Sistema para monitoramento e análise de paisagens acústicas submarinas.

O Monitoramento Acústico Passivo (PAM) submarino refere-se ao uso de sistemas de escuta e gravação subaquática, com o intuito de detectar, monitorar e identificar fontes sonoras através das ondas de pressão que elas produzem. Se diz que é passivo já que tais sistemas unicamente ouvem, sem perturbam o meio ambiente acústico existente, diferentemente de ativos, como os sonares. O PAM submarino tem diversas áreas de aplicação, como em sistemas de vigilância militar, seguridade portuária, monitoramento ambiental, desenvolvimento de índices de densidade populacional de espécies, identificação de espécies, etc. Tecnologia nacional nesta área é praticamente inexistente apesar da sua importância. Neste contexto, o presente trabalho visa contribuir com o desenvolvimento de tecnologia nacional no tema através da concepção, construção e operação de equipamento autônomo de PAM e de métodos de processamento de sinais para detecção automatizada de eventos acústicos submarinos. Foi desenvolvido um equipamento, nomeado OceanPod, que possui características como baixo custo de fabrica¸c~ao, flexibilidade e facilidade de configuração e uso, voltado para a pesquisa científica, industrial e para controle ambiental. Vários protótipos desse equipamento foram construídos e utilizados em missões no mar. Essas jornadas de monitoramento permitiram iniciar a criação de um banco de dados acústico, o qual permitiu fornecer a matéria prima para o teste de detectores de eventos acústicos automatizados e em tempo real. Adicionalmente também é proposto um novo método de detecção-identificação de eventos acústicos, baseado em análise estatística da representação tempo-frequência dos sinais acústicos. Este novo método foi testado na detecção de cetáceos, presentes no banco de dados gerado pelas missões de monitoramento.

Mineração oceânica: uma alternativa sustentável para o aproveitamento de areias quartzosas.

Este estudo apresenta ao Departamento de Engenharia de Minas e Petróleo (PMI) da Escola Politécnica da USP, e também a toda a sociedade, a importância que os oceanos têm com relação às suas riquezas minerais. Pretende ainda mostrar a grande responsabilidade que um empreendimento mineiro no fundo do mar precisa ter, com relação aos impactos ambientais, sendo possível minerar em regiões profundas no oceano promovendo a sustentabilidade. A ideia da mineração oceânica/submarina está ainda sendo amadurecida, este é o momento adequado para se propor metodologias de trabalho submarino sustentáveis; mitigar seus impactos. Este trabalho abrange o tema de maneira ampla, abordando o aspecto histórico, legal, ambiental, bem como questões técnicas de engenharia de minas, como sondagem submarina, caracterização tecnológica, lavra submarina, beneficiamento de minério oceânico e descarte de rejeitos. O trabalho apresenta os passos e resultados de um caso real de exploração oceânica. Trata-se de um estudo para viabilizar economicamente a extração e o beneficiamento de areia marinha, para fins industriais, proveniente da Baía de Guanabara (RJ). O trabalho apresenta desde o planejamento da amostragem no fundo do mar, execução destes trabalhos, caracterização tecnológica, simulação de processo e estudos específicos do uso industrial da areia após beneficiamento. Apresenta ainda uma proposta de rota de processo para a areia marinha e questões ligadas à lavra e ao descarte de rejeitos.

Fibrous Aerial Robotics: study of spiderweb strategies for the design of architectural envelopes using swarms of drones and inflatable formworks

La tesi approccia in modo transdisciplinare biologia, architettura e robotica, con la finalità di indagare e applicare principi costruttivi attraverso l’interazione tra sciami di droni che depositano materiale fibroso su strutture gonfiabili di supporto. L’attenzione principale è nello sviluppo (attraverso un workflow computazionale che gestisce sciami di agenti costruttori) di una tettonica che integra struttura, spazio e ornamento all’interno dello stesso processo progettuale, il quale si sviluppa coerentemente dall’ideazione fino alla fabbricazione. Sono stati studiati modelli biologici quali le colonie di ragni sociali, i quali costruiscono artefatti di grandi dimensioni relativamente a quelle del singolo individuo grazie ad un’organizzazione coordinata ed emergente e alle proprietà dei sistemi fibrosi. L’auto-organizzazione e la decentralizzazione, insieme alle caratteristiche del sistema materiale, sono stati elementi indispensabili nell’estrapolazione prima e nella codificazione poi di un insieme di regole adatte allo sviluppo del sistema costruttivo. Parallelamente alla simulazione digitale si è andati a sviluppare anche un processo fisico di fabbricazione che, pur tenendo conto dei vincoli economici e tecnici, potesse dimostrarsi una prova di concetto e fattibilità del sistema costruttivo. Sono state investigate le possibilità che un drone offre nel campo della fabbricazione architettonica mediante il rilascio di fili su elementi gonfiabili in pressione. Il processo può risultare vantaggioso in scenari in cui non è possibile allestire infrastrutture costruttive tradizionali (es. gole alpine, foreste). Tendendo conto dei vincoli e delle caratteristiche del sistema di fabbricazione proposto, sono state esplorate potenzialità e criticità del sistema studiato.

Cova dels Jurats at Calescoves (Alaior, Minorca). A Cave Shrine in the Talayotic context?

Excavations carried out in the Cova dels Jurats between 2010 and 2012 served to establish that, unlike the rest of the caves Calescoves, this one functioned as a sanctuary, with two different phases. The first one corresponds to the Final Talayotic Period, as the first cave shrine documented in the Talayotic culture. In Roman times, the place was still used as a sanctuary, but with a totally different ritual, linked to the inscriptions discovered at the entrance of the cave.

Sistema di guida robot per operazioni di pick and place

Uno dei fattori che ha favorito la diffusione della robotica è legato alla nascita, allo sviluppo e al perfezionamento dei sistemi di guida robot. Per guida robot si intende un sistema di visione artificiale capace di guidare un robot durante lo svolgimento di un determinato compito. All'interno di questo elaborato di tesi, verrà illustrato in dettaglio un sistema di guida robot realizzato per una operazione di pick and place 2D multistrato. Sebbene la procedura proposta sia stata sviluppata per risolvere un problema specifico, la sua validità è del tutto generale e può essere estesa anche ad altre applicazioni appartenenti alla stessa categoria.

Shape-based compliance control for snake robots

I serpenti robot sono una classe di meccanismi iper-ridondanti che appartiene alla robotica modulare. Grazie alla loro forma snella ed allungata e all'alto grado di ridondanza possono muoversi in ambienti complessi con elevata agilità. L'abilità di spostarsi, manipolare e adattarsi efficientemente ad una grande varietà di terreni li rende ideali per diverse applicazioni, come ad esempio attività di ricerca e soccorso, ispezione o ricognizione. I robot serpenti si muovono nello spazio modificando la propria forma, senza necessità di ulteriori dispositivi quali ruote od arti. Tali deformazioni, che consistono in movimenti ondulatori ciclici che generano uno spostamento dell'intero meccanismo, vengono definiti andature. La maggior parte di esse sono ispirate al mondo naturale, come lo strisciamento, il movimento laterale o il movimento a concertina, mentre altre sono create per applicazioni specifiche, come il rotolamento o l'arrampicamento. Un serpente robot con molti gradi di libertà deve essere capace di coordinare i propri giunti e reagire ad ostacoli in tempo reale per riuscire a muoversi efficacemente in ambienti complessi o non strutturati. Inoltre, aumentare la semplicità e ridurre il numero di controllori necessari alla locomozione alleggerise una struttura di controllo che potrebbe richiedere complessità per ulteriori attività specifiche. L'obiettivo di questa tesi è ottenere un comportamento autonomo cedevole che si adatti alla conformazione dell'ambiente in cui il robot si sta spostando, accrescendo le capacità di locomozione del serpente robot. Sfruttando la cedevolezza intrinseca del serpente robot utilizzato in questo lavoro, il SEA Snake, e utilizzando un controllo che combina cedevolezza attiva ad una struttura di coordinazione che ammette una decentralizzazione variabile del robot, si dimostra come tre andature possano essere modificate per ottenere una locomozione efficiente in ambienti complessi non noti a priori o non modellabili.

Modelar o programar en prácticas de robótica

En este trabajo se muestra la experiencia de usar una herramienta de desarrollo de ingeniería basada en modelos (MDE) frente a otra herramienta tradicional de programacion de sistemas embebidos en lenguaje C, para la realizacion de clases practicas de robotica. Se ha plantea do una practica basada en el control cinemático de un robot móvil en ambos entornos con similares bloques y funciones de partida. Los resultados muestran tanto la comparación de las evaluaciones objetivas realiza das a los dos grupos como los datos relativos a los tiempos requeridos para la realización de las diferentes partes de la practica. Si bien, los resultados del aprendizaje son mayores en el caso del método basado en programacion, la diferencia en tiempos invertidos y otras valoraciones hacen m´as adecuado el MDE .

Analisi sperimentale di un sistema di localizzazione UWB per applicazioni robotiche

Data la pervasività dell’elettronica nella vita moderna, sempre più interesse è stato posto nelle applicazioni di localizzazione. In ambienti indoor e outdoor, dove sono richieste precisioni dell’ordine delle decine di centimetri, i classici servizi GNSS non sono applicabili. Una tecnologia promettente è quella a banda ultra-larga (UWB), affermata recentemente sul mercato. Un’alternativa potrebbe essere l’utilizzo di sensori ottici con marker di riferimento, però la presenza di fumo e idrometeore presenti nell’ambiente potrebbero andare ad oscurare i marker, rendendo impossibile la localizzazione. Lo scopo della tesi è volto a studiare un sistema di localizzazione UWB, progettato dall’Università di Bologna, ora sviluppato e commercializzato, in un’applicazione robotica. In particolare, l’idea è quella di porre il sistema di localizzazione sopra un elemento mobile, per esempio nella parte terminale di un braccio meccanico, al fine di localizzare un oggetto dotato di nodo UWB, ricavando dinamicamente la posizione relativa tra il braccio e l’oggetto. La tesi si concentra inizialmente a livello teorico sulle caratteristiche delle principali tecnologie coinvolte, in particolare i sistemi UWB e il filtraggio Bayesiano, per poi trattare i limiti teorici della localizzazione, nei concetti di Cramér-Rao lower bound (CRLB) e geometric dilution of precision (GDOP). Da questi, si motiva l’utilizzo della tecnica two-way ranging (TWR) come principio di raccolta delle misure per la localizzazione, per poi ricavare le curve teoriche dell’errore di localizzazione, tenendo conto dei limiti geometrici imposti, utilizzate come riferimento per l’analisi dell’errore ottenuto con il sistema reale. La tecnologia viene testata in tre campagne di misura. Nelle prime due si osserva la presenza di un piano metallico parallelo alla direzione di propagazione, per esaminare gli effetti delle riflessioni sulla localizzazione, mentre nella terza campagna si considera la presenza di acqua dolce.

Studio di fattibilità di un robot a cavi per la movimentazione in ambito navale

L’obbiettivo di questo elaborato di tesi è quello di eseguire uno studio di fattibilità per l’applicazione della tecnologia dei robot a cavi in ambito navale e della Difesa. Il lavoro è stato svolto presso l’azienda Calzoni di Calderara di Reno. In particolare, si è analizzata la possibilità di sostituire le tradizionali strutture rigide impiegate nella movimentazione di carichi con un sistema robotico azionato da cavi che fosse in grado di garantire caratteristiche quali modularità e una più facile riconfigurabilità. Sono state prese in considerazione diverse architetture di robot a cavi. Innanzitutto, si è verificato per ognuna il rispetto delle specifiche di progetto assegnate dall’azienda. Si è quindi condotta un’analisi cineto-statica sulle architetture potenzialmente idonee in modo tale da determinare quale fosse quella più prestazionale. Definita la migliore configurazione, se ne è sviluppato un primo concept preliminare.

Sviluppo di un sistema di Realta Aumentata applicato a un modello 3D della prostata, sviluppato a partire da immagini RM, al fine di facilitare la dissezione del tumore e la conservazione dei fasci neuro vascolari durante l'intervento chirurgico di prostatectomia radicale robot-assistita

La realtà aumentata (AR) è una nuova tecnologia adottata in chirurgia prostatica con l'obiettivo di migliorare la conservazione dei fasci neurovascolari (NVB) ed evitare i margini chirurgici positivi (PSM). Abbiamo arruolato prospetticamente pazienti con diagnosi di cancro alla prostata (PCa) sul base di biopsia di fusione mirata con mpMRI positiva. Prima dell'intervento, i pazienti arruolati sono stati indirizzati a sottoporsi a ricostruzione del modello virtuale 3D basato su mpMRI preoperatoria immagini. Infine, il chirurgo ha eseguito la RARP con l'ausilio del modello 3D proiettato in AR all'interno della console robotica (RARP guidata AR-3D). I pazienti sottoposti a AR RARP sono stati confrontati con quelli sottoposti a "RARP standard" nello stesso periodo. Nel complesso, i tassi di PSM erano comparabili tra i due gruppi; I PSM a livello della lesione indice erano significativamente più bassi nei pazienti riferiti al gruppo AR-3D (5%) rispetto a quelli nel gruppo di controllo (20%; p = 0,01). La nuova tecnica di guida AR-3D per l'analisi IFS può consentono di ridurre i PSM a livello della lesione dell'indice

Innovative photoresponsive materials & supramolecular structures

This thesis focuses on two main topics: photoresponsive azobenzene-based polymers and supramolecular systems generated by the self-assembly of lipophilic guanosines. In the first chapters describe innovative photoresponsive devices and materials capable of performing multiple roles in the field of soft robotics and energy conversion. Chapter 2 describes a device obtained by coupling a photoresponsive liquid-crystalline network and a piezoelectric polymer to convert visible light into electricity. Chapter 3 deals with a material that can assume different shapes when triggered by three different stimuli in different environments. Chapter 4 reports a highly performing artificial muscle that contracts when irradiated. The last two chapters report on supramolecular structures generated from functionalized guanosines dissolved in organic solvents. Chapter 6 illustrates the self-assembly into G-quadruplexes of 8- and 5’-functionalized guanosines in the absence of templating ions. Chapter 7 describes the supramolecular structure generated by the assembly of a lipophilic guanosine in the presence of silver cations. Chapter 6 is reproduced from an already published paper, while the other chapters are going to be submitted to different journals in a couple of months.

Ambienti digitali per l’apprendimento: laboratori didattici in una scuola secondaria di I grado

Il Covid-19 ha obbligato a riorganizzare le attività didattiche in base alle esigenze connesse al contenimento dei contagi. Nell’affrontare l’emergenza, i dispositivi elettronici e la connettività sono risultati fondamentali per la sostituzione della didattica in presenza con quella a distanza. L’impatto è stato critico, ma ha costretto anche i più scettici a adeguare la propria offerta formativa, per rispondere alle necessità emerse e per non interrompere la relazione educativa e il processo di apprendimento attivato con i propri alunni. Ciò ha rappresentato un punto di rottura ma anche di svolta per il sistema scolastico, che ha dovuto riconoscere la centralità degli strumenti tecnologici nell’attivazione di ambienti digitali per l’apprendimento, in grado di coinvolgere e connettere insegnanti e studenti anche fuori dall’aula. Questo ha ridotto il divario tra generazioni, inducendo molti docenti a sperimentare le nuove tecnologie con più naturalezza, accelerando il cambiamento già prefigurato nel PNSD e nelle Raccomandazioni Europee. Per orientare le nuove generazioni all’uso consapevole delle nuove tecnologie, la mediazione didattica operata dal docente assume un ruolo centrale per facilitare gli apprendimenti, affiancando i new media a quelli tradizionali. A tal proposito la scelta degli approcci pedagogici e delle metodologie didattiche si rivela essenziale, quindi sono stati esaminati gli apporti che possono fornire le varie teorie e studi per strutturare la propria proposta didattica. Sono stati presi in esame alcuni strumenti digitali in grado di attivare strategie didattiche innovative e inclusive, che ho sperimentato nel percorso universitario e messo in atto durante il tirocinio. In quest’ottica, tenendo conto del contesto scolastico di riferimento, del curricolo verticale esplicitato nel PTOF e dei bisogni educativi degli alunni, sono state proposte due UA in una classe terza della scuola secondaria di primo grado Carlo Pepoli di Bologna.

Progettazione, realizzazione e caratterizzazione sperimentale di sensori capacitivi a fluido dielettrico.

Ad oggi, misurare grandezze fisiche in maniera pratica, distribuita e sostenibile è di grande importanza al fine di poter attivare strategie di digitalizzazione di qualsiasi applicazione: da quelle industriali con robotica collaborativa, fino alla domotica o tecnologia indossabile. La sfida di oggi consiste nel poter creare dei sensori che possano abilitare questi contesti, risultando efficienti, a basso consumo energetico e sostenibili in termini di materiali e componenti utilizzati. L’obiettivo della tesi è infatti quello di valutare una classe innovativa di sensori con principio di funzionamento capacitivo che risultino facili da progettare, fabbricare ed utilizzare. Nello specifico, due tipologie di sensore sono state sviluppate: uno per la misura di forza, l’altro per la misura angolare. Entrambi i dispositivi sono stati realizzati con materiale elastomerico a base di silicone, accoppiato con elettrodi conformi, in un sistema capacitivo deformabile. All’interno di questi sistemi, sono state ricavate delle camere per il contenimento di un fluido dielettrico al fine di poter monitorare lo spostamento del fluido per la misura capacitiva. La tesi riporta le linee guida principali per la progettazione di sensori che utilizzino componenti elastomerici sia conduttori che dielettrici, in combinazione con un fluido per una misura capacitiva. Successivamente, sono riportati tutti gli step di fabbricazione delle due architetture di sensore realizzate, discutendo i vari passaggi ed elencando i materiali utilizzati. Infine, le performance dei due sensori sono valutate sulla base dei risultati di una campagna sperimentale dedicata, eseguita su due setup di banco prova distinti progettati per testare la forza applicata per il primo sensore, e l’angolo di inclinazione per il secondo. Nelle conclusioni viene riportata la valutazione dell’efficienza di questi due sensori, insieme alle evoluzioni future per rendere questa proposta tecnologica affidabile e ad alte prestazioni.

Metodologie di Corrispondenza Stereo Basate su Deep Learning per Superfici Altamente Riflettenti e Trasparenti: Dataset e Architettura

Nell’ambito della Stereo Vision, settore della Computer Vision, partendo da coppie di immagini RGB, si cerca di ricostruire la profondità della scena. La maggior parte degli algoritmi utilizzati per questo compito ipotizzano che tutte le superfici presenti nella scena siano lambertiane. Quando sono presenti superfici non lambertiane (riflettenti o trasparenti), gli algoritmi stereo esistenti sbagliano la predizione della profondità. Per risolvere questo problema, durante l’esperienza di tirocinio, si è realizzato un dataset contenente oggetti trasparenti e riflettenti che sono la base per l’allenamento della rete. Agli oggetti presenti nelle scene sono associate annotazioni 3D usate per allenare la rete. Invece, nel seguente lavoro di tesi, utilizzando l’algoritmo RAFT-Stereo [1], rete allo stato dell’arte per la stereo vision, si analizza come la rete modifica le sue prestazioni (predizione della disparità) se al suo interno viene inserito un modulo per la segmentazione semantica degli oggetti. Si introduce questo layer aggiuntivo perché, trovare la corrispondenza tra due punti appartenenti a superfici lambertiane, risulta essere molto complesso per una normale rete. Si vuole utilizzare l’informazione semantica per riconoscere questi tipi di superfici e così migliorarne la disparità. È stata scelta questa architettura neurale in quanto, durante l’esperienza di tirocinio riguardante la creazione del dataset Booster [2], è risultata la migliore su questo dataset. L’obiettivo ultimo di questo lavoro è vedere se il riconoscimento di superfici non lambertiane, da parte del modulo semantico, influenza la predizione della disparità migliorandola. Nell’ambito della stereo vision, gli elementi riflettenti e trasparenti risultano estremamente complessi da analizzare, ma restano tuttora oggetto di studio dati gli svariati settori di applicazione come la guida autonoma e la robotica.

Sviluppo di un pacchetto ROS per il controllo di un cobot addetto alla movimentazione di un pannello di protezione di una macchina automatica

L’Industria 4.0 richiede sempre più tecnologie con un notevole grado di flessibilità, in modo da garantire il più alto livello di integrazione uomo-macchina e macchina- macchina. In quest’ottica, l’avvento della robotica collaborativa, ha agevolato il pro- cesso. I robot collaborativi (cobot) possono essere facilmente installati all’interno del- le linee di assemblaggio/produzione, senza necessità di barriere che vietino l’accesso agli operatori. Tra i tanti compiti a cui possono asservire i cobot, ci sono quelli dedica- ti all’ispezione delle varie macchine (e.g. microfermate di emergenza), in cui di solito, l’apertura del pannello di protezione è affidata ad un cobot montato a bordo di un AGV. È in questo contesto che si inserisce l’elaborato di tesi, volto al controllo in forza di un robot collaborativo per la movimentazione di un pannello di protezione di una mac- china automatica. In particolare, per ragioni logistiche e di ingombro, un simulacro del pannello di protezione è stato realizzato in scala, mentre il controllo real-time del cobot è stato implementato utilizzando ROS (Robot Operating System), piattaforma disponibile in modalità open-source.