Microfabrication and application of reservoir pins for liquid transfer in biotechnology

Microarraying involves laying down genetic elements onto a solid substrate for DNA analysis on a massively parallel scale. Microarrays are prepared using a pin-based robotic platform to transfer liquid samples from microtitre plates to an array pattern of dots of different liquids on the surface of glass slides where they dry to form spots diameter < 200 μm. This paper presents the design, materials selection, micromachining technology and performance of reservoir pins for microarraying. A conical pin is produced by (i) conventional machining of stainless steel or wet etching of tungsten wire, followed by (ii) micromachining with a focused laser to produce a microreservoir and a capillary channel structure leading from the tip. The pin has a flat end diameter < 100 μm from which a 500 μm long capillary channel < 15 μm wide leads up the pin to a reservoir. Scanning electron micrographs of the metal surface show roughness on the scale of 10 μm, but the pins nevertheless give consistent and reproducible spotting performance. The pin capacity is 80 nanolitres of fluid containing DNA, and at least 50 spots can be printed before replenishing the reservoir. A typical robot holds can hold up to 64 pins. This paper discusses the fabrication technology, the performance and spotting uniformity for reservoir pins, the possible limits to miniaturization of pins using this approach, and the future prospects for contact and non-contact arraying technology.

五轴框架式机器人激光加工系统轨迹算法研究

在集成化智能激光加工系统工作原理的基础上提出了五轴机器人的激光加工轨迹算法。将三维离散数据点集拟合为空间参数曲面，在此参数曲面上规划五轴激光加工的等距轨迹。给出了冲压模具激光强化加工实例，取得了理想的加工效果。

Designing High Performance Factory Automation Applications on Top of DDS

13 p.

Estimation and inference for grasping and manipulation tasks using vision and kinesthetic sensors

This thesis presents a novel framework for state estimation in the context of robotic grasping and manipulation. The overall estimation approach is based on fusing various visual cues for manipulator tracking, namely appearance and feature-based, shape-based, and silhouette-based visual cues. Similarly, a framework is developed to fuse the above visual cues, but also kinesthetic cues such as force-torque and tactile measurements, for in-hand object pose estimation. The cues are extracted from multiple sensor modalities and are fused in a variety of Kalman filters.

A hybrid estimator is developed to estimate both a continuous state (robot and object states) and discrete states, called contact modes, which specify how each finger contacts a particular object surface. A static multiple model estimator is used to compute and maintain this mode probability. The thesis also develops an estimation framework for estimating model parameters associated with object grasping. Dual and joint state-parameter estimation is explored for parameter estimation of a grasped object's mass and center of mass. Experimental results demonstrate simultaneous object localization and center of mass estimation.

Dual-arm estimation is developed for two arm robotic manipulation tasks. Two types of filters are explored; the first is an augmented filter that contains both arms in the state vector while the second runs two filters in parallel, one for each arm. These two frameworks and their performance is compared in a dual-arm task of removing a wheel from a hub.

This thesis also presents a new method for action selection involving touch. This next best touch method selects an available action for interacting with an object that will gain the most information. The algorithm employs information theory to compute an information gain metric that is based on a probabilistic belief suitable for the task. An estimation framework is used to maintain this belief over time. Kinesthetic measurements such as contact and tactile measurements are used to update the state belief after every interactive action. Simulation and experimental results are demonstrated using next best touch for object localization, specifically a door handle on a door. The next best touch theory is extended for model parameter determination. Since many objects within a particular object category share the same rough shape, principle component analysis may be used to parametrize the object mesh models. These parameters can be estimated using the action selection technique that selects the touching action which best both localizes and estimates these parameters. Simulation results are then presented involving localizing and determining a parameter of a screwdriver.

Lastly, the next best touch theory is further extended to model classes. Instead of estimating parameters, object class determination is incorporated into the information gain metric calculation. The best touching action is selected in order to best discern between the possible model classes. Simulation results are presented to validate the theory.

Complex behavior and perception in Drosophila emerges from iterative feedback-regulated reflexes

For a hungry fruit fly, locating and landing on a fermenting fruit where it can feed, find mates, and lay eggs, is an essential and difficult task requiring the integration of both olfactory and visual cues. Understanding how flies accomplish this will help provide a comprehensive ethological context for the expanding knowledge of their neural circuits involved in processing olfaction and vision, as well as inspire novel engineering solutions for control and estimation in computationally limited robotic applications. In this thesis, I use novel high throughput methods to develop a detailed overview of how flies track odor plumes, land, and regulate flight speed. Finally, I provide an example of how these insights can be applied to robotic applications to simplify complicated estimation problems. To localize an odor source, flies exhibit three iterative, reflex-driven behaviors. Upon encountering an attractive plume, flies increase their flight speed and turn upwind using visual cues. After losing the plume, flies begin zigzagging crosswind, again using visual cues to control their heading. After sensing an attractive odor, flies become more attracted to small visual features, which increases their chances of finding the plume source. Their changes in heading are largely controlled by open-loop maneuvers called saccades, which they direct towards and away from visual features. If a fly decides to land on an object, it begins to decelerate so as to maintain a stereotypical ratio of expansion to retinal size. Once they reach a stereotypical distance from the target, flies extend their legs in preparation for touchdown. Although it is unclear what cues they use to trigger this behavior, previous studies have indicated that it is likely under visual control. In Chapter 3, I use a nonlinear control theoretic analysis and robotic testbed to propose a novel and putative mechanism for how a fly might visually estimate distance by actively decelerating according to a visual control law. Throughout these behaviors, a common theme is the visual control of flight speed. Using genetic tools I show that the neuromodulator octopamine plays an important role in regulating flight speed, and propose a neural circuit for how this controller might be implemented in the flies brain. Two general biological and engineering principles are evident across my experiments: (1) complex behaviors, such as foraging, can emerge from the interactions of simple independent sensory-motor modules; (2) flies control their behavior in such a way that simplifies complex estimation problems.

Functional genomic studies of the structure and regulation of eukaryotic transcriptomes

The main focus of this thesis is the use of high-throughput sequencing technologies in functional genomics (in particular in the form of ChIP-seq, chromatin immunoprecipitation coupled with sequencing, and RNA-seq) and the study of the structure and regulation of transcriptomes. Some parts of it are of a more methodological nature while others describe the application of these functional genomic tools to address various biological problems. A significant part of the research presented here was conducted as part of the ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) Project.

The first part of the thesis focuses on the structure and diversity of the human transcriptome. Chapter 1 contains an analysis of the diversity of the human polyadenylated transcriptome based on RNA-seq data generated for the ENCODE Project. Chapter 2 presents a simulation-based examination of the performance of some of the most popular computational tools used to assemble and quantify transcriptomes. Chapter 3 includes a study of variation in gene expression, alternative splicing and allelic expression bias on the single-cell level and on a genome-wide scale in human lymphoblastoid cells; it also brings forward a number of critical to the practice of single-cell RNA-seq measurements methodological considerations.

The second part presents several studies applying functional genomic tools to the study of the regulatory biology of organellar genomes, primarily in mammals but also in plants. Chapter 5 contains an analysis of the occupancy of the human mitochondrial genome by TFAM, an important structural and regulatory protein in mitochondria, using ChIP-seq. In Chapter 6, the mitochondrial DNA occupancy of the TFB2M transcriptional regulator, the MTERF termination factor, and the mitochondrial RNA and DNA polymerases is characterized. Chapter 7 consists of an investigation into the curious phenomenon of the physical association of nuclear transcription factors with mitochondrial DNA, based on the diverse collections of transcription factor ChIP-seq datasets generated by the ENCODE, mouseENCODE and modENCODE consortia. In Chapter 8 this line of research is further extended to existing publicly available ChIP-seq datasets in plants and their mitochondrial and plastid genomes.

The third part is dedicated to the analytical and experimental practice of ChIP-seq. As part of the ENCODE Project, a set of metrics for assessing the quality of ChIP-seq experiments was developed, and the results of this activity are presented in Chapter 9. These metrics were later used to carry out a global analysis of ChIP-seq quality in the published literature (Chapter 10). In Chapter 11, the development and initial application of an automated robotic ChIP-seq (in which these metrics also played a major role) is presented.

The fourth part presents the results of some additional projects the author has been involved in, including the study of the role of the Piwi protein in the transcriptional regulation of transposon expression in Drosophila (Chapter 12), and the use of single-cell RNA-seq to characterize the heterogeneity of gene expression during cellular reprogramming (Chapter 13).

The last part of the thesis provides a review of the results of the ENCODE Project and the interpretation of the complexity of the biochemical activity exhibited by mammalian genomes that they have revealed (Chapters 15 and 16), an overview of the expected in the near future technical developments and their impact on the field of functional genomics (Chapter 14), and a discussion of some so far insufficiently explored research areas, the future study of which will, in the opinion of the author, provide deep insights into many fundamental but not yet completely answered questions about the transcriptional biology of eukaryotes and its regulation.

Two and Three Finger Caging of Polygons and Polyhedra

Multi-finger caging offers a rigorous and robust approach to robot grasping. This thesis provides several novel algorithms for caging polygons and polyhedra in two and three dimensions. Caging refers to a robotic grasp that does not necessarily immobilize an object, but prevents it from escaping to infinity. The first algorithm considers caging a polygon in two dimensions using two point fingers. The second algorithm extends the first to three dimensions. The third algorithm considers caging a convex polygon in two dimensions using three point fingers, and considers robustness of this cage to variations in the relative positions of the fingers.

This thesis describes an algorithm for finding all two-finger cage formations of planar polygonal objects based on a contact-space formulation. It shows that two-finger cages have several useful properties in contact space. First, the critical points of the cage representation in the hand’s configuration space appear as critical points of the inter-finger distance function in contact space. Second, these critical points can be graphically characterized directly on the object’s boundary. Third, contact space admits a natural rectangular decomposition such that all critical points lie on the rectangle boundaries, and the sublevel sets of contact space and free space are topologically equivalent. These properties lead to a caging graph that can be readily constructed in contact space. Starting from a desired immobilizing grasp of a polygonal object, the caging graph is searched for the minimal, intermediate, and maximal caging regions surrounding the immobilizing grasp. An example constructed from real-world data illustrates and validates the method.

A second algorithm is developed for finding caging formations of a 3D polyhedron for two point fingers using a lower dimensional contact-space formulation. Results from the two-dimensional algorithm are extended to three dimension. Critical points of the inter-finger distance function are shown to be identical to the critical points of the cage. A decomposition of contact space into 4D regions having useful properties is demonstrated. A geometric analysis of the critical points of the inter-finger distance function results in a catalog of grasps in which the cages change topology, leading to a simple test to classify critical points. With these properties established, the search algorithm from the two-dimensional case may be applied to the three-dimensional problem. An implemented example demonstrates the method.

This thesis also presents a study of cages of convex polygonal objects using three point fingers. It considers a three-parameter model of the relative position of the fingers, which gives complete generality for three point fingers in the plane. It analyzes robustness of caging grasps to variations in the relative position of the fingers without breaking the cage. Using a simple decomposition of free space around the polygon, we present an algorithm which gives all caging placements of the fingers and a characterization of the robustness of these cages.

Tem farmacêutico na farmácia: as percepções dos farmacêuticos sobre seu trabalho nas farmácias comunitárias do Estado do Rio de Janeiro

A farmácia comunitária ocupa um importante espaço no cenário da saúde pública brasileira, como local de dispensação de medicamentos e de contínua promoção do consumo de medicamentos para a população. Nesses estabelecimentos, o usuário busca através do consumo de produtos, prescritos ou não, o restabelecimento da sua saúde. O farmacêutico é o profissional de saúde com formação específica sobre medicamentos e que, pelo imperativo da legislação sanitária, é colocado como responsável técnico, nesse lócus. Qual sua motivação para ingressar nessa carreira? Como é a sua práxis e qual a realidade percebida por ele nesse cotidiano? Este trabalho teve como objetivo identificar a concepção que os farmacêuticos responsáveis técnicos, atuantes em farmácias comunitárias do estado do Rio de Janeiro, têm sobre a sua prática profissional e como essa visão pode estar relacionada à implementação de práticas focadas no paciente, tais como a Atenção Farmacêutica. Foram realizadas 15 entrevistas semi-estruturadas com farmacêuticos responsáveis técnicos de farmácias do estado do Rio de Janeiro, representando a seguinte tipologia: farmácias de rede estadual, de rede local e familiar. A categorização do discurso dos farmacêuticos mostrou, pelo menos, quatro convergências: a deficiência no processo de formação acadêmica, a prática farmacêutica migrando para o paciente, as contínuas dificuldades da população quanto ao uso de medicamentos e o conhecimento superficial do conceito de Atenção Farmacêutica. Pensa-se que a realidade encontrada possa não ser muito diferente da de grande número de farmácias comunitárias do próprio estado do Rio de Janeiro, sendo necessário fazer reflexões sobre esse tema, para nos conduzir a um momento de discussão sobre quais elementos poderão vir a garantir, que a práxis farmacêutica se insira com complementaridade nos serviços de saúde.

Aplicación de ROS: Sistema Operativo Robótico sobre Lego Mindstorms NXT

[ES]El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es estudiar el programa llamado ROS, un entorno para la programación de robots. Proporciona una serie de herramientas, librerías, drivers… que facilitan en gran medida la programación de sistemas robóticos. Para realizar este estudio se utilizará ROS para crear una aplicación para un robot LEGO Mindstorms NXT. Estos robots son pequeños y versátiles, y son adecuados para la investigación. La aplicación que se llevará a cabo será un seguidor de línea, un robot capaz de seguir una pista dibujada sobre una superficie de otro color. Para programar la aplicación, se utilizarán en la medida de lo posible las herramientas proporcionadas por ROS. De esta manera, se espera alcanzar una mayor comprensión de ROS y de su funcionamiento, con sus fortalezas y sus debilidades.

Desarrollo de una herramienta virtual destinada al diseño de una plataforma robótica reconfigurable.

[ES]Este proyecto tiene como objeto aumentar el conocimiento concerniente a mecanismos robóticos reconfigurables, así como ponerlo en práctica. Estos mecanismos pueden lograr rápidas transiciones y son capaces de adaptarse a sí mismos a muchos entornos diferentes, conduciendo a una reducción de costes y requerimientos de espacio. Para ello, se estudia el estado del arte, de manera que se pueda reunir información sobre las principales aplicaciones y oportunidades que este campo ofrece en diferentes áreas. A continuación, se requiere llevar a cabo un análisis cinemático de un robot específico, y junto a métodos de planificación de trayectorias, su implementación en un software gráfico para simular su movimiento. La herramienta de software “Matlab” va a ser la que permitirá llevar a cabo toda la programación y representación a lo largo de todo el proyecto.

Learning Multirobot Hose Transportation and Deployment by Distributed Round-Robin Q-Learning

Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) algorithms face two main difficulties: the curse of dimensionality, and environment non-stationarity due to the independent learning processes carried out by the agents concurrently. In this paper we formalize and prove the convergence of a Distributed Round Robin Q-learning (D-RR-QL) algorithm for cooperative systems. The computational complexity of this algorithm increases linearly with the number of agents. Moreover, it eliminates environment non sta tionarity by carrying a round-robin scheduling of the action selection and execution. That this learning scheme allows the implementation of Modular State-Action Vetoes (MSAV) in cooperative multi-agent systems, which speeds up learning convergence in over-constrained systems by vetoing state-action pairs which lead to undesired termination states (UTS) in the relevant state-action subspace. Each agent's local state-action value function learning is an independent process, including the MSAV policies. Coordination of locally optimal policies to obtain the global optimal joint policy is achieved by a greedy selection procedure using message passing. We show that D-RR-QL improves over state-of-the-art approaches, such as Distributed Q-Learning, Team Q-Learning and Coordinated Reinforcement Learning in a paradigmatic Linked Multi-Component Robotic System (L-MCRS) control problem: the hose transportation task. L-MCRS are over-constrained systems with many UTS induced by the interaction of the passive linking element and the active mobile robots.

Agente comunitário de saúde: a construção de um poder capturado

A política de Atenção Básica à Saúde no Brasil, revitalizada pelo Ministério da Saúde, tem a saúde da família como estratégia prioritária para a sua organização. Ancorada no trabalho em equipe multidisciplinar, na vinculação de compromissos e na corresponsabilidade da atenção às famílias, esta estratégia pretende reformular o modelo de atenção à saúde. Isto significa ultrapassar a tradicional assistência institucionalizada que prioriza a tutela para ir na direção da atenção à saúde, o cuidado sendo capaz de gerar a autonomia dos indivíduos. O Agente Comunitário de Saúde, integrante da equipe, é o sujeito do povo facilitador da interlocução entre o saber científico e o saber popular. Depositário de poder transformador, ele tem nas suas funções de educação e promoção de saúde o instrumento para a disseminação de conhecimento emancipatório, promotor de autonomia , com vigilância em saúde, operar o cuidado como essência humana. Entretanto, esse novo resultado dos normas e das regras instituídas na organização dos serviços de saúde, o que se soma às relações que se estabelecem entre os trabalhadores da saúde e os mais distintos grupos sociais. Esta dissertação consiste em um estudo de caso que encontra razão da forma com que os ACSs das Equipes de Saúde da Família de Manguinhos (Rio de Janeiro), contribuem para a atenção à saúde; nela, o cuidado emancipador promove a desconstrução de desigualdades. Esta é uma pesquisa de origem qualitativa que obteve, através da técnica de grupo focal, seu material de análise de conteúdo. Utilizando a categoria analítica o agente cuidador, identificamos as seguintes categorias empíricas: o agente tem que ser paciente, o agente sentindo-se excluído, o agente é dono da chave da porta. Diante do material analisado, pudemos observar que os agentes de Manguinhos adotam a paciência de saber escutar como ferramenta tecnológica, além da paciência perseverante, utilizada diante das muitas dificuldades reveladas por eles. Ainda na dinâmica relacional, observamos que os ACSs alternam sentimentos de exclusão e inclusão diante de determinados grupos sociais. Entretanto, o sentimento de exclusão é potencializado, a nosso ver, pela estigmatização social sofrida por serem moradores de comunidades submetidas a todo tipo de violência. Enquanto, facilitadores da entrada dos usuários no sistema de saúde, observamos um monopólio da assistência à saúde que não ocorre para transformações da produção do cuidado em saúde, e que são verificadas nas tensões características de ações na forma de ajuda-poder, revelando um dos mecanismos utilizados pelos ACSs no seu reconhecimentos sócio-ocupacional. Acreditamos que, embora esta dissertação seja um estudo de caso, é possível estabelecer analogias com as ESFs de metrópoles brasileiras. Neste sentido, somente a formação técnica do ACS baseada na problematização dos temas levantados poderá superar ações mantenedoras de assimetrias de poder. Devem ser ultrapassadas metodologias que reforcem o lugar social do ACS no último nível da hierarquia da divisão do trabalho em saúde. Apenas desta forma será possível impedir a captura dos ACSs por poderes hegemonicamente institucionalizados. Então, e só então, será possível veicular um saber emancipador, construtor de autonomia, mitigador de desigualdades, no qual a utopia tornar-se-á realidade.

Erros pré-analíticos em medicina laboratorial: uma revisão sistemática

MENEZES, Patrick Lourenço. Erros pré-analíticos em medicina laboratorial: uma revisão sistemática. 2013. 98 f. Dissertação (Mestrado em Saúde, Medicina Laboratorial e Tecnologia Forense) - Instituto de Biologia Roberto Alcântara Gomes, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013. A relevância evidente dos erros pré-analíticos como problema de saúde pública fica patente tanto no dano potencial aos pacientes quanto nos custos ao sistema de saúde, ambos desnecessários e evitáveis. Alguns estudos apontam que a fase pré-analítica é a mais vulnerável a erros, sendo responsável por, aproximadamente, 60 a 90% dos erros laboratoriais em consequência da falta orientação aos pacientes sobre os procedimentos que serão realizados no laboratório clínico. Objetivos: Sistematizar as evidências científicas relacionadas aos erros pré-analíticos dos exames laboratoriais de análises clínicas. Método: Uma revisão sistemática foi realizada, buscando as bases de dados do Medical Literature Analysis and Retrieval System Online (MEDLINE), Scopus(que inclui MEDLINE e Embase), ISI Web of Knowledge, SciFinder, Literatura Latino-Americana e do Caribe em Ciências da Saúde (Lilacs) (que inclui a Scientific Electronic Library Online SciELO) e o Índice Bibliográfico Espanhol de Ciências de Saúde (IBECS), para artigos publicados entre janeiro de 1990 e junho de 2012 sobre erros de exames laboratoriais que possam ocorrer na fase pré-analítica. Os estudos foram incluídos de acordo com os seguintes exames laboratoriais: hemograma, análise bioquímica do sangue total ou do soro, exames de coagulação sanguínea,uroanálise e exames hematológicos ou bioquímicos em outros materiais e categorizados pelo tipo de erro pré-analítico e pela frequência dos incidentes. Resultados: A busca nas bases de dados bibliográficas resultou no seguinte número de artigos recuperados: 547 na MEDLINE, 229 na Scopus, 110 na ISI, 163 na SciFinder, 228 na Lilacs e 64 na IBECS, perfazendo um total de 1.341 títulos. Ao fim da revisão sistemática, obteve-se um conjunto de 83 artigos para leitura de texto completo, dos quais 14 foram incluídos na revisão. Os estudos abrangeram diferentes tipos de laboratórios, setores técnicos e origem de erros, segundo a fase do processo laboratorial. Discussão: Sete artigos demonstraram erros de pedidos médicos, com uma alta variabilidade nos valores de incidência. Os seis artigos que estudaram erros de coleta de amostra observaram redução deste desfecho. As proporções de eventos adversos relatados e os impactos clínicos variaram, levando a consequências descritas como: erros decorrentes da flebotomia, recoleta de amostras, repetições de exames, atrasos na liberação de resultados de exames e possíveis danos ao paciente. Conclusões: O laboratório deve ter instruções por escrito para cada teste, que descreva o tipo de amostra e procedimento de coleta de amostra. Meios de identificação por código de barras, sistemas robóticos e analíticos reduzem os erros pré-analíticos. A melhoria da fase pré-analítica de testes laboratoriais permanece um desafio para muitos laboratórios clínicos.