Statistical analysis and simulation techniques in wall-bounded turbulence

The present work is devoted to the assessment of the energy fluxes physics in the space of scales and physical space of wall-turbulent flows. The generalized Kolmogorov equation will be applied to DNS data of a turbulent channel flow in order to describe the energy fluxes paths from production to dissipation in the augmented space of wall-turbulent flows. This multidimensional description will be shown to be crucial to understand the formation and sustainment of the turbulent fluctuations fed by the energy fluxes coming from the near-wall production region. An unexpected behavior of the energy fluxes comes out from this analysis consisting of spiral-like paths in the combined physical/scale space where the controversial reverse energy cascade plays a central role. The observed behavior conflicts with the classical notion of the Richardson/Kolmogorov energy cascade and may have strong repercussions on both theoretical and modeling approaches to wall-turbulence. To this aim a new relation stating the leading physical processes governing the energy transfer in wall-turbulence is suggested and shown able to capture most of the rich dynamics of the shear dominated region of the flow. Two dynamical processes are identified as driving mechanisms for the fluxes, one in the near wall region and a second one further away from the wall. The former, stronger one is related to the dynamics involved in the near-wall turbulence regeneration cycle. The second suggests an outer self-sustaining mechanism which is asymptotically expected to take place in the log-layer and could explain the debated mixed inner/outer scaling of the near-wall statistics. The same approach is applied for the first time to a filtered velocity field. A generalized Kolmogorov equation specialized for filtered velocity field is derived and discussed. The results will show what effects the subgrid scales have on the resolved motion in both physical and scale space, singling out the prominent role of the filter length compared to the cross-over scale between production dominated scales and inertial range, lc, and the reverse energy cascade region lb. The systematic characterization of the resolved and subgrid physics as function of the filter scale and of the wall-distance will be shown instrumental for a correct use of LES models in the simulation of wall turbulent flows. Taking inspiration from the new relation for the energy transfer in wall turbulence, a new class of LES models will be also proposed. Finally, the generalized Kolmogorov equation specialized for filtered velocity fields will be shown to be an helpful statistical tool for the assessment of LES models and for the development of new ones. As example, some classical purely dissipative eddy viscosity models are analyzed via an a priori procedure.

Riabilitazione e valutazione di pazienti con deficit neurologici mediante l'utilizzo di realtà virtuale, feedback aumentati, sensori inerziali e tecnologie video a basso costo.

La neuroriabilitazione è un processo attraverso cui individui affetti da patologie neurologiche mirano al conseguimento di un recupero completo o alla realizzazione del loro potenziale ottimale benessere fisico, mentale e sociale. Elementi essenziali per una riabilitazione efficace sono: una valutazione clinica da parte di un team multidisciplinare, un programma riabilitativo mirato e la valutazione dei risultati conseguiti mediante misure scientifiche e clinicamente appropriate. Obiettivo principale di questa tesi è stato sviluppare metodi e strumenti quantitativi per il trattamento e la valutazione motoria di pazienti neurologici. I trattamenti riabilitativi convenzionali richiedono a pazienti neurologici l’esecuzione di esercizi ripetitivi, diminuendo la loro motivazione. La realtà virtuale e i feedback sono in grado di coinvolgerli nel trattamento, permettendo ripetibilità e standardizzazione dei protocolli. È stato sviluppato e valutato uno strumento basato su feedback aumentati per il controllo del tronco. Inoltre, la realtà virtuale permette l’individualizzare il trattamento in base alle esigenze del paziente. Un’applicazione virtuale per la riabilitazione del cammino è stata sviluppata e testata durante un training su pazienti di sclerosi multipla, valutandone fattibilità e accettazione e dimostrando l'efficacia del trattamento. La valutazione quantitativa delle capacità motorie dei pazienti viene effettuata utilizzando sistemi di motion capture. Essendo il loro uso nella pratica clinica limitato, una metodologia per valutare l’oscillazione delle braccia in soggetti parkinsoniani basata su sensori inerziali è stata proposta. Questi sono piccoli, accurati e flessibili ma accumulano errori durante lunghe misurazioni. È stato affrontato questo problema e i risultati suggeriscono che, se il sensore è sul piede e le accelerazioni sono integrate iniziando dalla fase di mid stance, l’errore e le sue conseguenze nella determinazione dei parametri spaziali sono contenuti. Infine, è stata presentata una validazione del Kinect per il tracking del cammino in ambiente virtuale. Risultati preliminari consentono di definire il campo di utilizzo del sensore in riabilitazione.

Technologies for Ambient intelligence: from Smart Objects to Sensor Networks

n the last few years, the vision of our connected and intelligent information society has evolved to embrace novel technological and research trends. The diffusion of ubiquitous mobile connectivity and advanced handheld portable devices, amplified the importance of the Internet as the communication backbone for the fruition of services and data. The diffusion of mobile and pervasive computing devices, featuring advanced sensing technologies and processing capabilities, triggered the adoption of innovative interaction paradigms: touch responsive surfaces, tangible interfaces and gesture or voice recognition are finally entering our homes and workplaces. We are experiencing the proliferation of smart objects and sensor networks, embedded in our daily living and interconnected through the Internet. This ubiquitous network of always available interconnected devices is enabling new applications and services, ranging from enhancements to home and office environments, to remote healthcare assistance and the birth of a smart environment. This work will present some evolutions in the hardware and software development of embedded systems and sensor networks. Different hardware solutions will be introduced, ranging from smart objects for interaction to advanced inertial sensor nodes for motion tracking, focusing on system-level design. They will be accompanied by the study of innovative data processing algorithms developed and optimized to run on-board of the embedded devices. Gesture recognition, orientation estimation and data reconstruction techniques for sensor networks will be introduced and implemented, with the goal to maximize the tradeoff between performance and energy efficiency. Experimental results will provide an evaluation of the accuracy of the presented methods and validate the efficiency of the proposed embedded systems.

Implicazioni teoriche e sperimentali della sincronizzazione assoluta nella teoria della relatività speciale

Sono indagate le implicazioni teoriche e sperimentali derivanti dall'assunzione, nella teoria della relatività speciale, di un criterio di sincronizzazione (detta assoluta) diverso da quello standard. La scelta della sincronizzazione assoluta è giustificata da alcune considerazioni di carattere epistemologico sullo status di fenomeni quali la contrazione delle lunghezze e la dilatazione del tempo. Oltre che a fornire una diversa interpretazione, la sincronizzazione assoluta rappresenta una estensione del campo di applicazione della relatività speciale in quanto può essere attuata anche in sistemi di riferimento accelerati. Questa estensione consente di trattare in maniera unitaria i fenomeni sia in sistemi di riferimento inerziali che accelerati. L'introduzione della sincronizzazione assoluta implica una modifica delle trasformazioni di Lorentz. Una caratteristica di queste nuove trasformazioni (dette inerziali) è che la trasformazione del tempo è indipendente dalle coordinate spaziali. Le trasformazioni inerziali sono ottenute nel caso generale tra due sistemi di riferimento aventi velocità (assolute) u1 e u2 comunque orientate. Viene mostrato che le trasformazioni inerziali possono formare un gruppo pur di prendere in considerazione anche riferimenti non fisicamente realizzabili perché superluminali. È analizzato il moto rigido secondo Born di un corpo esteso considerando la sincronizzazione assoluta. Sulla base delle trasformazioni inerziali si derivano le trasformazioni per i campi elettromagnetici e le equazioni di questi campi (che sostituiscono le equazioni di Maxwell). Si mostra che queste equazioni contengono soluzioni in assenza di cariche che si propagano nello spazio come onde generalmente anisotrope in accordo con quanto previsto dalle trasformazioni inerziali. L'applicazione di questa teoria elettromagnetica a sistemi accelerati mostra l'esistenza di fenomeni mai osservati che, pur non essendo in contraddizione con la relatività standard, ne forzano l'interpretazione. Viene proposto e descritto un esperimento in cui uno di questi fenomeni è misurabile.

Biomedical engineering for healthy ageing. Predictive tools for falls

Falls are common and burdensome accidents among the elderly. About one third of the population aged 65 years or more experience at least one fall each year. Fall risk assessment is believed to be beneficial for fall prevention. This thesis is about prognostic tools for falls for community-dwelling older adults. We provide an overview of the state of the art. We then take different approaches: we propose a theoretical probabilistic model to investigate some properties of prognostic tools for falls; we present a tool whose parameters were derived from data of the literature; we train and test a data-driven prognostic tool. Finally, we present some preliminary results on prediction of falls through features extracted from wearable inertial sensors. Heterogeneity in validation results are expected from theoretical considerations and are observed from empirical data. Differences in studies design hinder comparability and collaborative research. According to the multifactorial etiology of falls, assessment on multiple risk factors is needed in order to achieve good predictive accuracy.

Motor control system in Parkinson’s disease: a modeling approach

Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder due to the death of the dopaminergic neurons of the substantia nigra of the basal ganglia. The process that leads to these neural alterations is still unknown. Parkinson’s disease affects most of all the motor sphere, with a wide array of impairment such as bradykinesia, akinesia, tremor, postural instability and singular phenomena such as freezing of gait. Moreover, in the last few years the fact that the degeneration in the basal ganglia circuitry induces not only motor but also cognitive alterations, not necessarily implicating dementia, and that dopamine loss induces also further implications due to dopamine-driven synaptic plasticity got more attention. At the present moment, no neuroprotective treatment is available, and even if dopamine-replacement therapies as well as electrical deep brain stimulation are able to improve the life conditions of the patients, they often present side effects on the long term, and cannot recover the neural loss, which instead continues to advance. In the present thesis both motor and cognitive aspects of Parkinson’s disease and basal ganglia circuitry were investigated, at first focusing on Parkinson’s disease sensory and balance issues by means of a new instrumented method based on inertial sensor to provide further information about postural control and postural strategies used to attain balance, then applying this newly developed approach to assess balance control in mild and severe patients, both ON and OFF levodopa replacement. Given the inability of levodopa to recover balance issues and the new physiological findings than underline the importance in Parkinson’s disease of non-dopaminergic neurotransmitters, it was therefore developed an original computational model focusing on acetylcholine, the most promising neurotransmitter according to physiology, and its role in synaptic plasticity. The rationale of this thesis is that a multidisciplinary approach could gain insight into Parkinson’s disease features still unresolved.