Computer Security Testing

The field of "computer security" is often considered something in between Art and Science. This is partly due to the lack of widely agreed and standardized methodologies to evaluate the degree of the security of a system. This dissertation intends to contribute to this area by investigating the most common security testing strategies applied nowadays and by proposing an enhanced methodology that may be effectively applied to different threat scenarios with the same degree of effectiveness. Security testing methodologies are the first step towards standardized security evaluation processes and understanding of how the security threats evolve over time. This dissertation analyzes some of the most used identifying differences and commonalities, useful to compare them and assess their quality. The dissertation then proposes a new enhanced methodology built by keeping the best of every analyzed methodology. The designed methodology is tested over different systems with very effective results, which is the main evidence that it could really be applied in practical cases. Most of the dissertation discusses and proves how the presented testing methodology could be applied to such different systems and even to evade security measures by inverting goals and scopes. Real cases are often hard to find in methodology' documents, in contrary this dissertation wants to show real and practical cases offering technical details about how to apply it. Electronic voting systems are the first field test considered, and Pvote and Scantegrity are the two tested electronic voting systems. The usability and effectiveness of the designed methodology for electronic voting systems is proved thanks to this field cases analysis. Furthermore reputation and anti virus engines have also be analyzed with similar results. The dissertation concludes by presenting some general guidelines to build a coordination-based approach of electronic voting systems to improve the security without decreasing the system modularity.

Sviluppo di sperimentazioni per la produzione di getti in lega di alluminio a caratteristiche difettologiche e microstrutturali controllate, per la validazione di modelli di previsione delle porosità

Nei processi di progettazione e produzione tramite tecnologie di colata di componenti in alluminio ad elevate prestazioni, risulta fondamentale poter prevedere la presenza e la quantità di difetti correlabili a design non corretti e a determinate condizioni di processo. Fra le difettologie più comuni di un getto in alluminio, le porosità con dimensioni di decine o centinaia di m, note come microporosità, hanno un impatto estremamente negativo sulle caratteristiche meccaniche, sia statiche che a fatica. In questo lavoro, dopo un’adeguata analisi bibliografica, sono state progettate e messe a punto attrezzature e procedure sperimentali che permettessero la produzione di materiale a difettologia e microstruttura differenziata, a partire da condizioni di processo note ed accuratamente misurabili, che riproducessero la variabilità delle stesse nell’ambito della reale produzione di componenti fusi. Tutte le attività di progettazione delle sperimentazioni, sono state coadiuvate dall’ausilio di software di simulazione del processo fusorio che hanno a loro volta beneficiato di tarature e validazioni sperimentali ad hoc. L’apparato sperimentale ha dimostrato la propria efficacia nella produzione di materiale a microstruttura e difettologia differenziata, in maniera robusta e ripetibile. Utilizzando i risultati sperimentali ottenuti, si è svolta la validazione di un modello numerico di previsione delle porosità da ritiro e gas, ritenuto ad oggi allo stato dell’arte e già implementato in alcuni codici commerciali di simulazione del processo fusorio. I risultati numerici e sperimentali, una volta comparati, hanno evidenziato una buona accuratezza del modello numerico nella previsione delle difettologie sia in termini di ordini di grandezza che di gradienti della porosità nei getti realizzati.

Sviluppo di un sistema miniaturizzato per il controllo real-time di assetto di nano e microsatelliti

Microsatelliti e nanosatelliti, come ad esempio i Cubesat, sono carenti di sistemi integrati di controllo d’assetto e di manovra orbitale. Lo scopo di questa tesi è stato quello di realizzare un sistema compatibile con Cubesat di una unità, completo di attuatori magnetici e attuatori meccanici, comprendente tutti i sensori e l’elettronica necessaria per il suo funzionamento, creando un dispositivo totalmente indipendente dal veicolo su cui è installato, capace di funzionare sia autonomamente che ricevendo comandi da terra. Nella tesi sono descritte le campagne di simulazioni numeriche effettuate per validare le scelte tecnologiche effettuate, le fasi di sviluppo dell’elettronica e della meccanica, i test sui prototipi realizzati e il funzionamento del sistema finale. Una integrazione così estrema dei componenti può implicare delle interferenze tra un dispositivo e l’altro, come nel caso dei magnetotorquer e dei magnetometri. Sono stati quindi studiati e valutati gli effetti della loro interazione, verificandone l’entità e la validità del progetto. Poiché i componenti utilizzati sono tutti di basso costo e di derivazione terrestre, è stata effettuata una breve introduzione teorica agli effetti dell’ambiente spaziale sull’elettronica, per poi descrivere un sistema fault-tolerant basato su nuove teorie costruttive. Questo sistema è stato realizzato e testato, verificando così la possibilità di realizzare un controller affidabile e resistente all’ambiente spaziale per il sistema di controllo d’assetto. Sono state infine analizzate alcune possibili versioni avanzate del sistema, delineandone i principali aspetti progettuali, come ad esempio l’integrazione di GPS e l’implementazione di funzioni di determinazione d’assetto sfruttando i sensori presenti a bordo.

La inclusión de declaraciones de derechos y principios en los Estatutos de Italia y España

La ricerca riguarda l’inclusione di dichiarazioni di diritti e principi introdotte negli Statuti di autonomia delle Regioni italiane e delle Comunità Autonome spagnole riformati negli ultimi anni. La tesi consta, oltre che nell’introduzione dei concetti preliminari, di due parti per ognuno dei Paesi nelle quali si esaminano i sistemi regionali e concretamente queste carte di diritti e principi. La terza parte raccoglie un’analisi comparativa di ambedue gli Stati. Il problema dell’efficacia di questi diritti e principi rappresenta la chiave fondamentale. In questo senso, la Giurisprudenza costituzionale risulta essere basilare per lo studio delle differenti risposte alle novità dei diversi elenchi di diritti e principi a livello regionale. Mentre la Corte Costituzionale italiana ha negato la loro efficacia giuridica, anche come norme programmatiche assimilabili a quelle costituzionali, il Tribunale Costituzionale spagnolo ha qualificato un nuovo tipo di diritto, i c. d. diritti statutari, che non sono diritti pubblici soggettivi ma mandati ai poteri pubblici autonomici, specialmente al legislatore autonomico. Lo studio si completa con la problematica dell’uguaglianza e la garanzia dei diritti e i principi in questi Stati composti.

The coupling between electron transfer and Protein/Solvent Dynamics in Photosynthetic Reaction Centers: Spectroscopic Studies in Amorphous Matrices

We investigated at the molecular level protein/solvent interactions and their relevance in protein function through the use of amorphous matrices at room temperature. As a model protein, we used the bacterial photosynthetic reaction center (RC) of Rhodobacter sphaeroides, a pigment protein complex which catalyzes the light-induced charge separation initiating the conversion of solar into chemical energy. The thermal fluctuations of the RC and its dielectric conformational relaxation following photoexcitation have been probed by analyzing the recombination kinetics of the primary charge-separated (P+QA-) state, using time resolved optical and EPR spectroscopies. We have shown that the RC dynamics coupled to this electron transfer process can be progressively inhibited at room temperature by decreasing the water content of RC films or of RC-trehalose glassy matrices. Extensive dehydration of the amorphous matrices inhibits RC relaxation and interconversion among conformational substates to an extent comparable to that attained at cryogenic temperatures in water-glycerol samples. An isopiestic method has been developed to finely tune the hydration level of the system. We have combined FTIR spectral analysis of the combination and association bands of residual water with differential light-minus-dark FTIR and high-field EPR spectroscopy to gain information on thermodynamics of water sorption, and on structure/dynamics of the residual water molecules, of protein residues and of RC cofactors. The following main conclusions were reached: (i) the RC dynamics is slaved to that of the hydration shell; (ii) in dehydrated trehalose glasses inhibition of protein dynamics is most likely mediated by residual water molecules simultaneously bound to protein residues and sugar molecules at the protein-matrix interface; (iii) the local environment of cofactors is not involved in the conformational dynamics which stabilizes the P+QA-; (iv) this conformational relaxation appears to be rather delocalized over several aminoacidic residues as well as water molecules weakly hydrogen-bonded to the RC.

Analysis of the memory B cell response against glycoconjugate vaccines

The development of vaccines directed against polysaccharide capsules of S. pneumoniae, H. influenzae and N. meningitidis have been of great importance in preventing potentially fatal infections. Bacterial capsular polysaccharides are T-cell-independent antigens that induce specific antibody response characterized by IgM immunoglobulins, with a very low IgG class switched response and lack of capability of inducing a booster response. The inability of pure polysaccharides to induce sustained immune responses has required the development of vaccines containing polysaccharides conjugated to a carrier protein, with the aim to generate T cell help. It is clear that the immunogenicity of glycoconjugate vaccines can vary depending on different factors, e.g. chemical nature of the linked polysaccharide, carrier protein, age of the target population, adjuvant used. The present study analyzes the memory B cell (MBC) response to the polysaccharide and to the carrier protein following vaccination with a glycoconjugate vaccine for the prevention of Group B streptococcus (GBS) infection. Not much is known about the role of adjuvants in the development of immunological memory raised against GBS polysaccharides, as well as about the influence of having a pre-existing immunity against the carrier protein on the B cell response raised against the polysaccharide component of the vaccine. We demonstrate in the mouse model that adjuvants can increase the antibody and memory B cell response to the carrier protein and to the conjugated polysaccharide. We also demonstrate that a pre-existing immunity to the carrier protein favors the development of the antibody and memory B cell response to subsequent vaccinations with a glycoconjugate, even in absence of adjuvants. These data provide a useful insight for a better understanding of the mechanism of action of this class of vaccines and for designing the best vaccine that could result in a productive and long lasting memory response.

Studio dei Vulcani di Fango per la definizione della Migrazione dei Fluidi Profondi

L’unione di approcci differenti durante lo studio dei sistemi petroliferi, come l’accoppiamento dello studio delle emissioni in superficie con le analisi geochimiche e strutturali, è un aspetto principale nelle strategie di sviluppo per la ricerca degli idrocarburi. La presenza di acqua connata nelle sequenze sedimentarie profonde e la sua sovrappressione che viene generata dalle spesse coperture sedimentarie, incrementata inoltre dalla generazione di idrocarburi in profondità, sono fattori di controllo primari per la migrazione e l’emissione di fluidi in superficie. I risultati ottenuti da questo studio forniscono nuovi elementi per la comprensione del ruolo dello studio dei vulcani di fango nell’esplorazione petrolifera, e nuove importanti prove per la caratterizzazione dei sistemi petroliferi nelle aree considerate.

Componentistica avanzata per Impianti di Combustione a Biomassa

In un quadro internazionale di forte interesse verso uno sviluppo sostenibile e sfide energetiche per il futuro, il DIEM, in collaborazione con altri istituti di ricerca ed imprese private, sta progettando l’integrazione di componentistica avanzata su di una caldaia alimentata a biomasse. Lo scopo finale è quello di realizzare una caldaia a biomasse che produca energia in maniera più efficiente e con un impatto ambientale ridotto. L’applicazione è indirizzata inizialmente verso caldaie di piccola-media taglia (fino a 350 kW termici) vista la larga diffusione di questa tipologia di impianto. La componentistica in oggetto è: - filtro sperimentale ad alta efficienza per la rimozione del particolato; - celle a effetto Seebeck per la produzione di energia elettrica direttamente da energia termica senza parti meccaniche in movimento; - pompa Ogden per la produzione di energia meccanica direttamente da energia termica; La finalità dell’attività di ricerca è la progettazione dell’integrazione dei suddetti dispositivi con una caldaia a biomassa da 290 kW termici per la realizzazione di un prototipo di caldaia stand-alone ad impatto ambientale ridotto: in particolare, la caldaia è in grado, una volta raggiunte le condizioni di regime, di autoalimentare le proprie utenze elettriche, garantendo il funzionamento in sicurezza in caso di black-out o consentendo l’installazione della caldaia medesima in zone remote e prive di allaccio alla rete elettrica. Inoltre, la caldaia può fornire, tramite l'utilizzo di una pompa a vapore o pompa Ogden, energia meccanica per il pompaggio di fluidi: tale opportunità si ritiene particolarmente interessante per l'integrazione della caldaia nel caso di installazione in ambito agricolo. Infine, l'abbinamento di un filtro ad alta efficienza e basso costo consente l'abbattimento delle emissioni inquinanti, favorendo una maggiore diffusione della tecnologia senza ulteriori impatti sull'ambiente.

Sviluppo di un'applicazione bioinformatica per la gestione dei dati di antibiotico sensibilità di isolati clinici

Il problema dell'antibiotico-resistenza è un problema di sanità pubblica per affrontare il quale è necessario un sistema di sorveglianza basato sulla raccolta e l'analisi dei dati epidemiologici di laboratorio. Il progetto di dottorato è consistito nello sviluppo di una applicazione web per la gestione di tali dati di antibiotico sensibilità di isolati clinici utilizzabile a livello di ospedale. Si è creata una piattaforma web associata a un database relazionale per avere un’applicazione dinamica che potesse essere aggiornata facilmente inserendo nuovi dati senza dover manualmente modificare le pagine HTML che compongono l’applicazione stessa. E’ stato utilizzato il database open-source MySQL in quanto presenta numerosi vantaggi: estremamente stabile, elevate prestazioni, supportato da una grande comunità online ed inoltre gratuito. Il contenuto dinamico dell’applicazione web deve essere generato da un linguaggio di programmazione tipo “scripting” che automatizzi operazioni di inserimento, modifica, cancellazione, visualizzazione di larghe quantità di dati. E’ stato scelto il PHP, linguaggio open-source sviluppato appositamente per la realizzazione di pagine web dinamiche, perfettamente utilizzabile con il database MySQL. E’ stata definita l’architettura del database creando le tabelle contenenti i dati e le relazioni tra di esse: le anagrafiche, i dati relativi ai campioni, microrganismi isolati e agli antibiogrammi con le categorie interpretative relative al dato antibiotico. Definite tabelle e relazioni del database è stato scritto il codice associato alle funzioni principali: inserimento manuale di antibiogrammi, importazione di antibiogrammi multipli provenienti da file esportati da strumenti automatizzati, modifica/eliminazione degli antibiogrammi precedenti inseriti nel sistema, analisi dei dati presenti nel database con tendenze e andamenti relativi alla prevalenza di specie microbiche e alla chemioresistenza degli stessi, corredate da grafici. Lo sviluppo ha incluso continui test delle funzioni via via implementate usando reali dati clinici e sono stati introdotti appositi controlli e l’introduzione di una semplice e pulita veste grafica.

Comparative Analysis of Alternative Hybrid Systems for Automotive Applications

The main objective of this work was to investigate the impact of different hybridization concepts and levels of hybridization on fuel economy of a standard road vehicle where both conventional and non-conventional hybrid architectures are treated exactly in the same way from the point of view of overall energy flow optimization. Hybrid component models were developed and presented in detail as well as the simulations results mainly for NEDC cycle. The analysis was performed on four different parallel hybrid powertrain concepts: Hybrid Electric Vehicle (HEV), High Speed Flywheel Hybrid Vehicle (HSF-HV), Hydraulic Hybrid Vehicle (HHV) and Pneumatic Hybrid Vehicle (PHV). In order to perform equitable analysis of different hybrid systems, comparison was performed also on the basis of the same usable system energy storage capacity (i.e. 625kJ for HEV, HSF and the HHV) but in the case of pneumatic hybrid systems maximal storage capacity was limited by the size of the systems in order to comply with the packaging requirements of the vehicle. The simulations were performed within the IAV Gmbh - VeLoDyn software simulator based on Matlab / Simulink software package. Advanced cycle independent control strategy (ECMS) was implemented into the hybrid supervisory control unit in order to solve power management problem for all hybrid powertrain solutions. In order to maintain State of Charge within desired boundaries during different cycles and to facilitate easy implementation and recalibration of the control strategy for very different hybrid systems, Charge Sustaining Algorithm was added into the ECMS framework. Also, a Variable Shift Pattern VSP-ECMS algorithm was proposed as an extension of ECMS capabilities so as to include gear selection into the determination of minimal (energy) cost function of the hybrid system. Further, cycle-based energetic analysis was performed in all the simulated cases, and the results have been reported in the corresponding chapters.

Middleware for quality-based context distribution in mobile systems

The continuous advancements and enhancements of wireless systems are enabling new compelling scenarios where mobile services can adapt according to the current execution context, represented by the computational resources available at the local device, current physical location, people in physical proximity, and so forth. Such services called context-aware require the timely delivery of all relevant information describing the current context, and that introduces several unsolved complexities, spanning from low-level context data transmission up to context data storage and replication into the mobile system. In addition, to ensure correct and scalable context provisioning, it is crucial to integrate and interoperate with different wireless technologies (WiFi, Bluetooth, etc.) and modes (infrastructure-based and ad-hoc), and to use decentralized solutions to store and replicate context data on mobile devices. These challenges call for novel middleware solutions, here called Context Data Distribution Infrastructures (CDDIs), capable of delivering relevant context data to mobile devices, while hiding all the issues introduced by data distribution in heterogeneous and large-scale mobile settings. This dissertation thoroughly analyzes CDDIs for mobile systems, with the main goal of achieving a holistic approach to the design of such type of middleware solutions. We discuss the main functions needed by context data distribution in large mobile systems, and we claim the precise definition and clean respect of quality-based contracts between context consumers and CDDI to reconfigure main middleware components at runtime. We present the design and the implementation of our proposals, both in simulation-based and in real-world scenarios, along with an extensive evaluation that confirms the technical soundness of proposed CDDI solutions. Finally, we consider three highly heterogeneous scenarios, namely disaster areas, smart campuses, and smart cities, to better remark the wide technical validity of our analysis and solutions under different network deployments and quality constraints.