Movement analysis on the field in young football players: biomechanical patterns of performance and injury prevention

The integration of quantitative data from movement analysis technologies is reshaping the analysis of athletes’ performances and injury mitigation, e.g., anterior cruciate ligament (ACL) rupture. Most of the movement assessments are performed in laboratory environments. Recent progress provides the chance to shift the paradigm to a more ecological approach with sport-specific elements and a closer examination of “real” movement patterns associated with performance and (ACL) injury risk. The present PhD thesis aimed at investigating the on-field motion patterns related to performance and injury prevention in young football players. The objectives of the thesis were: (I) in-lab measures of high-dynamics movements were used to validate wearable inertial sensors technology; (II) in-laboratory and on-field agility movement tasks were compared to inspect the effect of football-specific environment; (III) on-field analysis was conducted to challenge wearable sensors technology in the assessment of dangerous movement patterns towards the ACL rupture; (IV) an overview of technologies that could shape present and future assessment of ACL injury risk in daily practice was presented. The validity of wearables in the assessment of high-dynamics movements was confirmed. Relevant differences emerged between the movements performed in a laboratory setting and on the football pitch, supporting the inclusion of an ecological dynamics approach in preventive protocols. The on-field analysis of football-specific movement tasks demonstrated good reliability of wearable sensors and the presence of residual dangerous patterns in the injured players. A tool to inspect at-risk movement patterns on the field through objective measurements was presented. It discussed how potential alternatives to wearable inertial sensors embrace artificial intelligence and closer collaboration between clinical and technical expertise. The present thesis was meant to contribute to setting the basis for data-driven prevention protocols. A deeper comprehension of injury-related principles and counteractions will contribute to preserving athletes’ careers and health over time.

Toward wellbeing: investigation of traditional, classical and innovative approaches to improve population and environmental health

As the word population continues to grow and global resources are limited, the WHO definition of health is difficult to achieve for a large part of the population. Humanity is facing the need to improve both environmental and human wellbeing. This can be done through careful planning and management of natural resources, ensuring food safety and reducing and converting wastes. This work aims to contribute to the improvement of population and environmental health exploring different research fields: urban park ecosystem services, food chemical risk assessment and agri-food by-product valorization. To highlight the importance of urban parks and their ecosystem services, an ethnobotanical study was carried out in the Ausa urban park in Rimini, using a citizen science approach. The results showed that Ausa Park is an important focal point for plant gatherers in Rimini, as it allows for plant foraging and contributes to preserve the knowledge of the use of plants. Two food safety studies were carried out, looking at the exposure of Poles to bisphenol A through the consumption of soft drinks and to cadmium through the consumption of chocolate bars. The results, compared with EFSA’s scientific opinion, show that the exposure of the Polish population to BPA is of health concern, while cadmium is not. In the agri-food by-product valorization, a green extraction method was optimized to recover valuable phenolic compounds from red-fleshed apple pomace; moreover, the possibility of recovering pectin from the residue was evaluated. Furthermore, valuable compounds in four different types of wheat milling by-products, considered as an alternative source of bioactive compounds with potential human health benefits, were investigated. In conclusion, this work produced usable data in urban green area management and planning, in food chemical risk assessment and in business production decisions, thus contributing to improving environmental and people wellbeing.

Real-Time Engine Diagnostic and Control Based on Acoustic Emissions Analysis

Engine developers are putting more and more emphasis on the research of maximum thermal and mechanical efficiency in the recent years. Research advances have proven the effectiveness of downsized, turbocharged and direct injection concepts, applied to gasoline combustion systems, to reduce the overall fuel consumption while respecting exhaust emissions limits. These new technologies require more complex engine control units. The sound emitted from a mechanical system encloses many information related to its operating condition and it can be used for control and diagnostic purposes. The thesis shows how the functions carried out from different and specific sensors usually present on-board, can be executed, at the same time, using only one multifunction sensor based on low-cost microphone technology. A theoretical background about sound and signal processing is provided in chapter 1. In modern turbocharged downsized GDI engines, the achievement of maximum thermal efficiency is precluded by the occurrence of knock. Knock emits an unmistakable sound perceived by the human ear like a clink. In chapter 2, the possibility of using this characteristic sound for knock control propose, starting from first experimental assessment tests, to the implementation in a real, production-type engine control unit will be shown. Chapter 3 focus is on misfire detection. Putting emphasis on the low frequency domain of the engine sound spectrum, features related to each combustion cycle of each cylinder can be identified and isolated. An innovative approach to misfire detection, which presents the advantage of not being affected by the road and driveline conditions is introduced. A preliminary study of air path leak detection techniques based on acoustic emissions analysis has been developed, and the first experimental results are shown in chapter 4. Finally, in chapter 5, an innovative detection methodology, based on engine vibration analysis, that can provide useful information about combustion phase is reported.

Studio Concettuale, Progettazione e Realizzazione di un Nuovo Rotatore Omerale per Protesi Mioelettriche di Arto Superiore

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

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.

Progettazione, modellazione e integrazione di risorse rinnovabili per promuovere lo sfruttamento dell'energia da moto ondoso e la Blue Growth.

L’energia da onda potrebbe assumere un ruolo fondamentale per la transizione energetica durante i prossimi decenni, grazie alla sua continuità nel tempo molto superiore rispetto ad altre risorse rinnovabili e alla sua vasta distribuzione nello spazio. Tuttavia, l’energia da onda è ancora lontana dall’essere economicamente sostenibile, a causa di diverse problematiche tecnologiche e alle difficoltà finanziarie associate. In questa ricerca, si è innanzitutto affrontata una delle maggiori sfide tecniche, nello specifico la progettazione e modellazione di sistemi di ancoraggio per i dispositivi galleggianti, proponendo possibili soluzioni per la modellazione numerica di sistemi di ancoraggio complessi e per l’ottimizzazione dei dispositivi stessi. Successivamente sono state analizzate le possibili sinergie strategiche di installazioni per lo sfruttamento della energia da onda con altre risorse rinnovabili e la loro applicazione nel contesto di aree marine multiuso. In particolare, una metodologia per la valutazione della combinazione ottimale delle risorse rinnovabili è stata sviluppata e verificata in due diversi casi studio: un’isola e una piattaforma offshore. Si è così potuto evidenziare l’importante contributo della risorsa ondosa per la continuità energetica e per la riduzione della necessità di accumulo. Inoltre, è stato concepito un metodo di supporto decisionale multicriteriale per la valutazione delle opzioni di riuso delle piattaforme offshore alla fine della loro vita operativa, come alternativa al decommissionamento, nell’ottica di una gestione sostenibile e della ottimizzazione dell’uso dello spazio marino. Sulla base dei criteri selezionati, l’inclusione di attività innovative come la produzione di energia da onda si è dimostrata essere rilevante per rendere vantaggioso il riuso rispetto al decommissionamento. Numerosi studi recenti hanno infatti sottolineato che, nell’ambito della “crescita blu”, i mercati come l’oil&gas, le attività offshore e le isole stimoleranno lo sviluppo di tecnologie innovative come lo sfruttamento dell’energia da onda, promuovendo la sperimentazione e fornendo un importante contributo all’avanzamento tecnico e alla commercializzazione.