CMoS lab-on-a-chip devices for individual cell biology

The development of microlectronic lab-on-a-chip devices (LOACs) can now be pursued thanks to the continous advances in silicon technology. LOACs are miniaturized devices whose aim is to perform in a more efficient way specific chemical or biological analysis protocols which are usually carried out with traditional laboratory equipment. In this application area, CMOS technology has the potential to integrate LOAC functionalities for cell biology applications in single chips, e.g. sensors, actuators, signal conditioning and processing circuits. In this work, after a review of the state of the art, the development of a CMOS prototype chip for individual cell manipulation and detection based on dielectrophoresis will be presented. Issues related to the embedded optical and capacitive detection of cells will be discussed together with the main experimental results obtained in manipulation and detection of living cells and microparticles.

Simulatore di interfaccia uomo-macchina per i controllo di UAV

Recent statistics have demonstrated that two of the most important causes of failures of the UAVs (Uninhabited Aerial Vehicle) missions are related to the low level of decisional autonomy of vehicles and to the man machine interface. Therefore, a relevant issue is to design a display/controls architecture which allows the efficient interaction between the operator and the remote vehicle and to develop a level of automation which allows the vehicle the decision about change in mission. The research presented in this paper focuses on a modular man-machine interface simulator for the UAV control, which simulates UAV missions, developed to experiment solution to this problem. The main components of the simulator are an advanced interface and a block defined automation, which comprehend an algorithm that implements the level of automation of the system. The simulator has been designed and developed following a user-centred design approach in order to take into account the operator’s needs in the communication with the vehicle. The level of automation has been developed following the supervisory control theory which says that the human became a supervisor who sends high level commands, such as part of mission, target, constraints, in then-rule, while the vehicle receives, comprehends and translates such commands into detailed action such as routes or action on the control system. In order to allow the vehicle to calculate and recalculate the safe and efficient route, in term of distance, time and fuel a 3D planning algorithm has been developed. It is based on considering UASs representative of real world systems as objects moving in a virtual environment (terrain, obstacles, and no fly zones) which replicates the airspace. Original obstacle avoidance strategies have been conceived in order to generate mission planes which are consistent with flight rules and with the vehicle performance constraints. The interface is based on a touch screen, used to send high level commands to the vehicle, and a 3D Virtual Display which provides a stereoscopic and augmented visualization of the complex scenario in which the vehicle operates. Furthermore, it is provided with an audio feedback message generator. Simulation tests have been conducted with pilot trainers to evaluate the reliability of the algorithm and the effectiveness and efficiency of the interface in supporting the operator in the supervision of an UAV mission. Results have revealed that the planning algorithm calculate very efficient routes in few seconds, an adequate level of workload is required to command the vehicle and that the 3D based interface provides the operator with a good sense of presence and enhances his awareness of the mission scenario and of the vehicle under his control.

Enabling Blocks for Integrated CMOS UWB Transceivers

The last decades have seen an unrivaled growth and diffusion of mobile telecommunications. Several standards have been developed to this purposes, from GSM mobile phone communications to WLAN IEEE 802.11, providing different services for the the transmission of signals ranging from voice to high data rate digital communications and Digital Video Broadcasting (DVB). In this wide research and market field, this thesis focuses on Ultra Wideband (UWB) communications, an emerging technology for providing very high data rate transmissions over very short distances. In particular the presented research deals with the circuit design of enabling blocks for MB-OFDM UWB CMOS single-chip transceivers, namely the frequency synthesizer and the transmission mixer and power amplifier. First we discuss three different models for the simulation of chargepump phase-locked loops, namely the continuous time s-domain and discrete time z-domain approximations and the exact semi-analytical time-domain model. The limitations of the two approximated models are analyzed in terms of error in the computed settling time as a function of loop parameters, deriving practical conditions under which the different models are reliable for fast settling PLLs up to fourth order. Besides, a phase noise analysis method based upon the time-domain model is introduced and compared to the results obtained by means of the s-domain model. We compare the three models over the simulation of a fast switching PLL to be integrated in a frequency synthesizer for WiMedia MB-OFDM UWB systems. In the second part, the theoretical analysis is applied to the design of a 60mW 3.4 to 9.2GHz 12 Bands frequency synthesizer for MB-OFDM UWB based on two wide-band PLLs. The design is presented and discussed up to layout level. A test chip has been implemented in TSMC CMOS 90nm technology, measured data is provided. The functionality of the circuit is proved and specifications are met with state-of-the-art area occupation and power consumption. The last part of the thesis deals with the design of a transmission mixer and a power amplifier for MB-OFDM UWB band group 1. The design has been carried on up to layout level in ST Microlectronics 65nm CMOS technology. Main characteristics of the systems are the wideband behavior (1.6 GHz of bandwidth) and the constant behavior over process parameters, temperature and supply voltage thanks to the design of dedicated adaptive biasing circuits.

Studio della gestione integrata dei rifiuti urbani nell'ambito della provincia di Bologna

This work is an analysis of integrated urban waste management in the province of Bologna. It consists of five chapters and one enclosure. Primarily, it focuses on the legislative framework at european, national and local level. Then the study analyses the situation of urban waste system adopted in the reference territory from 2003 to 2007 to show its evolution process. Chapter 3 is based on considerations about the percentage of effective recover of materials derived from separate collection that has been reached in the province of Bologna in 2006. The following chapter describes the urban waste management at national level using dates of 2005 and 2006 by APAT (National Agency for environmental protection). Then, it has been made a comparison with Emilia-Romagna and district of Bologna. Chapter 5 focuses on the description of innovative strategies introduced in the district of Bologna to increase separate collection level and optimize waste management. In particular, it analyses two sperimental projects: one based on door to door collection and the other founded on an integrated collection system which provides the application of two collection models (door to door collection in industrial areas and collection by containers in urban ones). Finally, in the enclosure, it is also descrided best practices of waste management sector about collection models, treatment plants and innovative strategies available at that moment in Europe.

Applicazione della LCA alla valorizzazione delle risorse primarie e secondarie. Caso studio: analisi del ciclo di vita della gestione integrata dei rifiuti urbani

Il progetto prevede l’applicazione dell’analisi del ciclo di vita al sistema integrato di raccolta, riciclaggio e smaltimento dei rifiuti urbani e assimilati. La struttura di una LCA (Life Cycle Assessment) è determinata dalla serie di norme UNI EN ISO 14040 e si può considerare come “un procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici e ambientali relativi a un processo o un’attività, effettuato attraverso l’identificazione dell’energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell’ambiente. La valutazione include l’intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo l’estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l’uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale”. Questa definizione si riassume nella frase “ from cradle to grave” (dalla culla alla tomba). Lo scopo dello studio è l’applicazione di una LCA alla gestione complessiva dei rifiuti valutata in tre territori diversi individuati presso tre gestori italiani. Due di questi si contraddistinguono per modelli di raccolta con elevati livelli di raccolta differenziata e con preminenza del sistema di raccolta domiciliarizzato, mentre sul territorio del terzo gestore prevale il sistema di raccolta con contenitori stradali e con livelli di raccolta differenziata buoni, ma significativamente inferiori rispetto ai Gestori prima descritti. Nella fase iniziale sono stati individuati sul territorio dei tre Gestori uno o più Comuni con caratteristiche abbastanza simili come urbanizzazione, contesto sociale, numero di utenze domestiche e non domestiche. Nella scelta dei Comuni sono state privilegiate le realtà che hanno maturato il passaggio dal modello di raccolta a contenitori stradali a quello a raccolta porta a porta. Attuata l’identificazione delle aree da sottoporre a studio, è stato realizzato, per ognuna di queste aree, uno studio LCA dell’intero sistema di gestione dei rifiuti, dalla raccolta allo smaltimento e riciclaggio dei rifiuti urbani e assimilati. Lo studio ha posto anche minuziosa attenzione al passaggio dal sistema di raccolta a contenitori al sistema di raccolta porta a porta, evidenziando il confronto fra le due realtà, nelle fasi pre e post passaggio, in particolare sono stati realizzati tre LCA di confronto attraverso i quali è stato possibile individuare il sistema di gestione con minori impatti ambientali.

Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

La nutrizione-idratazione artificiale è terapia? All'interfaccia tra scienza, diritto e bioetica, il fine vita in Italia, secondo una prospettiva di comunicazione della scienza post-accademica e Science&Technologies Studies (STS)

The question “artificial nutrition and hydration (ANH) is therapy or not?” is one of the key point of end-of-life issues in Italy, since it was (and it is also nowadays) a strategic and crucial point of the Italian Bioethics discussion about the last phases of human life: determining if ANH is therapy implies the possibility of being included in the list of treatments that could be mentioned for refusal within the living will document. But who is entitled to decide and judge if ANH is a therapy or not? Scientists? The Legislator? Judges? Patients? This issue at first sight seems just a matter of science, but at stake there is more than a scientific definition. According to several scholars, we are in the era of post-academic Science, in which Science broaden discussion, production, negotation and decision to other social groups that are not just the scientific communities. In this process, called co-production, on one hand scientific knowledge derives from the interaction between scientists and society at large. On the other hand, science is functional to co-production of social order. The continuous negotation on which science has to be used in social decisions is just the evidence of the mirroring negotation for different way to structure and interpret society. Thus, in the interaction between Science and Law, deciding what kind of Science could be suitable for a specific kind of Law, envisages a well defined idea of society behind this choice. I have analysed both the legislative path (still in progress) in the living will act production in Italy and Eluana Englaro’s judicial case (that somehow collapsed in the living will act negotiation), using official documents (hearings, texts of the official conference, committees comments and ruling texts) and interviewing key actors in the two processes from the science communication point of view (who talks in the name of science? Who defines what is a therapy? And how do they do?), finding support on the theoretical framework of the Science&Technologies Studies (S&TS).

Advanced CMOS Interfaces for Bio-Nanosensors

The improvement of devices provided by Nanotechnology has put forward new classes of sensors, called bio-nanosensors, which are very promising for the detection of biochemical molecules in a large variety of applications. Their use in lab-on-a-chip could gives rise to new opportunities in many fields, from health-care and bio-warfare to environmental and high-throughput screening for pharmaceutical industry. Bio-nanosensors have great advantages in terms of cost, performance, and parallelization. Indeed, they require very low quantities of reagents and improve the overall signal-to-noise-ratio due to increase of binding signal variations vs. area and reduction of stray capacitances. Additionally, they give rise to new challenges, such as the need to design high-performance low-noise integrated electronic interfaces. This thesis is related to the design of high-performance advanced CMOS interfaces for electrochemical bio-nanosensors. The main focus of the thesis is: 1) critical analysis of noise in sensing interfaces, 2) devising new techniques for noise reduction in discrete-time approaches, 3) developing new architectures for low-noise, low-power sensing interfaces. The manuscript reports a multi-project activity focusing on low-noise design and presents two developed integrated circuits (ICs) as examples of advanced CMOS interfaces for bio-nanosensors. The first project concerns low-noise current-sensing interface for DC and transient measurements of electrophysiological signals. The focus of this research activity is on the noise optimization of the electronic interface. A new noise reduction technique has been developed so as to realize an integrated CMOS interfaces with performance comparable with state-of-the-art instrumentations. The second project intends to realize a stand-alone, high-accuracy electrochemical impedance spectroscopy interface. The system is tailored for conductivity-temperature-depth sensors in environmental applications, as well as for bio-nanosensors. It is based on a band-pass delta-sigma technique and combines low-noise performance with low-power requirements.

La caratterizzazione probabilistica del sottosuolo come strumento per l’ottimizzazione della progettazione integrata dei sistemi geotermici

L’utilizzo del reservoir geotermico superficiale a scopi termici / frigoriferi è una tecnica consolidata che permette di sfruttare, tramite appositi “geoscambiatori”, un’energia presente ovunque ed inesauribile, ad un ridotto prezzo in termini di emissioni climalteranti. Pertanto, il pieno sfruttamento di questa risorsa è in linea con gli obiettivi del Protocollo di Kyoto ed è descritto nella Direttiva Europea 2009/28/CE (Comunemente detta: Direttiva Rinnovabili). Considerato il notevole potenziale a fronte di costi sostenibili di installazione ed esercizio, la geotermia superficiale è stata sfruttata già dalla metà del ventesimo secolo in diversi contesti (geografici, geologici e climatici) e per diverse applicazioni (residenziali, commerciali, industriali, infrastrutturali). Ciononostante, solo a partire dagli anni 2000 la comunità scientifica e il mercato si sono realmente interessati ed affacciati all’argomento, a seguito di sopraggiunte condizioni economiche e tecniche. Una semplice ed immediata dimostrazione di ciò si ritrova nel fatto che al 2012 non esiste ancora un chiaro riferimento tecnico condiviso a livello internazionale, né per la progettazione, né per l’installazione, né per il testing delle diverse applicazioni della geotermia superficiale, questo a fronte di una moltitudine di articoli scientifici pubblicati, impianti realizzati ed associazioni di categoria coinvolte nel primo decennio del ventunesimo secolo. Il presente lavoro di ricerca si colloca all’interno di questo quadro. In particolare verranno mostrati i progressi della ricerca svolta all’interno del Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e dei Materiali nei settori della progettazione e del testing dei sistemi geotermici, nonché verranno descritte alcune tipologie di geoscambiatori innovative studiate, analizzate e testate nel periodo di ricerca.

Modellazione edilizia e simulazione energetica per le analisi delle prestazioni e la progettazione integrata delle cantine aziendali

Il presente studio si colloca nell’ambito di una ricerca il cui obiettivo è la formulazione di criteri progettuali finalizzati alla ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle cantine di aziende vitivinicole con dimensioni produttive medio-piccole. Nello specifico la ricerca si pone l’obiettivo di individuare degli indicatori che possano valutare l’influenza che le principali variabili progettuali hanno sul fabbisogno energetico dell’edificio e sull’andamento delle temperature all’interno dei locali di conservazione ed invecchiamento del vino. Tali indicatori forniscono informazioni sulla prestazione energetica dell’edificio e sull’idoneità dei locali non climatizzati finalizzata alla conservazione del vino Essendo la progettazione una complessa attività multidisciplinare, la ricerca ha previsto l’ideazione di un programma di calcolo in grado di gestire ed elaborare dati provenienti da diversi ambiti (ingegneristici, architettonici, delle produzioni agroindustriali, ecc.), e di restituire risultati sintetici attraverso indicatori allo scopo individuati. Il programma è stato applicato su un caso-studio aziendale rappresentativo del settore produttivo. Sono stati vagliati gli effetti di due modalità di vendemmia e di quattro soluzioni architettoniche differenti. Le soluzioni edilizie derivano dalla combinazione di diversi isolamenti termici e dalla presenza o meno di locali interrati. Per le analisi sul caso-studio ci si è avvalsi di simulazioni energetiche in regime dinamico, supportate e validate da campagne di monitoraggio termico e meteorologico all’interno dell’azienda oggetto di studio. I risultati ottenuti hanno evidenziato come il programma di calcolo concepito nell’ambito di questo studio individui le criticità dell’edificio in termini energetici e di “benessere termico” del vino e consenta una iterativa revisione delle variabili progettuale indagate. Esso quindi risulta essere uno strumento informatizzato di valutazione a supporto della progettazione, finalizzato ad una ottimizzazione del processo progettuale in grado di coniugare, in maniera integrata, gli obiettivi della qualità del prodotto, della efficienza produttiva e della sostenibilità economica ed ambientale.

Dall'uomo esposto al soggetto esposto: il concetto di interfaccia in alcuni filoni di riflessione sulla tecnica dal Settecento a Marcel Mauss

La nozione di ambiente non è una nozione recente. Al giorno d’oggi il riferimento all’ambiente compare in maniera sempre più diffusa nei dibattiti, nelle opere scientifiche e artistiche, negli spazi di divulgazione e sempre più entra all’interno degli spazi affettivi individuali e all’interno delle teorie e delle prassi politiche individuali e collettive. L’ambiente tanto entra nel campo assiologico, quanto vi entra come elemento fragile, indissociabile dall’azione antropica individuale e collettiva, attraverso ciò che noi riassumiamo con la nozione di crisi ambientale. La crisi ambientale permette di riaprire degli ambiti di valore e di interesse nel presente, allo stesso tempo provoca una reinterpretazione e un riorientamento delle teorie e delle prassi del passato. Dal nostro presente di crisi ambientale, è possibile rintracciare delle figure che, nel passato, hanno rappresentato l’inerenza degli enti con il loro ambiente e, tra questi, dell’uomo con il suo ambiente di vita. Sono due le principali figure attraverso le quali si intende riprendere un rapporto con il nostro passato letto attraverso la crisi ambientale: la figura dell’interfaccia come ciò che demarca un rapporto di inerenza e di separazione tra un interno e un esterno che hanno un rapporto tra loro necessario e tuttavia contingente, e la figura della relazione di “esposizione”, tramite la quale si vuole pensare a forme di soggettività vulnerabili, esposte alle relazioni e ai concatenamenti nei quali sono inserite e che tuttavia non possono che esporre a loro volta le altre soggettività e l’ambiente di vita comune a continue modificazioni. Tramite i concetti di interfaccia e di esposizione abbiamo potuto seguire il prodursi di forme di sapere relative all’inerenza tra forme e modi dell’interiorità rispetto all’ambiente che si sono prodotte nella storia e che sono emerse tramite la provocazione di un passato indotto dalla trasformazione che è il nostro presente di crisi ambientale.