On the Design of a Boolean-network Robot Swarm: Collective Recognition of Ground Patterns.

Uno dei principali ambiti di ricerca dell’intelligenza artificiale concerne la realizzazione di agenti (in particolare, robot) in grado di aiutare o sostituire l’uomo nell’esecuzione di determinate attività. A tal fine, è possibile procedere seguendo due diversi metodi di progettazione: la progettazione manuale e la progettazione automatica. Quest’ultima può essere preferita alla prima nei contesti in cui occorra tenere in considerazione requisiti quali flessibilità e adattamento, spesso essenziali per lo svolgimento di compiti non banali in contesti reali. La progettazione automatica prende in considerazione un modello col quale rappresentare il comportamento dell’agente e una tecnica di ricerca (oppure di apprendimento) che iterativamente modifica il modello al fine di renderlo il più adatto possibile al compito in esame. In questo lavoro, il modello utilizzato per la rappresentazione del comportamento del robot è una rete booleana (Boolean network o Kauffman network). La scelta di tale modello deriva dal fatto che possiede una semplice struttura che rende agevolmente studiabili le dinamiche tuttavia complesse che si manifestano al suo interno. Inoltre, la letteratura recente mostra che i modelli a rete, quali ad esempio le reti neuronali artificiali, si sono dimostrati efficaci nella programmazione di robot. La metodologia per l’evoluzione di tale modello riguarda l’uso di tecniche di ricerca meta-euristiche in grado di trovare buone soluzioni in tempi contenuti, nonostante i grandi spazi di ricerca. Lavori precedenti hanno gia dimostrato l’applicabilità e investigato la metodologia su un singolo robot. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire prova di principio relativa a un insieme di robot, aprendo nuove strade per la progettazione in swarm robotics. In questo scenario, semplici agenti autonomi, interagendo fra loro, portano all’emergere di un comportamento coordinato adempiendo a task impossibili per la singola unità. Questo lavoro fornisce utili ed interessanti opportunità anche per lo studio delle interazioni fra reti booleane. Infatti, ogni robot è controllato da una rete booleana che determina l’output in funzione della propria configurazione interna ma anche dagli input ricevuti dai robot vicini. In questo lavoro definiamo un task in cui lo swarm deve discriminare due diversi pattern sul pavimento dell’arena utilizzando solo informazioni scambiate localmente. Dopo una prima serie di esperimenti preliminari che hanno permesso di identificare i parametri e il migliore algoritmo di ricerca, abbiamo semplificato l’istanza del problema per meglio investigare i criteri che possono influire sulle prestazioni. E’ stata così identificata una particolare combinazione di informazione che, scambiata localmente fra robot, porta al miglioramento delle prestazioni. L’ipotesi è stata confermata applicando successivamente questo risultato ad un’istanza più difficile del problema. Il lavoro si conclude suggerendo nuovi strumenti per lo studio dei fenomeni emergenti in contesti in cui le reti booleane interagiscono fra loro.

Studio della formazione di espansi poliuretanici ad elevata resilienza contenenti reticolanti silanici

La produzione di sedili auto rappresenta una delle principali applicazioni delle schiume poliuretaniche flessibili a bassa densità. La forte necessità di riduzione del peso totale del veicolo si traduce in una richiesta di significative riduzioni di densità dei materiali utilizzati per l’interno vettura. Tale riduzione deve tuttavia essere associata a migliorate proprietà, nel senso del mantenimento delle performance nel tempo, della sicurezza e del comfort. Ricerche di mercato hanno evidenziato la necessità di sviluppare schiume poliuretaniche con elevate performance in termini di comfort, associate a significative riduzioni di densità e significative riduzioni di spessori applicati, nell’ottica di produrre sedili sempre più sottili consentendo la massima flessibilità di design dell’interno del veicolo. Scopo del presente progetto è lo sviluppo di una nuova chimica associata a quella del poliuretano che permetta di ottenere un elevato comfort. Il corpo umano e maggiormente sensibile a vibrazioni con frequenza tra i 4 e gli 8 Hz. In questo intervallo di frequenze le vibrazioni trasmesse sono correlate con l’isteresi del materiale stesso. Solitamente basse isteresi sono associate a bassa trasmissività delle vibrazioni. I produttori di auto hanno quindi cominciato a valutare il comfort di un sedile in termini di isteresi del materiale stesso. Nel caso specifico è considerato un sedile confortevole se possiede una isteresi inferiore al 18%. Le performance in termini di comfort devono essere associate anche ad una bassa emissione di composti organici volatili, con particolare attenzione ad ammine e aldeidi, ad un 15% di riduzione di densità (l’obiettivo è raggiungere una densità di 60 g/L a fronte di una densità attuale che si colloca nel range 75-80 g/L), con proprietà fisico meccaniche e resistenza all’invecchiamento in grado di soddisfare i capitolati delle case automobilistiche. Recentemente la produzione di SMPs (silane-modified polymers) ricopre un ruolo fondamentale nel mercato dei sigillanti e degli adesivi. L’idea di utilizzare questa famiglia di silani nella produzione di schiume poliuretaniche flessibili risiede nel fatto che, esattamente come in sigillanti e adesivi, ci possa essere una reazione successiva a quella di formazione del PU che possa dare ulteriore reticolazione della frazione morbida. La reazione di post-curing del silano ha incontrato diverse problematiche relative alla scarsa reattività del silano stesso. Per attivare la reazione di idrolisi e oligomerizzazione si è utilizzato un acido di Brønsted (DBSA) ma l’interazione con le ammine presenti nel poliolo formulato, necessarie alla reazione di formazione del legame uretanico, ne hanno inibito l’attività.

Structural design, manufacturing and testing of the new wing for the CSIR's Modular UAS in composite materials

In the framework of an international collaboration with South Africa CSIR, the structural design, manufacturing and testing of the new wing for the Modular UAS in composite materials has been performed.

Multicelled Behaviour in E. coli: Design and experimental characterization of an engineered library of hybrid promoters.

Synthetic biology has recently had a great development, many papers have been published and many applications have been presented, spanning from the production of biopharmacheuticals to the synthesis of bioenergetic substrates or industrial catalysts. But, despite these advances, most of the applications are quite simple and don’t fully exploit the potential of this discipline. This limitation in complexity has many causes, like the incomplete characterization of some components, or the intrinsic variability of the biological systems, but one of the most important reasons is the incapability of the cell to sustain the additional metabolic burden introduced by a complex circuit. The objective of the project, of which this work is part, is trying to solve this problem through the engineering of a multicellular behaviour in prokaryotic cells. This system will introduce a cooperative behaviour that will allow to implement complex functionalities, that can’t be obtained with a single cell. In particular the goal is to implement the Leader Election, this procedure has been firstly devised in the field of distributed computing, to identify the process that allow to identify a single process as organizer and coordinator of a series of tasks assigned to the whole population. The election of the Leader greatly simplifies the computation providing a centralized control. Further- more this system may even be useful to evolutionary studies that aims to explain how complex organisms evolved from unicellular systems. The work presented here describes, in particular, the design and the experimental characterization of a component of the circuit that solves the Leader Election problem. This module, composed of an hybrid promoter and a gene, is activated in the non-leader cells after receiving the signal that a leader is present in the colony. The most important element, in this case, is the hybrid promoter, it has been realized in different versions, applying the heuristic rules stated in [22], and their activity has been experimentally tested. The objective of the experimental characterization was to test the response of the genetic circuit to the introduction, in the cellular environment, of particular molecules, inducers, that can be considered inputs of the system. The desired behaviour is similar to the one of a logic AND gate in which the exit, represented by the luminous signal produced by a fluorescent protein, is one only in presence of both inducers. The robustness and the stability of this behaviour have been tested by changing the concentration of the input signals and building dose response curves. From these data it is possible to conclude that the analysed constructs have an AND-like behaviour over a wide range of inducers’ concentrations, even if it is possible to identify many differences in the expression profiles of the different constructs. This variability accounts for the fact that the input and the output signals are continuous, and so their binary representation isn’t able to capture the complexity of the behaviour. The module of the circuit that has been considered in this analysis has a fundamental role in the realization of the intercellular communication system that is necessary for the cooperative behaviour to take place. For this reason, the second phase of the characterization has been focused on the analysis of the signal transmission. In particular, the interaction between this element and the one that is responsible for emitting the chemical signal has been tested. The desired behaviour is still similar to a logic AND, since, even in this case, the exit signal is determined by the hybrid promoter activity. The experimental results have demonstrated that the systems behave correctly, even if there is still a substantial variability between them. The dose response curves highlighted that stricter constrains on the inducers concentrations need to be imposed in order to obtain a clear separation between the two levels of expression. In the conclusive chapter the DNA sequences of the hybrid promoters are analysed, trying to identify the regulatory elements that are most important for the determination of the gene expression. Given the available data it wasn’t possible to draw definitive conclusions. In the end, few considerations on promoter engineering and complex circuits realization are presented. This section aims to briefly recall some of the problems outlined in the introduction and provide a few possible solutions.

Design e sintesi di nuove sonde luminescenti per il "targeting" dell'avidina

Recent studies on the use of bio-conjugating organometallic probes report on the possibility to use biotinylated-derivatives to selectively coordinate to a specific protein, avidin. In the present thesis, the synthesis of four new bifunctional ligands is described. The ligands contain both a pyridine triazolic unit able to coordinate a transition metal, and a biotin fragment able to bond avidin: the two functionalities are linked together by an appropriate aromatic linker (amide or ester). The obtained ligands were then employed to form luminescent Ir(III) complexes, that have been fully characterized also by a photophysical point of view both in organic and in aqueous solvent. Therefore, titrations of solutions of avidin with aqueous solutions of Ir(III)-complexes have been performed in order to estimate the luminescence variations of the complexes in the presence or in the absence of bio-conjugation.

Design and implementation of a fft pruning engine for DSA-enabled cognitive radios.

This research work presents the design and implementation of a FFT pruning block, which is an extension to the FFT core for OFDM demodulation, enabling run-time 8 pruning of the FFT algorithm, without any restrictions on the distribution pattern of the active/inactive sub-carriers. The design and implementation of FFT processor core is not the part of this work. The whole design was prototyped on an ALTERA STRATIX V FPGA to evaluate the performance of the pruning engine. Synthesis and simulation results showed that the logic overhead introduced by the pruning block is limited to a 10% of the total resources utilization. Moreover, in presence of a medium-high scattering of the sub-carriers, power and energy consumption of the FFT core were reduced by a 30% factor.

Design of virtual aircraft multipurpose platform

This report elaborates on the master degree thesis developed by the candidate within the company Superjet International. The performed activity focuses on the study and design of VAMP (Virtual Aircraft Multipurpose Platform). VAMP is a new interactive platform, not necessarily limited to the Aeronautical sector, aimed to analyse technical failures, identify risk and recommend the most appropriate corrective actions for maintenance cost reduction, taking into account reliability, availability, maintainability and safety.

Supporto alla creazione di un ecosistema di aziende: change management e design thinking - il caso Centergross

Il lavoro tratta la progettazione di un intervento tecnologico e organizzativo in grado di guidare la creazione di un ecosistema di imprese per un distretto commerciale: Centergross (Funo d’Argelato, Bologna). Tale lavoro è stato preparato durante un periodo di Stage della durata di cinque mesi effettuato presso Epoca S.r.l (Bologna) a seguito della necessità, riscontrata dalla direzione del distretto, di ripensare il proprio modello di business. L’obiettivo del progetto di intervento di Epoca è quello di supportare il distretto in questa fase di cambiamento, da “condominio” di imprese autonome a ecosistema, grazie all’identificazione e alla realizzazione di strumenti organizzativi e tecnologici che possano costruire opportunità di sinergie, aumentare la completezza dell’offerta e sfruttare economie di scopo. Per questo è stato realizzato un nuovo sistema informatico (social network e applicazione mobile) in grado di supportare la strategia ed evolvere con essa. La tesi si struttura in tre parti. Nella prima parte, attraverso un’indagine della letteratura di riferimento, si sono indagati i principali modelli di cambiamento organizzativo e il ruolo dei sistemi informativi all’interno delle organizzazione. Un approfondimento circa gli approcci, i processi e la gestione del cambiamento in relazione all’introduzione di un nuovo sistema informativo all’interno delle organizzazioni con riferimento alle tematiche del Business Process Reengineering. La seconda parte è dedicata all’evoluzione del Web con la rivoluzione culturale causata dagli strumenti del web partecipativo, semantico e potenziato: social network e applicazione mobile nello specifico; e all’approccio di progettazione: il Design Thinking. Una tecnica che si prefigge di: trovare il miglior fit fra obiettivi, risorse e tecnologie disponibili; favorire lo sviluppo di nuove idee innovative entrando in empatia con il contesto del problema proponendo soluzioni centrate sui bisogni degli utenti. L’ultima parte del lavoro consiste nella descrizione del caso. Vengono presentate la fase di analisi della situazione attuale e i successivi step di progettazione del sistema informatico: la definizione dei prototipi, la popolazione del database, il modello di dominio, le interfacce utente e le esperienze di navigazione all’interno della piattaforma software proposta. L’approccio prevede che il progetto proceda per iterazioni successive e un adattamento continuo alle esigenze del cliente.

Design and implementation of a testbed for data distribution management

Data Distribution Management (DDM) is a core part of High Level Architecture standard, as its goal is to optimize the resources used by simulation environments to exchange data. It has to filter and match the set of information generated during a simulation, so that each federate, that is a simulation entity, only receives the information it needs. It is important that this is done quickly and to the best in order to get better performances and avoiding the transmission of irrelevant data, otherwise network resources may saturate quickly. The main topic of this thesis is the implementation of a super partes DDM testbed. It evaluates the goodness of DDM approaches, of all kinds. In fact it supports both region and grid based approaches, and it may support other different methods still unknown too. It uses three factors to rank them: execution time, memory and distance from the optimal solution. A prearranged set of instances is already available, but we also allow the creation of instances with user-provided parameters. This is how this thesis is structured. We start introducing what DDM and HLA are and what do they do in details. Then in the first chapter we describe the state of the art, providing an overview of the most well known resolution approaches and the pseudocode of the most interesting ones. The third chapter describes how the testbed we implemented is structured. In the fourth chapter we expose and compare the results we got from the execution of four approaches we have implemented. The result of the work described in this thesis can be downloaded on sourceforge using the following link: https://sourceforge.net/projects/ddmtestbed/. It is licensed under the GNU General Public License version 3.0 (GPLv3).

Performance based earthquake engineering: Il metodo P.E.E.R. applicazione su un caso di studio.

L’approccio performance-based nell’Ingegneria sismica è una metodologia di progetto che tiene esplicitamente in conto la performance dell’edificio tra i criteri progettuali. Nell’ambito dei metodi PBEE (Performance-Based Earthquake Engineering) di seconda generazione, quello proposto dal PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center) risulta essere il più diffuso. In esso la performance dell’edificio oggetto di studio viene valutata in termini quantitativi secondo le 3D’s (dollars, deaths, downtime – soldi, decessi, inutilizzo), quantità di notevole interesse per l’utente finale. Il metodo si compone di quattro step, indipendenti tra loro fino alla sintesi finale. Essi sono: l’analisi di pericolosità, l’analisi strutturale, l’analisi di danno, l’analisi delle perdite o di loss. Il risultato finale è la curva di loss, che assegna ad ogni possibile perdita economica conseguente all’evento sismico una probabilità di superamento nell’arco temporale di riferimento. Dopo la presentazione del metodo PEER, si è provveduto ad una sua applicazione su di un caso di studio, nella fattispecie un telaio piano di quattro campate, multipiano, in calcestruzzo armato, costruito secondo le norme del ’92. Per l’analisi di pericolosità si è fatto ricorso alle mappe di pericolosità disponibili sul sito INGV, mentre per l’analisi strutturale si è utilizzato il software open-source OpenSees. Le funzioni di fragilità e quelle di loss sono state sviluppate facendo riferimento alla letteratura scientifica, in particolare il bollettino Fib numero 68 “Probabilistic performance-based seismic design”. In questa sede ci si è concentrati unicamente sulla stima delle perdite economiche, tralasciando le altre due variabili decisionali. Al termine del procedimento si è svolta un’analisi di sensitività per indagare quali parametri influenzino maggiormente la curva di loss. Data la curva di pericolosità, il legame EDP(IM) e la deformazione ultima a collasso risultano essere i più rilevanti sul risultato dell’analisi.