Progettazione e implementazione di una incarnazione biochimica per il simulatore Alchemist

Scopo di questo elaborato di tesi è la modellazione e l’implementazione di una estensione del simulatore Alchemist, denominata Biochemistry, che permetta di simulare un ambiente multi-cellulare. Al fine di simulare il maggior numero possibile di processi biologici, il simulatore dovrà consentire di modellare l’eterogeneità cellulare attraverso la modellazione di diversi aspetti dei sistemi cellulari, quali: reazioni intracellulari, segnalazione tra cellule adiacenti, giunzioni cellulari e movimento. Dovrà, inoltre, essere ammissibile anche l’esecuzione di azioni impossibili nel mondo reale, come la distruzione o la creazione dal nulla di molecole chimiche. In maniera più specifica si sono modellati ed implementati i seguenti processi biochimici: creazione e distruzione di molecole chimiche, reazioni biochimiche intracellulari, scambio di molecole tra cellule adiacenti, creazione e distruzione di giunzioni cellulari. È stata dunque posta particolare enfasi nella modellazione delle reazioni tra cellule vicine, il cui meccanismo è simile a quello usato nella segnalazione cellulare. Ogni parte del sistema è stata modellata seguendo fenomeni realmente presenti nei sistemi multi-cellulari, e documentati in letteratura. Per la specifica delle reazioni chimiche, date in ingresso alla simulazione, è stata necessaria l’implementazione di un Domain Specific Language (DSL) che consente la scrittura di reazioni in modo simile al linguaggio naturale, consentendo l’uso del simulatore anche a persone senza particolari conoscenze di biologia. La correttezza del progetto è stata validata tramite test compiuti con dati presenti in letteratura e inerenti a processi biologici noti e ampiamente studiati.

Prototipo di un tracciatore per particelle cariche con risoluzione millimetrica

Questa tesi si inserisce nell’ambito del progetto WA104-NESSiE al CERN per il quale era richiesto lo sviluppo di un tracciatore di particelle cariche da utilizzare in presenza di campi magnetici e avente una risoluzione sulla posizione ricostruita di 1-2 mm. Il lavoro di tesi ha riguardato l'analisi dei dati raccolti con un prototipo del tracciatore composto da barre di scintillatori a sezione triangolare, accoppiati a SiPM i cui segnali sono acquisiti in modalità analogica. Il prototipo è stato esposto a particelle cariche presso la linea di fascio T9 del PS del CERN nel maggio 2016. La catena di analisi è stata validata con dati provenienti da una simulazione Monte Carlo basata su Geant4 che fornisce la risposta del tracciatore al passaggio di particelle cariche (pioni e muoni) a diversi impulsi (1-10 GeV/c). Successivamente, è stata fatta un'analisi preliminare dei dati reali e un confronto con la simulazione Monte Carlo. La risoluzione ottenuta per pioni di 5 GeV è di ∼ 2 mm, compatibile con il valore ottenuto dalla simulazione Monte Carlo di ∼ 1.5 mm. Questi risultati sono stati ricavati analizzando una frazione degli eventi acquisiti durante il test beam. Una misura più accurata della risoluzione del tracciatore può essere ottenuta introducendo alcune correzioni, come ad esempio l’allineamento dei piani, la ricalibrazione dei segnali dei singoli canali e, infine, analizzando l’intero campione.

Modello matematico per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna

In questo lavoro di tesi si è realizzato un modello matematico con l’intento di fornire uno strumento per lo studio della risposta cardiovascolare alla contropulsazione esterna. L’ EECP (Enhanced External Counterpulsation) è un metodo non invasivo di assistenza cardiaca basato sull’applicazione di pressioni sincronizzate col ritmo cardiaco su determinate superfici corporee. I benefici della terapia su pazienti con sofferenze cardiache sono confermati dalle tabelle cliniche; rimane tuttavia non chiaro il legame diretto tra questi e la EECP. La base del lavoro è un modello della circolazione sanguigna adattato allo studio della situazione in esame e riprodotto mediante il software di calcolo Matlab. Il modello proposto e la relativa simulazione numerica permettono la visualizzazione istantanea delle modifiche che l’azione di contropulsazione apporta al flusso e alla pressione sanguigna, al fine di offrire un aiuto nella ricerca di un legame diretto tra la EECP e i benefici che questa terapia ha sul paziente.

Learning and accepting quantum physics. Re-analysis of a teaching proposal

Nella tesi è analizzata nel dettaglio una proposta didattica sulla Fisica Quantistica elaborata dal gruppo di ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Bologna, in collaborazione con il gruppo di ricerca in Fisica Teorica e con ricercatori del CNR di Bologna. La proposta è stata sperimentata in diverse classi V di Liceo scientifico e dalle sperimentazioni sono emersi casi significativi di studenti che non sono riusciti ad accettare la teoria quantistica come descrizione convincente ad affidabile della realtà fisica (casi di non accettazione), nonostante sembrassero aver capito la maggior parte degli argomenti e essersi ‘appropriati’ del percorso per come gli era stato proposto. Da questa evidenza sono state formulate due domande di ricerca: (1) qual è la natura di questa non accettazione? Rispecchia una presa di posizione epistemologica o è espressione di una mancanza di comprensione profonda? (2) Nel secondo caso, è possibile individuare precisi meccanismi cognitivi che possono ostacolare o facilitare l’accettazione della fisica quantistica? L’analisi di interviste individuali degli studenti ha permesso di mettere in luce tre principali esigenze cognitive (cognitive needs) che sembrano essere coinvolte nell’accettazione e nell’apprendimento della fisica quantistica: le esigenze di visualizzabilità, comparabilità e di ‘realtà’. I ‘cognitive needs’ sono stati quindi utilizzati come strumenti di analisi delle diverse proposte didattiche in letteratura e del percorso di Bologna, al fine di metterne in luce le criticità. Sono state infine avanzate alcune proposte per un suo miglioramento.

Analisi di profili di moto permanente lungo l'asta del Fiume Secchia (località Veggia)

Il presente lavoro di tesi analizza un tratto del fiume Secchia, prossimo alla località di Veggia (Sassuolo), al fine di determinare la variazione del livello idrometrico in funzione di diverse portate associate a tempi di ritorno a breve e lungo termine. Vengono dapprima introdotti il concetto di rischio idraulico ed i relativi riferimenti normativi che lo disciplinano, unitamente ai piani di gestione e ai possibili interventi di protezione fluviale. Si introduce successivamente il codice di calcolo HEC-RAS, che viene impiegato nel presente studio per simulare l’andamento dei profili di moto permanente, nel caso in cui il fiume sia o meno interessato dalla presenza di un ponte. In entrambi i casi vengono poi discusse le variazioni dei livelli idrometrici per portate con tempi di ritorno di 20, 100 e 200 anni: si osserva che l’asta fluviale è a rischio nella zona a valle dello studio, mentre nella zona dove è ubicato il ponte l’aumentare dei livelli idrometrici non mette in crisi la struttura. A seguire vengono presentate le opere di mitigazione, destinate alla protezione dell’alveo e dell’ambiente circostante. Poi, si mostrano le opere di mitigazione, essi funzionano di diminuire i rischi dalla diversa classificazione di opere.

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.

Le tecniche di Risk Management per i progetti di costruzione: il caso studio della riqualificazione e recupero funzionale dell'ex-Manifattura Tabacchi per la realizzazione del Tecnopolo di Bologna

La disciplina del Risk Management assume recentemente un significato ed un peso crescenti nel panorama delle organizzazioni pubbliche e private. Nel campo delle costruzioni pubbliche, in particolare, l’attuazione di processi strutturati di Gestione del Rischio potrebbe portare ad un efficientamento significativo del processo di costruzione e gestione. Obiettivo di questa tesi è verificare in che modo i risultati di un’applicazione strutturata di un processo di Gestione del Rischio possono essere impiegati dal gruppo di management per perseguire scelte più consapevoli, precise e circostanziate rispetto ai metodi tradizionali di gestione del processo. L’analisi parte da uno studio comparativo dei metodi e delle norme tecniche di Risk Management proposte in ambito internazionale. I risultati ottenuti vengono poi applicati al caso studio relativo al progetto di insediamento del Tecnopolo di Bologna presso l’area nota come Ex-Manifattura Tabacchi. L’applicazione delle tecniche al caso di studio è strutturata come una esecuzione completa del processo di Valutazione del Rischio. La fase di Identificazione viene svolta tramite un’analisi della letteratura, la sottoposizione al giudizio degli esperti, e si conclude con una categorizzazione dei rischi mediante Risk Breakdown Structure. La fase di Quantificazione del Rischio è attuata tramite una prima fase di analisi qualitativa con la somministrazione di un questionario on-line ad una platea di soggetti competenti; seguita da un’analisi quantitativa svolta con il software “RiskyProject®” per realizzare una analisi di Montecarlo ed analisi di sensitività. Al termine vengono esaminate alcune possibili misure di trattamento specifiche per un rischio definito prioritario. I risultati proposti mostrano come sia possibile ottenere in fase preliminare una descrizione consapevole delle incertezze del progetto, e che tale consapevolezza può essere utilizzata con lo scopo di migliorare la qualità e l’efficacia dell’intero processo.

Renormalization group flows between non-unitary conformal models

Recentemente sono stati valutati come fisicamente consistenti diversi modelli non-hermitiani sia in meccanica quantistica che in teoria dei campi. La classe dei modelli pseudo-hermitiani, infatti, si adatta ad essere usata per la descrizione di sistemi fisici dal momento che, attraverso un opportuno operatore metrico, risulta possibile ristabilire una struttura hermitiana ed unitaria. I sistemi PT-simmetrici, poi, sono una categoria particolarmente studiata in letteratura. Gli esempi riportati sembrano suggerire che anche le cosiddette teorie conformi non-unitarie appartengano alla categoria dei modelli PT-simmetrici, e possano pertanto adattarsi alla descrizione di fenomeni fisici. In particolare, si tenta qui la costruzione di determinate lagrangiane Ginzburg-Landau per alcuni modelli minimali non-unitari, sulla base delle identificazioni esistenti per quanto riguarda i modelli minimali unitari. Infine, si suggerisce di estendere il dominio del noto teorema c alla classe delle teorie di campo PT-simmetriche, e si propongono alcune linee per una possibile dimostrazione dell'ipotizzato teorema c_{eff}.

Progetto e sviluppo di un automa per la gestione ed il controllo di sistemi a pilotaggio remoto

L’attenzione di questa tesi si pone sulla progettazione e lo sviluppo di un automa per il controllo di sistemi a pilotaggio remoto. Punto di partenza dell'intero progetto è stata l'analisi del quadrirotore programmato ed utilizzato dai ricercatori del progetto SHERPA. Le funzionalità evidenziate dall'analisi sono state poi elaborate secondo l'approccio con Attuatore Generalizzato ed implementate in Codesys. Questo software si compone di una parte di controllo, una di simulazione ed una o più interfacce grafiche dedicate all'interazione con l'utente. L'utilizzo di Codesys ha permesso di implementare un automa modulare e riusabile, base di partenza per i futuri progetti di automi aerei. L'automa realizzato consente infine di simulare il comportamento di un generico sistema a pilotaggio remoto e di osservarne la sequenza logica con cui le azioni vengono eseguite.

Sviluppo di un'applicazione per lo scheduling di processi periodici con vincoli temporali

In questo elaborato ,sono descritte le fasi di realizzazione del software di simulazione di scheduling di processi periodici per sistemi operativi real-time, realizzato per questa tesi.

Sottosistema RADAR per Cubesat per la rilevazione di detriti spaziali

Simulazione di funzionamento di un sottosistema RADAR per Cubesat, destinato all'individuazione ed al tracciamento di detriti spaziali di piccole dimensioni.

Studio sulla bontà dell'approssimazione perturbativa per l'oscillatore anarmonico

Nell'ambito della meccanica quantistica è stato sviluppato uno strumento di calcolo al fine di studiare sistemi per i quali è troppo difficile risolvere il problema di Schrödinger. Esso si basa sull'idea di considerare un sistema semplice, totalmente risolvibile, e perturbarlo fino ad ottenere un'Hamiltoniana simile a quella che si vuole studiare. In questo modo le soluzioni del sistema più complicato sono le soluzioni note del problema semplice corrette da sviluppi in serie della perturbazione. Nonostante il grande successo della Teoria perturbativa, essendo una tecnica di approssimazione, presenta delle limitazioni e non può essere usata in ogni circostanza. In questo lavoro di tesi è stata valutata l'efficacia della Teoria perturbativa ricercando la compatibilità tra le soluzioni trovate col metodo analitico e quelle esatte ottenute numericamente. A tale scopo è stato usato il sistema fisico dell'oscillatore anarmonico, ovvero un oscillatore armonico standard sottoposto ad una perturbazione quartica. Per l'analisi numerica invece è stato utilizzato il programma Wolfram Mathematica. La trattazione seguita ha dimostrato che la Teoria perturbativa funziona molto bene in condizioni di bassa energia e di piccole perturbazioni. Nel momento in cui il livello energetico aumenta e l'intensità della perturbazione diventa significativa, i risultati analitici cominciano a divergere da quelli ottenuti numericamente.

Il teletrasporto quantistico: principi quantomeccanici ed esperimenti

Questo lavoro di tesi si pone l’obiettivo di illustrare i principi fisici che stanno alla base del teletrasporto quantistico, una tecnica importante utilizzata nelle tecnologie del l’informatica quantistica. In particolare, verranno introdotti i principali concetti della computazione quantistica, come il qubit e le porte logiche quantistiche, intese come trasformazioni unitarie che operano su qubit, e verrà illustrato il protocollo di teletrasporto dello stato quantico di un qubit da un punto ad un altro dello spazio. In seguito verrà descritto il fenomeno quantistico del l’entanglement e si porrà l’accento su come tale fenomeno possa essere sfruttato nel protocollo di teletrasporto quantistico. Segue, infine, una descrizione delle principali tecniche utilizzate negli esperimenti di verifica dell’entanglement e di teletrasporto quantistico condotti fino ai giorni nostri, con enfasi ai possibili sviluppi futuri.

Analisi dinamica inversa di un manipolatore a 3 cavi sottovincolato

I robot ad architettura parallela sono meccanismi robotici a catena chiusa. Se al posto di membri rigidi estensibili, come collegamenti tra base e piattaforma, si utilizzano dei cavi avvolgibili allora si parla di manipolatori paralleli a cavi. Nel primo capitolo si mettono a confronto robot seriali e paralleli, si descrivono le caratteristiche dei manipolatori paralleli a cavi e si presentano alcune attuali applicazioni. Nel secondo capitolo si forniscono richiami fondamentali di cinematica e dinamica del corpo rigido e si fanno alcuni cenni alla teoria dei torsori. Nel terzo capitolo si affronta il problema geometrico-statico inverso di un robot parallelo a tre cavi. Nel quarto capitolo si affronta il problema della dinamica inversa, che è sempre da risolvere nei casi in cui si abbiano forze inerziali rilevanti e si desideri raggiungere livelli di accuratezza elevati. Nel quinto capitolo si descrive il codice di simulazione Matlab-Adams. Nel sesto capitolo si descrive la componentistica meccanica ed elettronica del prototipo di laboratorio di manipolatore parallelo a tre cavi e si presentano i risultati ottenuti dalle simulazioni combinate Matlab-Adams nei casi di diverse traiettorie percorse a differenti velocità; infine, si mettono in evidenza le differenze tra l’approccio dinamico e quello statico quando le velocità dei motori e le inerzie della piattaforma mobile sono rilevanti.

Sovrastrutture non pavimentate rinforzate: verifica con metodi numerici.

Nella presente tesi si studia lo stato di deformazione di una strada non pavimentata, rinforzata con geotessile, indotto dal passaggio di carrelli semoventi SMPT. L’obiettivo è verificare che le deformazioni siano compatibili con i risultati provenienti dai metodi di calcolo analitici. Durante lo sviluppo ci si avvale di modelli 3-dimensionali del terreno creati ex-novo e di simulazioni alle differenze finite per quanto riguarda l’interazione tra carichi e sovrastruttura. Tale simulazione è stata condotta con il software FLAC3D. Si è simulato dapprima il comportamento della sovrastruttura non rinforzata sollecitata da: singolo asse e carrello a 4 assi. In secondo luogo, si è analizzato il modello del terreno rinforzato, nel quale si introduce una geogriglia a diverse profondità per valutare quella ottimale. Sono stati creati così tre modelli distinti nei quali il rinforzo è posizionato ad 1/3 dell’altezza di aggregato, a 2/3 ed all’interfaccia tra aggregato e primo strato del terreno naturale. Il risultato mostra che il posizionamento ottimale della geogriglia non è all’interfaccia come espresso dalle teorie in merito, ma a 2/3 dell’altezza dello strato di aggregato, dove viene permessa una maggiore deformazione ma un minor stato di sollecitazione del materiale di rinforzo. Infine si valuta in maniera marginale il caso del terreno rinforzato, dove l’altezza dello strato di aggregato viene calcolato con i metodi analitici di Giroud e Noiray (1980) e Giroud e Han (2004), dei quali viene in principio fornita una rigorosa esposizione teorica. In questi ultimi casi, i risultati non sono soddisfacenti. Infatti si è trovato che il raggiungimento del carico di rottura della geogriglia limita fortemente le deformazioni, rendendole così insufficienti per mobilitare le pressioni di contatto richieste. Concludendo si gettano le basi per futuri elaborati, consigliando alcune modifiche da apportare per perfezionare la modellistica dei casi rinforzati.