Development of multifunctional coatings deposited on polymers based sensors for biomedical applications

Tese de Doutoramento (Programa Doutoral em Engenharia de Materiais)

Neue Aktorsysteme auf Basis strukturierter Piezokeramik

Piezo actuator

Komponentenorientierte Modellierung elektrischer Systeme in der Mechatronik

Object-oriented simulation, mechatronic systems, non-iterative algorithm, electric components, piezo-actuator, symbolic computation, Maple, Sparse-Tableau, Library of components

In situ evaluation of single-cell lysis by cytosol extraction observation through fluorescence decay and dielectrophoretic trapping time

We present a new method for lysis of single cells in continuous flow, where cells are sequentially trapped, lysed and released in an automatic process. Using optimized frequencies, dielectrophoretic trapping allows exposing cells in a reproducible way to high electrical fields for long durations, thereby giving good control on the lysis parameters. In situ evaluation of cytosol extraction on single cells has been studied for Chinese hamster ovary (CHO) cells through out-diffusion of fluorescent molecules for different voltage amplitudes. A diffusion model is proposed to correlate this out-diffusion to the total area of the created pores, which is dependent on the potential drop across the cell membrane and enables evaluation of the total pore area in the membrane. The dielectrophoretic trapping is no longer effective after lysis because of the reduced conductivity inside the cells, leading to cell release. The trapping time is linked to the time required for cytosol extraction and can thus provide additional validation of the effective cytosol extraction for non-fluorescent cells. Furthermore, the application of one single voltage for both trapping and lysis provides a fully automatic process including cell trapping, lysis, and release, allowing operating the device in continuous flow without human intervention.

ICTINEUAUV wins the First SAUC-E competition

A pioneer team of students of the University of Girona decided to design and develop an autonomous underwater vehicle (AUV) called ICTINEU-AUV to face the Student Autonomous Underwater Challenge-Europe (SAUC-E). The prototype has evolved from the initial computer aided design (CAD) model to become an operative AUV in the short period of seven months. The open frame and modular design principles together with the compatibility with other robots previously developed at the lab have provided the main design philosophy. Hence, at the robot's core, two networked computers give access to a wide set of sensors and actuators. The Gentoo/Linux distribution was chosen as the onboard operating system. A software architecture based on a set of distributed objects with soft real time capabilities was developed and a hybrid control architecture including mission control, a behavioural layer and a robust map-based localization algorithm made ICTINEU-AUV the winning entry

Semiactive backstepping control for vibration attenuation in structures equipped with magnetorheological actuatorscat

This paper deals with the problem of semiactive vibration control of civil engineering structures subject to unknown external disturbances (for example, earthquakes, winds, etc.). Two kinds of semiactive controllers are proposed based on the backstepping control technique. The experimental setup used is a 6-story test structure equipped with shear-mode semiactive magnetorheological dampers being installed in the Washington University Structural Control and Earthquake Engineering Laboratory (WUSCEEL). The experimental results obtained have verified the effectiveness of the proposed control algorithms

A distributed environment for virtual and/or real experiments for underwater robots

This paper presents the distributed environment for virtual and/or real experiments for underwater robots (DEVRE). This environment is composed of a set of processes running on a local area network composed of three sites: 1) the onboard AUV computer; 2) a surface computer used as human-machine interface (HMI); and 3) a computer used for simulating the vehicle dynamics and representing the virtual world. The HMI can be transparently linked to the real sensors and actuators dealing with a real mission. It can also be linked with virtual sensors and virtual actuators, dealing with a virtual mission. The aim of DEVRE is to assist engineers during the software development and testing in the lab prior to real experiments

Implementation of zonal control algorithms in adaptive optical systems with sparse control matrices

Miralls deformables més i més grans, amb cada cop més actuadors estan sent utilitzats actualment en aplicacions d'òptica adaptativa. El control dels miralls amb centenars d'actuadors és un tema de gran interès, ja que les tècniques de control clàssiques basades en la seudoinversa de la matriu de control del sistema es tornen massa lentes quan es tracta de matrius de dimensions tan grans. En aquesta tesi doctoral es proposa un mètode per l'acceleració i la paral.lelitzacó dels algoritmes de control d'aquests miralls, a través de l'aplicació d'una tècnica de control basada en la reducció a zero del components més petits de la matriu de control (sparsification), seguida de l'optimització de l'ordenació dels accionadors de comandament atenent d'acord a la forma de la matriu, i finalment de la seva posterior divisió en petits blocs tridiagonals. Aquests blocs són molt més petits i més fàcils de fer servir en els càlculs, el que permet velocitats de càlcul molt superiors per l'eliminació dels components nuls en la matriu de control. A més, aquest enfocament permet la paral.lelització del càlcul, donant una com0onent de velocitat addicional al sistema. Fins i tot sense paral. lelització, s'ha obtingut un augment de gairebé un 40% de la velocitat de convergència dels miralls amb només 37 actuadors, mitjançant la tècnica proposada. Per validar això, s'ha implementat un muntatge experimental nou complet , que inclou un modulador de fase programable per a la generació de turbulència mitjançant pantalles de fase, i s'ha desenvolupat un model complert del bucle de control per investigar el rendiment de l'algorisme proposat. Els resultats, tant en la simulació com experimentalment, mostren l'equivalència total en els valors de desviació després de la compensació dels diferents tipus d'aberracions per als diferents algoritmes utilitzats, encara que el mètode proposat aquí permet una càrrega computacional molt menor. El procediment s'espera que sigui molt exitós quan s'aplica a miralls molt grans.

Control de la derivació de l'aigua de reg de Masjoan

RESUM Masjoan és una masia del segle XII on resideix la família Masferrer des del 1710. Actualment a Masjoan l’activitat principal és el cultiu i venta de plantes ornamentals, i l’explotació forestal per obtenir fusta. Pel que fa a l’aigua, tant per a la realització de l’activitat professional com per al subministrament de la casa, aquesta prové de mines d’aigua natural situades en la finca. L’objectiu d’aquest TFC ha estat dissenyar un sistema autònom per automatitzar el procés de derivació de l’aigua procedent d’una mina, i d’aquesta manera aprofitar millor els recursos naturals dels que és disposa. El desenvolupament d’aquest sistema, comprèn la selecció i configuració de sensors i actuadors, el disseny del circuit amb la realització de la placa, el disseny del sistema d’alimentació autònom, el software que controla el sistema, i dimensionar la resta d’elements de la instal•lació. Tot el sistema està controlat per un microcontrolador PIC16F876 i alimentat per un mòdul solar de 4W. En el disseny s’ha procurat, sobredimencionar les diferents etapes per possibles ampliacions o modificacions del sistema i que el circuit procures optimitzar el consum d’energia. Com a conclusions cal dir que s’han assolit els objectius proposats amb èxit. S’ha aconseguit un disseny funcional i estable que actualment es troba en funcionament.

Control de 6 respiròmetres i anàlisi de les dades

L’aplicació de tècniques respiromètriques és de recent innovació dins l’estudi dels tractaments d’aigües residuals. Aquest conjunt de tècniques ens permeten analitzar dos processos importants dins una planta de tractament biològic: el creixement de la biomassa i el consum del substrat. Això fa que siguin una eina amb gran potencial en l’avaluació dels sistemes de tractament biològic d’aigües residuals. L’objectiu principal d’aquest treball es la realització d’una aplicació capaç de controlar el funcionament de 6 respiròmetres, gestionant el procés del mostreig de les respirometries i l’anàlisi de les dades obtingudes, per obtenir el substrat ràpidament biodegradable (Ss) per a mostres d’aigua residual, i la taxa màxima de creixement específic per a mostres de compost. L’aplicació s’ha desenvolupat sobre l’entorn Microsoft Access, on s’integren la base de dades amb les mostres i els resultats de les respirometries, i els formularis de control que ens permeten gestionar i controlar els processos de mostreig i anàlisi. L’aplicació es comunica amb els sensors i actuadors dels respiròmetres a través del control ActiveX, ADS-OCX, subministrat per TwinCAT, que ens permet capturar les lectures dels sensors i controlar el funcionament dels actuadors. Aquests elements estan connectats a mòduls descentralitzats d’entrades i sortides, comunicats mitjançant el bus Ethernet amb el PC-Industrial, on s’executa l’aplicació. Un cop finalitzada l’aplicació, aquesta controla correctament el mostreig de les respirometries, registrant les lectures de les sondes a la base de dades i controlant l’activació de les vàlvules del respiròmetre. Partint de les mostres obtingudes, o de respirometries externes, importades des de Microsoft Excel, s’ha comprovat el correcte funcionament en el càlcul del substrat ràpidament biodegradable (Ss) i la taxa màxima de creixement específic. Amb l’aplicació desenvolupada, s’ha comprovat el funcionament i les possibilitats que ens ofereix TwinCAT alhora de controlar mòduls d’entrades i sortides, així com la seva comunicació amb aplicacions com Microsoft Access. Això pot afavorir a la utilització d’aquest tipus de tecnologia, per aplicacions futures.

Control d'il·luminació i ventilació d'un pàrquing

El treball presentat ve motivat per la necessitat d’instal•lació d’un pàrquing públic i privat de nova construcció a nivell d’il•luminació i ventilació. Per poder satisfer les necessitats del nostre client d’estalvi energètic i confort en l’edifici es decideix d’implementar una instal•lació immòtica que és l’aplicació de tècniques de gestió i control automatitzat a un edifici terciari amb bus de comunicació KNX/EIB. Per a la il•luminació s’han utilitzat fluorescents amb balasts DALI, que permeten la seva regulació i control, per així poder adequar en tot moment l’encesa i intensitat de llum d’aquests. En quant a la ventilació s’han utilitzat variadors de freqüència per també poder optimitzar el funcionament dels ventiladors podent posar-los en marxa quan realment sigui necessari i a la potència que calgui. Per enllaçar tots els elements de la instal•lació, detectors i actuadors, sorgeig la necessitat d’implementar xarxes de comunicació com el KNX/EIB, DALI, Modbus i Ethernet. Per gestionar variables, comunicacions i controlar elements, s´hi han implementen dos autòmats programables a més d’un PC integrat per la visualització i el control del pàrquing. S’ha aconseguit de realitzar un pàrquing totalment automàtic on no és necessaria l’actuació dels operaris i amb les principals càrregues elèctriques totalment regulables en potència. S’ha comprovat que la instal•lació funciona per sota de la potència nominal de les càrregues amb l’estalvi energètic que això suposa.

The making of frozen-hydrated, vitreous lamellas from cells for cryo-electron microscopy.

There has been a long standing desire to produce thick (up to 500 nm) cryo-sections of fully hydrated cells and tissue for high-resolution analysis in their natural state by cryo-transmission electron microscopy. Here, we present a method that can successfully produce sections (lamellas in FIB-SEM terminology) of fully hydrated, unstained cells from high-pressure frozen samples by focused ion beam (FIB) milling. The samples are therefore placed in thin copper tubes and vitrified by high-pressure freezing. For transfer, handling and subsequent milling, the tubes are placed in a novel connective device (ferrule) that protects the sample from devitrification and contamination and passes through all operation steps. A piezo driven sample positioning stage (cryo-nano-bench, CNB) with three degrees of freedom was additionally developed to enable accurate milling of frozen-hydrated lamellas. With the CNB, high-pressure frozen samples can be milled to produce either thin lamellas (<100 nm), for direct imaging by high-resolution cryo-TEM or thicker lamellas (300-500 nm) for cryo-electron tomography. The sample remains vitreous throughout the process by using the presented tools and methods. The results are an important step towards investigating larger cells and even tissue in there natural state which in the end will enable us to gain better insights into cellular processes.

Automated Traffic/Truck Weight Monitoring Equipment (Weigh-in-Motion), HR-282, 1988

This report documents work undertaken in the demonstration of a low-cost Automatic Weight and Classification System (AWACS). An AWACS procurement specification and details of the results of the project are also included. The intent of the project is to support and encourage transferring research knowledge to state and local agencies and manufacturers through field demonstrations. Presently available, Weigh-in-Motion and Classification Systems are typically too expensive to permit the wide deployment necessary to obtain representative vehicle data. Piezo electric technology has been used in the United Kingdom and Europe and is believed to be the basic element in a low-cost AWACS. Low-cost systems have been installed at two sites, one in Portland Cement Concrete (PCC) pavement in Iowa and the other in Asphaltic Cement Concrete (ACC) pavement in Minnesota to provide experience with both types of pavement. The systems provide axle weights, gross vehicle weight, axle spacing, vehicle classification, vehicle speed, vehicle count, and time of arrival. In addition, system self-calibration and a method to predict contact tire pressure is included in the system design. The study has shown that in the PCC pavement, the AWACS is capable of meeting the needs of state and federal highway agencies, producing accuracies comparable to many current commercial WIM devices. This is being achieved at a procurement cost of substantially less than currently available equipment. In the ACC pavement the accuracies were less than those observed in the PCC pavement which is concluded to result from a low pavement rigidity at this site. Further work is needed to assess the AWACS performance at a range of sites in ACC pavements.

Evaluation of a piezoelectric system as an alternative to electroencephalogram/ electromyogram recordings in mouse sleep studies.

STUDY OBJECTIVES: Traditionally, sleep studies in mammals are performed using electroencephalogram/electromyogram (EEG/EMG) recordings to determine sleep-wake state. In laboratory animals, this requires surgery and recovery time and causes discomfort to the animal. In this study, we evaluated the performance of an alternative, noninvasive approach utilizing piezoelectric films to determine sleep and wakefulness in mice by simultaneous EEG/EMG recordings. The piezoelectric films detect the animal's movements with high sensitivity and the regularity of the piezo output signal, related to the regular breathing movements characteristic of sleep, serves to automatically determine sleep. Although the system is commercially available (Signal Solutions LLC, Lexington, KY), this is the first statistical validation of various aspects of sleep. DESIGN: EEG/EMG and piezo signals were recorded simultaneously during 48 h. SETTING: Mouse sleep laboratory. PARTICIPANTS: Nine male and nine female CFW outbred mice. INTERVENTIONS: EEG/EMG surgery. MEASUREMENTS AND RESULTS: The results showed a high correspondence between EEG/EMG-determined and piezo-determined total sleep time and the distribution of sleep over a 48-h baseline recording with 18 mice. Moreover, the piezo system was capable of assessing sleep quality (i.e., sleep consolidation) and interesting observations at transitions to and from rapid eye movement sleep were made that could be exploited in the future to also distinguish the two sleep states. CONCLUSIONS: The piezo system proved to be a reliable alternative to electroencephalogram/electromyogram recording in the mouse and will be useful for first-pass, large-scale sleep screens for genetic or pharmacological studies. CITATION: Mang GM, Nicod J, Emmenegger Y, Donohue KD, O'Hara BF, Franken P. Evaluation of a piezoelectric system as an alternative to electroencephalogram/electromyogram recordings in mouse sleep studies.

Touching the void: exploring virtual objects through a vibrotactile glove

This paper describes a simple low-cost approach toadding an element of haptic interaction within a virtualenvironment. Using off-the-shelf hardware and software wedescribe a simple setup that can be used to explore physically virtual objects in space. This setup comprises of a prototype glove with a number of vibrating actuators to provide the haptic feedback, a Kinect camera for the tracking of the user's hand and a virtual reality development environment. As proof of concept and to test the efficiency of the system as well as its potential applications, we developed a simple application where we created 4 different shapes within a virtual environment in order to try toexplore them and guess their shape through touch alone.