Modelli matematici di cardiomiociti derivanti da cellule staminali: una nuova formulazione per riprodurre gli effetti proaritmici del blocco della corrente di potassio

I cardiomiociti derivanti da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC-CMs) costituiscono un nuovo approccio per lo studio delle proprietà delle cellule cardiache sia degli individui sani che di quelli affetti da malattie ereditarie e possono rappresentare inoltre una piattaforma in vitro per la scoperta di nuovi farmaci e terapie rigenerative. Il grande impatto delle hiPSC-CMs nell’ambito della ricerca si deve soprattutto alle loro proprietà elettrofisiologiche: queste cellule non solo esprimono fenotipi genici e proprietà delle correnti ioniche tipiche delle cellule cardiache, ma sono anche in grado di riprodurre fenomeni aritmici, come le EAD, a seguito della somministrazione di farmaci. Grazie anche alla grande potenza di calcolo oggi disponibile è possibile supportare la pratica in vitro con modelli in silico, abbattendo sia i costi che i tempi richiesti dagli esperimenti in laboratorio. Lo scopo di questo lavoro è quello di simulare il comportamento delle hiPSC-CMs di tipo ventricolare in risposta alla somministrazione di farmaci che interagiscono con la corrente di potassio IKr, principale responsabile della ripolarizzazione cardiaca. L’assunzione di certi farmaci può comportare infatti una riduzione della IKr, con conseguente prolungamento della fase di ripolarizzazione del potenziale d’azione cardiaco. Questo meccanismo è causa dell’insorgenza della sindrome del QT lungo di tipo 2, che in casi estremi può degenerare in aritmie gravi. Ciò suggerisce che queste cellule rappresentano un importante strumento per la valutazione del rischio pro-aritmico che può essere facilitata da simulazioni in silico effettuate utilizzando modelli computazionali basati su dati fisiologici.

Analisi di fattibilità della conversione del velivolo V-173 per il volo ad alta quota

Studio di fattibilità della conversione del Vought V-173 per il volo ad alta quota. Per realizzare l'intero lavoro si è adoperato il software di fluidodinamica computazionale Flow Simulation di SolidWorks e si è scelto l'ambiente Matlab per la fase di elaborazione e presentazione dati. A partire dal modello tridimensionale in SolidWorks del V-173 si sono ricreate le curve CL e CD a partire dai punti ottenuti dalle simulazioni per diverse configurazioni del velivolo. Si è valutata l'aerodinamica del velivolo senza la presenza di eliche e di ipersostentatori e successivamente si sono seguite due strade diverse per valutare il comportamento del velivolo: nel primo caso si sono eseguiti studi dell'aerodinamica del Pancake in presenza degli ipersostentatori già presenti sul velivolo originario (i plain flap). In secondo luogo, tenendo in considerazione che il Pancake è un aeroplano bielica, si è voluta studiare l'influenza delle due eliche sulla sua aerodinamica: dopo aver riprodotto nel modo più verosimile entrambe le eliche utilizzando SolidWorks si è fatto uno studio di massima ricavando risultati che potessero indicare la compatibilità tra elica e velivolo a seguito dei risultati sperimentali ottenuti con Flow Simulation. Questa parte è stata realizzata per lo stesso tipo di elica tripala, ma prendendo in considerazione due diversi diametri, una di 4:9m e una da 2:5m.

Confronto tra le prestazioni energetiche in regime dinamico di un impianto di climatizzazione ad uso residenziale tradizionale e con pompa di calore geotermica

Questo scritto affronta il tema dello sfruttamento della fonte geotermica per la climatizzazione, sia invernale che estiva, di un edificio ad uso residenziale. In particolare, la situazione a cui faremo riferimento è quella di un condominio di media grandezza (18 appartamenti da circa 60 mq ciascuno) a cui verrà applicato un impianto di climatizzazione ad aria centralizzato, alimentato da una pompa di calore geotermica reversibile. Il fine ultimo di questo lavoro è analizzare, attraverso una simulazione in regime dinamico, le prestazioni energetiche del suddetto impianto e valutarne la convenienza rispetto ad un'istallazione tradizionale, che utilizza un boiler a gas per il riscaldamento e un chiller raffreddato ad aria per il raffrescamento. L'analisi economica svolta riguarderà solo i costi di esercizio delle due versioni di impianto.

Studio del comportamento meccanico di compositi ottenuti per SMC

I materiali compositi più diffusi sono quelli a matrice polimerica (PMC, Polymer Matrix Composites) con fibre di rinforzo, largamente utilizzati per la loro capacità di conciliare ottima resistenza meccanica con elevata leggerezza. Nel presente elaborato di tesi sono state studiate le caratteristiche meccaniche di materiali compositi a matrice resinosa, epossidica, rinforzati con fibre di carbonio chopped, ovvero fibre spezzate e disposte in modo del tutto casuale all’interno della matrice, mediante analisi microstrutturale e prove di trazione. Viene descritto il processo di produzione delle piastre di materiale composito ottenuto per SMC (Sheet Moulding Compound) da cui sono stati ricavati i provini. Lo studio a livello microstrutturale è stato possibile grazie all’inglobamento nella resina di alcune sezioni dei provini, le cui superfici sono state esaminate al microscopio acquisendo una quantità di immagini tale da permettere la ricostruzione della superficie stessa tramite software ed il calcolo percentuale delle porosità tramite SolidWorks. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita utilizzando la macchina per le prove di trazione presente nell’hangar della sede di Forlì della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna: la preparazione dei provini è basata sull’applicazione di tabs di alluminio. I provini in materiale composito sono stati forniti in quattro differenti tipologie riguardanti la pressione a cui sono stati prodotti: 25, 50, 100 e 150 bar. Lo scopo dell’elaborato è stabilire la pressione ottimale di produzione dei provini, a cui il materiale composito mostra le migliori proprietà meccaniche, in particolare la più alta resistenza a carico di trazione. Le prove sono state condotte su provini a tre diverse lunghezze, per diversificare le modalità di stress meccanico. I risultati sono stati poi analizzati per stabilire quale valore di pressione di processo conferisce le migliori caratteristiche meccaniche al materiale.

Sviluppo di un ambiente software di test e analisi delle prestazioni di INS di livello navigation e tactical grade

In questa tesi abbiamo provato a definire fino a che punto le misure di sensori siano affidabili, creando un simulatore che sia in grado di analizzare, qualitativamente e quantitativamente, le prestazioni di sensori inerziali facenti parte di sistemi di navigazione inerziale. Non ci siamo soffermati troppo sulle dinamiche dovute agli errori deterministici, che sono eliminabili facilmente mediante prove sperimentali e test, ma abbiamo puntato ad uno studio approfondito riguardante gli errori dovuti a processi stocastici casuali. Il simulatore, programmato sulla piattaforma MATLAB/Simulink, prende i dati grezzi contenuti all’interno dei datasheets dei sensori e li simula, riportando risultati numerici e grafici degli errori risultanti dall’utilizzo di quei specifici sensori; in particolare, esso mette in luce l’andamento degli errori di posizione, velocità ed assetto ad ogni istante di tempo della simulazione. L’analisi effettuata all’interno dell’elaborato ha successivamente condotto all’identificazione dei giroscopi laser come i sensori che soffrono meno di questi disturbi non-sistematici, portandoli ad un livello sopraelevato rispetto ai MEMS ed ai FOG.

Aggregate Programming in Scala: a Core Library and Actor-Based Platform for Distributed Computational Fields

La programmazione aggregata è un paradigma che supporta la programmazione di sistemi di dispositivi, adattativi ed eventualmente a larga scala, nel loro insieme -- come aggregati. L'approccio prevalente in questo contesto è basato sul field calculus, un calcolo formale che consente di definire programmi aggregati attraverso la composizione funzionale di campi computazionali, creando i presupposti per la specifica di pattern di auto-organizzazione robusti. La programmazione aggregata è attualmente supportata, in modo più o meno parziale e principalmente per la simulazione, da DSL dedicati (cf., Protelis), ma non esistono framework per linguaggi mainstream finalizzati allo sviluppo di applicazioni. Eppure, un simile supporto sarebbe auspicabile per ridurre tempi e sforzi d'adozione e per semplificare l'accesso al paradigma nella costruzione di sistemi reali, nonché per favorire la ricerca stessa nel campo. Il presente lavoro consiste nello sviluppo, a partire da un prototipo della semantica operazionale del field calculus, di un framework per la programmazione aggregata in Scala. La scelta di Scala come linguaggio host nasce da motivi tecnici e pratici. Scala è un linguaggio moderno, interoperabile con Java, che ben integra i paradigmi ad oggetti e funzionale, ha un sistema di tipi espressivo, e fornisce funzionalità avanzate per lo sviluppo di librerie e DSL. Inoltre, la possibilità di appoggiarsi, su Scala, ad un framework ad attori solido come Akka, costituisce un altro fattore trainante, data la necessità di colmare l'abstraction gap inerente allo sviluppo di un middleware distribuito. Nell'elaborato di tesi si presenta un framework che raggiunge il triplice obiettivo: la costruzione di una libreria Scala che realizza la semantica del field calculus in modo corretto e completo, la realizzazione di una piattaforma distribuita Akka-based su cui sviluppare applicazioni, e l'esposizione di un'API generale e flessibile in grado di supportare diversi scenari.

On the experimental behaviour of a silty sand and its modelling through Generalized Plasticity.

La tesi contiene uno studio sperimentale sul comportamento di una sabbia limosa del sottosuolo della laguna veneta e propone un'interpretazione dei risultati sperimentali ottenuti alla luce dei presupposti teorici di un approccio costitutivo avanzato noto come "Plasticità Generalizzata". Il programma sperimentale è consistito nella realizzazione di prove edometriche e prove triassiali su campioni di sabbia provenienti dal sito di Treporti, situato in prossimità della bocca di Lido. La risposta sperimentale, in termini di modulo volumetrico, è stata messa a confronto con i risultati di alcuni studi di letteratura, con particolare riferimento a quelli condotti da Jefferies & Been (2000). La disponibilità di prove di compressione edometrica realizzate nella cella K0 e la conseguente possibilità di valutare il coefficiente di spinta a riposo ha permesso di interpretare le prove in termini di tensione media efficace p' e di verificare l'applicabilità al caso in esame degli approcci di letteratura disponibili, spesso sviluppati a partire da prove di compressione isotropa effettuate in cella triassiale. Il comportamento tenso-deformativo osservato è stato successivamente simulato con un modello costitutivo per sabbie sviluppato nell'ambito della Plasticità Generalizzata. In particolare sono state utilizzate tre diverse formulazioni, che costituiscono un avanzamento dell'iniziale modello costitutivo proposto da Pastor, Zienkiewicz e Chan (1990), basate sull'uso di un parametro di stato del materiale definito rispetto alle condizioni di Stato Critico. Dal confronto tra previsioni del modello e risposta sperimentale è stato possibile individuare la formulazione che meglio simula il comportamento meccanico osservato sia in compressione edometrica sia in prove di taglio ed è stato proposto un set di parametri costitutivi ritenuti rappresentativi del terreno studiato.

Web app per la gestione della propria auto elettrica

In questa tesi viene analizzato il concetto di mobilità elettrica e viene proposta un’applicazione per la gestione della propria auto elettrica. L'applicazione in questione si pone come scopo l’agevolazione delle interazioni dell’utente con l’auto a distanza. Analizzando le caratteristiche principali dell’auto elettrica, ne vengono delineati i benefici e le limitazioni dell’autonomia, per la quale si suggerisce soluzione tramite regole da adottare alla guida. Attraverso la comparazione con le tipologie di applicazioni esistenti per la mobilità si decide che genere di approccio adottare nella realizzazione della nostra applicazione. Seguono la descrizione delle tecnologie di sviluppo del progetto sotto forma di applicazione ibrida, tra le quali ci si sofferma sull'utilizzo di linguaggi di markup, fogli di stile e JavaScript lato client. Di quest’ultimo ne vengono elencate le API utilizzate, in particolare Google Maps e Google Charts. Successivamente si introduce il concetto di simulazione server ed i metodi e le tecniche adottate per renderlo effettivo. Infine vengono spiegate le scelte implementative nonché i metodi e le decisioni presi in ambito di sviluppo per realizzare al meglio l’applicazione, fornendo una presentazione dettagliata delle sue funzionalità.

Characterization of moisture susceptibility of asphaltic bitumen

La ricerca riguarda lo studio delle modifiche indotte dalla diffusione di acqua e umidità nelle pavimentazioni stradali con riferimento ai materiali bituminosi. Lo scopo è stato quello di analizzare le implicazioni che si sviluppano a livello chimico e reologico in vari bitumi. In questo progetto oltre alla fase sperimentale, è stato utilizzato un software per la simulazione agli elementi finiti. Per quanto concerne la fase di laboratorio, è stato sviluppato un nuovo protocollo di condizionamento. Tre diversi bitumi sono stati soggetti alla diffusione di acqua in forma liquida o vapore, a determinate condizioni ambientali e per svariati intervalli temporali. Grazie a l’utilizzo di due camere climatiche il condizionamento è stato realizzato in modo uniforme a precisi valori temperatura e umidità mantenuti stabili. I materiali analizzati: un bitume soft, uno hard, ed infine uno modificato con l’aggiunta di polimeri. Il dispositivo FTIR-ATR è stato utilizzato per la caratterizzazione chimica, mentre il comportamento reologico è stato analizzato tramite test eseguiti con il DSR. Le avanzate tecnologie presenti nel laboratorio della TU Delft hanno consentito di ottenere notevoli risultati. L’analisi è stata condotta con l’obiettivo di evidenziare i diversi cambiamenti indotti dalla diffusione di acqua liquida o vapore e per analizzare l’influenza della temperatura, del tipo del bitume e dell’incremento del tempo di condizionamento. Una analisi analoga è stata condotta parallelamente, con lo scopo di investigare la correlazione tra il processo di invecchiamento e la diffusione di umidità. Infine, la simulazione agli elementi finiti è stata sviluppata tramite il software CAPA-3D per analizzare il comportamento del bitume in periodi più estesi di diffusione di umidità. Inoltre, il comportamento dei bitumi è stato studiato anche in presenza di particelle di riempitivo. Particelle granitiche e calcaree sono state aggiunte ai bitumi in differenti percentuali.

Confronto simulativo tra architetture per la mobilità: analisi simulatore MIPv6 e confronto con ABPS

Il presente elaborato tratta il lavoro di studio, analisi e sperimentazione effettuato dal sottoscritto, Giovanni Sitta, in conclusione al Corso di Laurea Magistrale in Informatica presso l'Università degli Studi di Bologna. Questo ha dapprima previsto un periodo di approfondimento di alcune architetture di supporto alla mobilità dei terminali di rete, in particolare di due protocolli allo stato dell'arte, Mobile IPv6 (MIPv6) e Locator/Identifier Separation Protocol (LISP), e di una terza architettura sperimentale denominata Always Best Packet Switching (ABPS). Sono stati in seguito esaminati tre simulatori, uno per ciascuna architettura di supporto alla mobilità considerata, realizzati come estensioni della libreria INET del framework OMNeT++, assicurandosi che fossero conformi alle specifiche del protocollo implementato (almeno entro i limiti di semplificazione rilevanti ai fini del lavoro), e correggendone eventuali problematiche, mancanze e anomalie in caso questi non le rispettassero. Sono poi stati configurati alcuni scenari simulativi utilizzando le tre librerie, in prima battuta di natura molto semplice, utilizzati per verificare il corretto funzionamento dei simulatori in condizioni ideali, e successivamente più complessi, allestendo un ambiente di esecuzione più verosimile, dotato di un maggior numero di host connessi alla rete e di ostacoli per i segnali radio usati nelle comunicazioni wireless. Tramite i risultati sperimentali ottenuti da queste simulazioni è stato infine possibili realizzare un confronto tra le prestazioni di MIPv6, LISP e ABPS.

Confronto simulativo tra architetture per la mobilità: analisi simulatore LISP e confronto con ABPS

L'utilizzo sempre crescente di dispositivi mobili, lo sviluppo di applicazioni mobile in continuo aumento, e la necessità di una sempre migliore qualità della comunicazione, ha portato grande interesse ad analizzare i protocolli di supporto alla mobilità dei terminali. Questi, tra i quali il più conosciuto è forse Mobile IP, vengono posti in esame utilizzando diverse metriche per valutarne le prestazioni. Si confrontano dunque due protocolli: LISP e ABPS; per ognuno dei quali ne viene presentata e descritta l'architettura e le principali funzionalità; entrambe queste architetture per il supporto alla mobilità, prevedono delle specifiche per fornire continuità nella comunicazione durante il roaming di un nodo multihomed. Vengono presentati poi gli strumenti con i quali verrà effettuata il l'analisi: il simulatore a eventi discreti OMNeT++ e il suo framework INET. Successivamente sono descritte le principali componenti dei simulatori per LISP e ABPS, che modellano le meccaniche dei due protocolli analizzati. Questi sono stati sottoposti a modifiche mirate a correggerne eventuali anomalie di comportamento, e ad introdurre nuove funzionalità, soprattutto per quanto riguarda ABPS, che era solo parzialmente implementato. Sono mostrati gli scenari in cui verranno effettuati i test per il confronto delle prestazioni: uno scenario semplice e uno che cerca di proporre una rete urbana verosimile; di seguito vengono elencati i parametri e le configurazioni utilizzate per ognuno dei due scenari. Infine vengono presentati i risultati mettendo a confronto due aspetti della mobilità dei terminali: durata dell'intervallo di indisponibilità e latenza dei pacchetti.

Design, implementation and performance evaluation of an anonymous distributed simulator

La simulazione è definita come la rappresentazione del comportamento di un sistema o di un processo per mezzo del funzionamento di un altro o, alternativamente, dall'etimologia del verbo “simulare”, come la riproduzione di qualcosa di fittizio, irreale, come se in realtà, lo fosse. La simulazione ci permette di modellare la realtà ed esplorare soluzioni differenti e valutare sistemi che non possono essere realizzati per varie ragioni e, inoltre, effettuare differenti valutazioni, dinamiche per quanto concerne la variabilità delle condizioni. I modelli di simulazione possono raggiungere un grado di espressività estremamente elevato, difficilmente un solo calcolatore potrà soddisfare in tempi accettabili i risultati attesi. Una possibile soluzione, viste le tendenze tecnologiche dei nostri giorni, è incrementare la capacità computazionale tramite un’architettura distribuita (sfruttando, ad esempio, le possibilità offerte dal cloud computing). Questa tesi si concentrerà su questo ambito, correlandolo ad un altro argomento che sta guadagnando, giorno dopo giorno, sempre più rilevanza: l’anonimato online. I recenti fatti di cronaca hanno dimostrato quanto una rete pubblica, intrinsecamente insicura come l’attuale Internet, non sia adatta a mantenere il rispetto di confidenzialità, integrità ed, in alcuni, disponibilità degli asset da noi utilizzati: nell’ambito della distribuzione di risorse computazionali interagenti tra loro, non possiamo ignorare i concreti e molteplici rischi; in alcuni sensibili contesti di simulazione (e.g., simulazione militare, ricerca scientifica, etc.) non possiamo permetterci la diffusione non controllata dei nostri dati o, ancor peggio, la possibilità di subire un attacco alla disponibilità delle risorse coinvolte. Essere anonimi implica un aspetto estremamente rilevante: essere meno attaccabili, in quanto non identificabili.

Analisi acustica di una finestra forata: modellazione numerica mediante COMSOL multiphysics

“Immaginate di potervi rilassare a casa in una giornata d’estate tenendo le finestre aperte per lasciare passare la brezza ma senza essere disturbati dai rumori della città, oggi è possibile”. Quello che voglio fare attraverso questa tesi è di studiare la fattibilità per la realizzazione di una finestra che permetta il passaggio dell’aria ma non dei rumori. L’idea di questa particolare finestra silenziosa mi è stata fornita dallo studio fatto dal professor Sang-Hoon Kim del Mokpo National University maritime e dal professor Seong-Hyun Lee del Korea Institute of Machinery and Materials in Corea del Sud. Essi hanno utilizzato i metamateriali acustici per risolvere il problema dell’inquinamento sonoro in città. Queste finestre hanno il vantaggio di tenere i rumori fuori dalla nostra abitazione ma permettere il passaggio dell’aria attraverso dei fori aventi dimensioni e posizioni adeguate da garantire questo particolare fenomeno. I principi su cui si basano queste finestre sono: la diffrazione e i risonatori di Helmholtz, che analizzeremo nel dettaglio nei capitoli 1 e 2 di questa tesi. Dopo aver analizzato i due principi attraverso simulazione fatte mediante il programma COMSOL multiphysics, sono passata all’analisi della finestra vera e propria: ovvero alla realizzazione delle dimensioni adeguate dei risonatori di Helmholtz utilizzati, alle dimensioni dei rispettivi fori d’ingresso e alla combinazione di questi risonatori per ricavare la miglior finestra silenziosa, che trattenesse al suo esterno il maggior numero di dB.

Self-management di malattie croniche in sistemi di mobile Health: sviluppo di un modello agent-based per casi di diabete

L'obiettivo della tesi è proporre e motivare l'adozione di un modello computazionale Agent-Based nell'ambito del Self-Management di malattie croniche in un sistema di mobile Health. Viene quindi affrontata in maniera approfondita la tematica del mobile Health, settore in grande espansione che vede l'introduzione massiccia dei dispositivi mobili (smartphone, tablet, PDA) in ambito sanitario, e quella del Self-Managment di malattie croniche, un processo di cura caratterizzato dalla partecipazione autonoma del paziente stesso, fornendo una panoramica dei vari approcci computazionali sviluppati. Successivamente vengono presentate le peculiarità dei modelli computazionali risultati dalle ricerche in letteratura strumenti innovati nell'ambito. Nel caso di studio viene adottata la tecnica di modellazione Agent-Based per sviluppare un modello a supporto di malati cronici affetti da diabete mellito di tipo 1. Con la successiva implementazione sulla piattaforma di simulazione MASON, vengono eseguiti diversi esperimenti per dimostrare la fattibilità dell’approccio adottato nell'ambito del Self-Management di malattie croniche.

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.