Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Design and implementation of the ESEO spacecraft simulator

The thesis work is developed under the European Student Earth Orbiter (ESEO) project supported by the European Space Agency (ESA) in order to help prepare a well-qualified space-engineering workforce for Europe's future. In the following chapters we are going to analyse how to simulate some ESEO subsystem. First of all, the Thermal Subsystem that evaluates the temperature evolution of on-board instruments. For this purpose, simulating also the orbital and attitude dynamics of the spacecraft, it is necessary in order to evaluate external environmental fluxes. The Power Subsystem will be the following step and it models the ability of a spacecraft to produce and store electrical energy. Finally, we will integrate in our software a block capable of simulating the communication link between the satellite and the Ground Station (GS). This last step is designed and validated during the thesis preparation.

RFID tag localization with virtual multi-antenna systems

In questa tesi si sono valutate le prestazioni di un sistema di localizzazione multi-antenna di tag radio frequency identification (RFID) passivi in ambiente indoor. Il sistema, composto da un reader in movimento che percorre una traiettoria nota, ha come obiettivo localizzare il tag attraverso misure di fase; più precisamente la differenza di fase tra il segnale di interrogazione, emesso dal reader, e il segnale ricevuto riflesso dal tag che è correlato alla distanza tra di essi. Dopo avere eseguito una ricerca sullo stato dell’arte di queste tecniche e aver derivato il criterio maximum likelihood (ML) del sistema si è proceduto a valutarne le prestazioni e come eventuali fattori agissero sul risultato di localizzazione attraverso simulazioni Matlab. Come ultimo passo si è proceduto a effettuare una campagna di misure, testando il sistema in un ambiente reale. Si sono confrontati i risultati di localizzazione di tutti gli algoritmi proposti quando il reader si muove su una traiettoria rettilinea e su una traiettoria angolare, cercando di capire come migliorare i risultati.

UWB radar sensor networks: Detection algorithms design and experimental analysis

In the last years radar sensor networks for localization and tracking in indoor environment have generated more and more interest, especially for anti-intrusion security systems. These networks often use Ultra Wide Band (UWB) technology, which consists in sending very short (few nanoseconds) impulse signals. This approach guarantees high resolution and accuracy and also other advantages such as low price, low power consumption and narrow-band interference (jamming) robustness. In this thesis the overall data processing (done in MATLAB environment) is discussed, starting from experimental measures from sensor devices, ending with the 2D visualization of targets movements over time and focusing mainly on detection and localization algorithms. Moreover, two different scenarios and both single and multiple target tracking are analyzed.

Design of an indirectly fired gas turbine integrated with an organic rankine cycle unit for combined heat and power production

In the last years, the European countries have paid increasing attention to renewable sources and greenhouse emissions. The Council of the European Union and the European Parliament have established ambitious targets for the next years. In this scenario, biomass plays a prominent role since its life cycle produces a zero net carbon dioxide emission. Additionally, biomass can ensure plant operation continuity thanks to its availability and storage ability. Several conventional systems running on biomass are available at the moment. Most of them are performant either in the large-scale or in the small power range. The absence of an efficient system on the small-middle scale inspired this thesis project. The object is an innovative plant based on a wet indirectly fired gas turbine (WIFGT) integrated with an organic Rankine cycle (ORC) unit for combined heat and power production. The WIFGT is a performant system in the small-middle power range; the ORC cycle is capable of giving value to low-temperature heat sources. Their integration is investigated in this thesis with the aim of carrying out a preliminary design of the components. The targeted plant output is around 200 kW in order not to need a wide cultivation area and to avoid biomass shipping. Existing in-house simulation tools are used: They are adapted to this purpose. Firstly the WIFGT + ORC model is built; Zero-dimensional models of heat exchangers, compressor, turbines, furnace, dryer and pump are used. Different fluids are selected but toluene and benzene turn out to be the most suitable. In the indirectly fired gas turbine a pressure ratio around 4 leads to the highest efficiency. From the thermodynamic analysis the system shows an electric efficiency of 38%, outdoing other conventional plants in the same power range. The combined plant is designed to recover thermal energy: Water is used as coolant in the condenser. It is heated from 60°C up to 90°C, ensuring the possibility of space heating. Mono-dimensional models are used to design the heat exchange equipment. Different types of heat exchangers are chosen depending on the working temperature. A finned-plate heat exchanger is selected for the WIFGT heat transfer equipment due to the high temperature, oxidizing and corrosive environment. A once-through boiler with finned tubes is chosen to vaporize the organic fluid in the ORC. A plate heat exchanger is chosen for the condenser and recuperator. A quasi-monodimensional model for single-stage axial turbine is implemented to design both the WIFGT and the ORC turbine. The system simulation after the components design shows an electric efficiency around 34% with a decrease by 10% compared to the zero-dimensional analysis. The work exhibits the system potentiality compared to the existing plants from both technical and economic point of view.

Analisi di mercato e design strategico di una macchina utensile ad altissima produttività

L’elaborato ha l’obiettivo di analizzare lo sviluppo di un nuovo prodotto destinato al mercato delle macchine utensili ad elevata produttività, dette macchine transfer. Verranno esaminate le varie fasi che consentono la definizione del nuovo prodotto e delle relative specifiche. La tesi è divisa in due parti principali: -Analisi di mercato e design strategico, la quale consiste nell’analisi dei concorrenti e del mercato al fine di comprendere quali funzioni deve avare la macchina per poter essere competitiva. -Progettazione e ingegnerizzazione di una macchina con le caratteristiche precedentemente individuate, con approfondimento sui gruppi più importanti della stessa.

Actor Kit: Design and Development of an Actor Framework for Swift

Nell'ambito dello sviluppo software, la concorrenza è sempre stata vista come la strada del futuro. Tuttavia, questa è stata spesso ignorata a causa del continuo sviluppo dell'hardware che ha permesso agli sviluppatori di continuare a scrivere software sequenziale senza doversi preoccupare delle performance. In un'era in cui le nuove architetture hardware presentano processori multi-core, tutto questo non è più possibile. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di considerare il Modello ad Attori come valida alternativa allo sviluppo di applicazioni in ambito mobile e quindi di progettare, sviluppare e distribuire un nuovo framework sulla base di tale modello. Il lavoro parte quindi da una panoramica di Swift, il nuovo linguaggio di programmazione presentato da Apple al WWDC 2014, in cui vengono analizzati nel dettaglio i meccanismi che abilitano alla concorrenza. Successivamente viene descritto il modello ad attori in termini di: attori, proprietà, comunicazione e sincronizzazione. Segue poi un'analisi delle principali implementazioni di questo modello, tra cui: Scala, Erlang ed Akka; quest'ultimo rappresenta la base su cui è stato ispirato il lavoro di progettazione e sviluppo del framework Actor Kit. Il quarto capitolo descrive tutti i concetti, le idee e i principi su cui il framework Actor Kit è stato progettato e sviluppato. Infine, l'ultimo capitolo presenta l'utilizzo del framework in due casi comuni della programmazione mobile: 1) Acquisizione dati da Web API e visualizzazione sull'interfaccia utente. 2) Acquisizione dati dai sensori del dispositivo. In conclusione Actor Kit abilita la progettazione e lo sviluppo di applicazioni secondo un approccio del tutto nuovo nell'ambito mobile. Un possibile sviluppo futuro potrebbe essere l'estensione del framework con attori che mappino i framework standard di Apple; proprio per questo sarà reso pubblico con la speranza che altri sviluppatori possano evolverlo e renderlo ancora più completo e performante.

Progettazione e realizzazione di un'applicazione Android per il Virtual Dressing Room

Il lavoro svolto per la tesi consiste nella realizzazione di un'applicazione Android che permetta all’utente di scattare o caricare dalla gallery una foto personale e prelevare da una ListView fotografie di abiti da provare mediante trascinamento di quest’ultimi sulla foto dell’utente. Le fasi di lavoro sono state principalmente quattro: - Ricerca sullo stato dell’arte della tecnologia legata al Virtual Dressing Room (storia, elenco e descrizione dei metodi utilizzati da piattaforme esistenti, esempi reali di queste metodologie) - Progettazione con individuazione degli obiettivi e featuring dell’applicazione - Implementazione dell'applicazione (creazione dei layout e codice java delle activity:inserimento taglie e scelta uomo/donna, scatto/caricamento foto, creazione del database e utilizzo mediante ListView, visualizzazione e gestione del carrello). Scrittura del volume di tesi (introduzione e descrizione della tecnologia, progettazione, implementazione con descrizione su Android SDK, Android Studio e implementazione con descrizione dei layout e classi).

Automatic Design of Boolean Networks for Modelling Differentiation Trees

Real living cell is a complex system governed by many process which are not yet fully understood: the process of cell differentiation is one of these. In this thesis work we make use of a cell differentiation model to develop gene regulatory networks (Boolean networks) with desired differentiation dynamics. To accomplish this task we have introduced techniques of automatic design and we have performed experiments using various differentiation trees. The results obtained have shown that the developed algorithms, except the Random algorithm, are able to generate Boolean networks with interesting differentiation dynamics. Moreover, we have presented some possible future applications and developments of the cell differentiation model in robotics and in medical research. Understanding the mechanisms involved in biological cells can gives us the possibility to explain some not yet understood dangerous disease, i.e the cancer. Le cellula è un sistema complesso governato da molti processi ancora non pienamente compresi: il differenziamento cellulare è uno di questi. In questa tesi utilizziamo un modello di differenziamento cellulare per sviluppare reti di regolazione genica (reti Booleane) con dinamiche di differenziamento desiderate. Per svolgere questo compito abbiamo introdotto tecniche di progettazione automatica e abbiamo eseguito esperimenti utilizzando vari alberi di differenziamento. I risultati ottenuti hanno mostrato che gli algoritmi sviluppati, eccetto l'algoritmo Random, sono in grado di poter generare reti Booleane con dinamiche di differenziamento interessanti. Inoltre, abbiamo presentato alcune possibili applicazioni e sviluppi futuri del modello di differenziamento in robotica e nella ricerca medica. Capire i meccanismi alla base del funzionamento cellulare può fornirci la possibilità di spiegare patologie ancora oggi non comprese, come il cancro.

Analysis of robot dynamics through complexity measures: an application in automatic design

L'applicazione di misure, derivanti dalla teoria dell'informazione, fornisce un valido strumento per quantificare alcune delle proprietà dei sistemi complessi. Le stesse misure possono essere utilizzate in robotica per favorire l'analisi e la sintesi di sistemi di controllo per robot. In questa tesi si è analizzata la correlazione tra alcune misure di complessità e la capacità dei robot di portare a termine, con successo, tre differenti task. I risultati ottenuti suggeriscono che tali misure di complessità rappresentano uno strumento promettente anche nel campo della robotica, ma che il loro utilizzo può diventare difficoltoso quando applicate a task compositi.

Studio di conglomerati bituminosi drenanti contenenti polverino di gomma da Pneumatici Fuori Uso (PFU)

Gli odierni sviluppi delle reti stradali nel territorio italiano e l’aumento della propensione all’utilizzo del veicolo hanno portato ad una continua ricerca nello stesso ambito volta sì a mantenere alti i livelli prestazionali e di sicurezza sulla rete stradale ma anche ad aprirsi ad uno scenario ecosostenibile, dato il continuo scarseggiare di materie prime per proseguire con le usuali tecniche di produzione. In tutti i campi riguardanti l’ambito delle costruzioni civili, che siano esse strutturali o infrastrutturali, numerose sono state le tecnologie introdotte per la realizzazione di materiali sostenibili ma anche e soprattutto il recupero di materiale di scarto, andando così incontro oltre che a una costruzione sostenibile anche ad un recupero di ciò che sarebbe destinato a discariche, ufficiali o abusive che siano. Nell’ottica dell’introduzione di “nuovi” materiali una posizione di rispetto interessa gli Pneumatici Fuori Uso (PFU) il cui recupero sotto forma di granulato e di polverino in gomma costituiscono, nell’ambito delle pavimentazioni stradali, una notevole opportunità di riutilizzo all’interno dei conglomerati bituminosi. Il presente lavoro sperimentale è stato svolto nell’ottica di analizzare dapprima le caratteristiche delle pavimentazioni drenanti, del polverino di gomma da PFU e dell’interazione tra i due, a supporto delle sperimentazioni effettuate sulle miscele realizzate in laboratorio. In particolare, sfruttando la tecnologia dry, che permette l’inserimento del polverino nella fase di miscelazione degli aggregati, dopo un’attenta analisi preliminare della composizione delle miscele da realizzare e il successivo confezionamento dei provini e loro addensamento, si è proceduto all’esecuzione di diverse prove al termine delle quali sono state analizzate le differenze meccaniche e reologiche tra miscele ottenute con aggiunta di polverino e miscele prive di PFU.

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.

Design di interfacce e usabilità del Web in ambiente mobile: la Programmazione della Cineteca di Bologna

Il presente progetto è stato svolto in collaborazione con la Cineteca di Bologna e verte sulla riprogettazione dell'odierna interfaccia Web, in funzione della sua visualizzazione mobile non considerata nella progettazione del 2008, in particolare nella sua parte che concerne la programmazione degli spettacoli in ambito cinematografico. Raccolti i suggerimenti degli utenti e approfondite le richieste della Cineteca, affrontando con i responsabili IT della Fondazione le criticità emerse, la ristrutturazione delle sezioni presenti e l'aggiunta di nuove funzionalità, si è impostato il lavoro come segue. In primis, si è eseguita una ricerca, avvalendosi di fonti autorevoli nella letteratura di settore, con un focus incentrato sull’Usabilità. Questa ha portato a presentare una panoramica di tale tematica, per concentrarsi poi sulle peculiarità dei dispositivi mobili, toccando vari aspetti: da un approfondimento dalle caratteristiche dell’uso fino una collocazione anche storica alla realtà mobile. Successivamente, si è proseguito analizzando nel dettaglio tutti i vari elementi da includere, sia dal punto di vista concettuale che posizionale, in riferimento a varie soluzioni proposte dalla letteratura di settore. Ciò preferendo i modelli principalmente utilizzati, dunque maggiormente familiari agli utenti, e i metodi normalizzati per la risoluzione di singole problematiche frequenti nella presentazione delle informazioni. Il risultato è un progetto di interfaccia più vicina all'esperienza quotidiana dell'utente, concretizzatosi con la realizzazione di un prototipo per mezzo di applicativi che simulano un device e mostrano anteprime grafiche dell'interfaccia medesima, nella fattispecie della natura e della collocazione dei singoli componenti sullo schermo. Il lavoro, pertanto, si pone l’obiettivo di rispondere a comuni e debite aspettative dell'utenza in fatto di comodità, efficienza e immediatezza di consultazione della Programmazione anche in mobilità.

Design and implementation of a 3D computer game controller using inertial MEMS sensors

Though 3D computer graphics has seen tremendous advancement in the past two decades, most available mechanisms for computer interaction in 3D are high cost and targeted for industry and virtual reality applications. Recent advances in Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) devices have brought forth a variety of new low-cost, low-power, miniature sensors with high accuracy, which are well suited for hand-held devices. In this work a novel design for a 3D computer game controller using inertial sensors is proposed, and a prototype device based on this design is implemented. The design incorporates MEMS accelerometers and gyroscopes from Analog Devices to measure the three components of the acceleration and angular velocity. From these sensor readings, the position and orientation of the hand-held compartment can be calculated using numerical methods. The implemented prototype is utilizes a USB 2.0 compliant interface for power and communication with the host system. A Microchip dsPIC microcontroller is used in the design. This microcontroller integrates the analog to digital converters, the program memory flash, as well as the core processor, on a single integrated circuit. A PC running Microsoft Windows operating system is used as the host machine. Prototype firmware for the microcontroller is developed and tested to establish the communication between the design and the host, and perform the data acquisition and initial filtering of the sensor data. A PC front-end application with a graphical interface is developed to communicate with the device, and allow real-time visualization of the acquired data.