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.

Aggregate Programming in Scala: a Core Library and Actor-Based Platform for Distributed Computational Fields

La programmazione aggregata è un paradigma che supporta la programmazione di sistemi di dispositivi, adattativi ed eventualmente a larga scala, nel loro insieme -- come aggregati. L'approccio prevalente in questo contesto è basato sul field calculus, un calcolo formale che consente di definire programmi aggregati attraverso la composizione funzionale di campi computazionali, creando i presupposti per la specifica di pattern di auto-organizzazione robusti. La programmazione aggregata è attualmente supportata, in modo più o meno parziale e principalmente per la simulazione, da DSL dedicati (cf., Protelis), ma non esistono framework per linguaggi mainstream finalizzati allo sviluppo di applicazioni. Eppure, un simile supporto sarebbe auspicabile per ridurre tempi e sforzi d'adozione e per semplificare l'accesso al paradigma nella costruzione di sistemi reali, nonché per favorire la ricerca stessa nel campo. Il presente lavoro consiste nello sviluppo, a partire da un prototipo della semantica operazionale del field calculus, di un framework per la programmazione aggregata in Scala. La scelta di Scala come linguaggio host nasce da motivi tecnici e pratici. Scala è un linguaggio moderno, interoperabile con Java, che ben integra i paradigmi ad oggetti e funzionale, ha un sistema di tipi espressivo, e fornisce funzionalità avanzate per lo sviluppo di librerie e DSL. Inoltre, la possibilità di appoggiarsi, su Scala, ad un framework ad attori solido come Akka, costituisce un altro fattore trainante, data la necessità di colmare l'abstraction gap inerente allo sviluppo di un middleware distribuito. Nell'elaborato di tesi si presenta un framework che raggiunge il triplice obiettivo: la costruzione di una libreria Scala che realizza la semantica del field calculus in modo corretto e completo, la realizzazione di una piattaforma distribuita Akka-based su cui sviluppare applicazioni, e l'esposizione di un'API generale e flessibile in grado di supportare diversi scenari.

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.

Computational biomechanics to simulate the femoropopliteal intersection during knee flexion: a preliminary study

To assess if finite element (FE) models can be used to predict deformation of the femoropopliteal segment during knee flexion.

Quality of resuscitation: flight attendants in an airplane simulator use a new mechanical resuscitation device--a randomized simulation study

Cardiopulmonary resuscitation (CPR) during flight is challenging and has to be sustained for long periods. In this setting a mechanical-resuscitation-device (MRD) might improve performance. In this study we compared the quality of resuscitation of trained flight attendants practicing either standard basic life support (BLS) or using a MRD in a cabin-simulator.

Computational Design and Experimental Discovery of an Anti-estrogenic Peptide Derived from Alpha-Fetoprotein

Breast cancer is the most common cancer among women, and tamoxifen is the preferred drug for estrogen receptor-positive breast cancer treatment. Many of these cancers are intrinsically resistant to tamoxifen or acquire resistance during treatment. Consequently, there is an ongoing need for breast cancer drugs that have different molecular targets. Previous work has shown that 8-mer and cyclic 9-mer peptides inhibit breast cancer in mouse and rat models, interacting with an unsolved receptor, while peptides smaller than eight amino acids did not. We show that the use of replica exchange molecular dynamics predicts the structure and dynamics of active peptides, leading to the discovery of smaller peptides with full biological activity. Simulations identified smaller peptide analogues with the same conserved reverse turn demonstrated in the larger peptides. These analogues were synthesized and shown to inhibit estrogen-dependent cell growth in a mouse uterine growth assay, a test showing reliable correlation with human breast cancer inhibition.

Computational approaches for the design of peptides with anti-breast cancer properties

Background: Breast cancer is the most common cancer among women. Tamoxifen is the preferred drug for estrogen receptor-positive breast cancer treatment, yet many of these cancers are intrinsically resistant to tamoxifen or acquire resistance during treatment. Therefore, scientists are searching for breast cancer drugs that have different molecular targets. Methodology: Recently, a computational approach was used to successfully design peptides that are new lead compounds against breast cancer. We used replica exchange molecular dynamics to predict the structure and dynamics of active peptides, leading to the discovery of smaller bioactive peptides. Conclusions: These analogs inhibit estrogen-dependent cell growth in a mouse uterine growth assay, a test showing reliable correlation with human breast cancer inhibition. We outline the computational methods that were tried and used along with the experimental information that led to the successful completion of this research.

Computational Study of the Hydration of Sulfuric Acid Dimers: Implications for Acid Dissociation and Aerosol Formation

We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid dimer hydration using ab initio quantum mechanical methods. For (H2SO4)2(H2O)n where n = 0−6, we employed high-level ab initio calculations to locate the most stable minima for each cluster size. The results presented herein yield a detailed understanding of the first deprotonation of sulfuric acid as a function of temperature for a system consisting of two sulfuric acid molecules and up to six waters. At 0 K, a cluster of two sulfuric acid molecules and one water remains undissociated. Addition of a second water begins the deprotonation of the first sulfuric acid leading to the di-ionic species (the bisulfate anion HSO4−, the hydronium cation H3O+, an undissociated sulfuric acid molecule, and a water). Upon the addition of a third water molecule, the second sulfuric acid molecule begins to dissociate. For the (H2SO4)2(H2O)3 cluster, the di-ionic cluster is a few kcal mol−1 more stable than the neutral cluster, which is just slightly more stable than the tetra-ionic cluster (two bisulfate anions, two hydronium cations, and one water). With four water molecules, the tetra-ionic cluster, (HSO4−)2(H3O+)2(H2O)2, becomes as favorable as the di-ionic cluster H2SO4(HSO4−)(H3O+)(H2O)3 at 0 K. Increasing the temperature favors the undissociated clusters, and at room temperature we predict that the di-ionic species is slightly more favorable than the neutral cluster once three waters have been added to the cluster. The tetra-ionic species competes with the di-ionic species once five waters have been added to the cluster. The thermodynamics of stepwise hydration of sulfuric acid dimer is similar to that of the monomer; it is favorable up to n = 4−5 at 298 K. A much more thermodynamically favorable pathway forming sulfuric acid dimer hydrates is through the combination of sulfuric acid monomer hydrates, but the low concentration of sulfuric acid relative to water vapor at ambient conditions limits that process.

Concurrent and predictive validation of a novel robotic surgery simulator: a prospective, randomized study

We evaluated the concurrent and predictive validity of a novel robotic surgery simulator in a prospective, randomized study.

Face, content and construct validity of a novel robotic surgery simulator

We evaluated the face, content and construct validity of the novel da Vinci® Skills Simulator™ using the da Vinci Si™ Surgeon Console as the surgeon interface.