Mechanical characterization of 3D bioprinted meniscus

Le lesioni del menisco sono le più comuni nella società di oggi: si verificano per un trauma meccanico o per cambiamenti degenerativi nella composizione dei tessuti. In caso di rottura o danneggiamento si interviene mediante riparazione del menisco, menisectomia parziale o totale, o allotrapianto, ma tali tecniche portano a degenerazione della cartilagine articolare, aumento dello stress sull'articolazione tibiale e infiammazione. Gli impianti di sostituzione presenti in commercio non riescono a ricreare il tessuto naturale del ginocchio o a prevenire malattie degenerative della cartilagine; si cerca quindi di creare un menisco meccanicamente e chimicamente simile a quello nativo. In questo studio è realizzato, tramite stampante 3D, uno scaffold di alginato e nanocellulosa, con condrociti umani al suo interno. Le cellule sono opportunamente coltivate, raggruppate a formare sferoidi di diverse concentrazioni (5000 e 10000 cellule/sferoide) e inserite all'interno di scaffold caratterizzati rispettivamente da 4000 e 2000 sferoidi/ml di inchiostro. Le loro proprietà meccaniche, insieme a quelle del campione costituito dal solo bio-inchiostro, sono caratterizzate mediante nanoindentazione. Un'analisi statistica (0.05% di significatività), ha appurato una differenza nelle proprietà meccaniche dei campioni con diverse concentrazioni di sferoidi, e tra questi e il campione senza sferoidi. Il modulo elastico e la durezza riscontrati (kPa): E=23.97±13.05, H=3.15±1.23 nel controllo negativo, E=35.34±7.28, H=4.37±0.79 nel campione da 2000 sferoidi/ml e E=49.28±9.75, H=5.44±0.87 nel campione da 4000 sferoidi/ml. In conclusione, la formazione di agglomerati di cellule e la loro introduzione all'interno di uno scaffold è possibile ed è un buon metodo per controllare il numero di cellule inserite, in termini di sferoidi. Gli organoidi contribuiscono al modulo elastico e alla durezza del campione, determinando un incremento e una maggiore equità nelle proprietà meccaniche.

Studio di modelli a raggi per Superfici Intelligenti Riconfigurabili

In questa trattazione viene presentato lo studio di un modello a raggi che permette di simulare il comportamento macroscopico delle Superfici Intelligenti. L’ottimizzazione del canale radio, in particolare dell’ambiente di propagazione, si rivela fondamentale per la futura introduzione del 6G. Per la pianificazione della propagazione in ambienti ampi, risulta necessario implementare modelli di simulazione. I modelli a raggi possono essere integrati più facilmente all’interno di algoritmi per le previsioni di campo computazionalmente efficienti, come gli algoritmi di Ray Tracing. Nell’elaborato si è analizzato il comportamento del modello, con riferimento a tre funzioni tipiche realizzate da una Superficie Intelligente: il riflettore anomalo, la lente focalizzante e la lente defocalizzante. Attraverso una griglia di ricevitori è stato calcolato il campo dell’onda nelle varie configurazioni. Infine, si sono confrontati i risultati ottenuti con quelli del modello elettromagnetico.

Identificazione parametrica di un modello viscoelastico della meccanica respiratoria

La ventilazione meccanica è un utile strumento per far fronte a patologie respiratorie, ma per avere un risultato ottimale è necessario impostare il ventilatore in modo personalizzato, al fine di rispettare la meccanica respiratoria di ogni paziente. Per far questo si possono utilizzare modelli della meccanica respiratoria dello specifico paziente, i cui parametri devono essere identificati a partire dalla conoscenza di variabili misurabili al letto del paziente. Schranz et al. hanno proposto l’utilizzo di un nuovo metodo, il Metodo Integrale Iterativo, la cui efficacia è stata valutata confrontandone le prestazioni con quelle di altre tecniche consolidate di identificazione parametrica: regressione lineare multipla, algoritmi iterativi e metodo integrale. Tutti questi metodi sono stati applicati ad un modello viscoelastico del secondo ordine della meccanica respiratoria utilizzando sia dati simulati sia dati clinici. Da questa analisi comparata è emerso che nel caso di simulazioni prive di rumore quasi tutti i metodi sono risultati efficaci, seppur con tempi di calcolo diversi; mentre nel caso più realistico con la sovrapposizione del disturbo l’affidabilità ha subito un ridimensionamento notevole in quasi tutti i casi, fatta eccezione per il metodo Simplex Search (SSM) e il Metodo Integrale Iterativo (IIM). Entrambi hanno fornito approssimazioni soddisfacenti con errori minimi, ma la prestazione di IIM è stata decisamente superiore in termini di velocità (fino a 50 volte più rapido) e di indipendenza dai parametri iniziali. Il metodo SSM, infatti, per dare buoni risultati necessita di una stima iniziale dei parametri, dalla quale far partire l’iterazione. Data la sua natura iterativa, IIM ha invece dimostrato di poter arrivare a valori realistici dei parametri anche in caso di condizioni iniziali addirittura fuori dal range fisiologico. Per questo motivo il Metodo IIM si pone come un utile strumento di supporto alla ventilazione meccanica controllata.

Il Teorema di Connettività per i Campi Vettoriali di Hörmander, e Applicazioni

Lo scopo di questa Tesi di Laurea è quello di dimostrare il Teorema di Connettività per un sistema di Hörmander di campi vettoriali, il quale ci fornisce una condizione sufficiente alla connessione di un aperto di R^N tramite curve integrali a tratti dei campi vettoriali stessi e dei loro opposti, e presentarne alcune applicazioni. Nel primo Capitolo daremo i prerequisiti necessari alla trattazione degli altri tre, con particolare attenzione ad un Lemma che mette in relazione le curve integrali del commutatore di m campi vettoriali con la composizione di un opportuno numero di mappe flusso dei campi vettoriali che costituiscono il commutatore. Il secondo Capitolo è interamente dedicato alla dimostrazione del Teorema di Connettività e all'analisi della definizione delle curve subunitarie in un aperto rispetto ad una famiglia di campi vettoriali X, dette curve X-subunitarie. Nel terzo Capitolo forniremo una introduzione alla distanza di Carnot-Carathéodory, detta anche distanza di X-controllo, arrivando a dimostrare il notevolissimo Teorema di Chow-Rashewskii, il quale ci fornisce, sotto le ipotesi del Teorema di Connettività, una stima tra la metrica Euclidea e la distanza di X-controllo, mediante due disuguaglianze. Queste ultime implicano anche una equivalenza tra la topologia indotta dalla distanza di X-controllo e la topologia Euclidea. Nel quarto e ultimo Capitolo, indagheremo gli insiemi di propagazione tramite curve integrali dei campi vettoriali in X e tramite curve X-subunitarie. Utilizzando la definizione di invarianza di un insieme rispetto ad un campo vettoriale e avvalendosi del Teorema di Nagumo-Bony, dimostreremo che: la chiusura dei punti raggiungibili, partendo da un punto P in un aperto fissato, tramite curve integrali a tratti dei campi vettoriali in X e dei loro opposti, è uguale alla chiusura dei punti raggiungibili, sempre partendo da P, tramite un particolare sottoinsieme di curve X-subunitarie C^1 a tratti.

Analisi sperimentale e teorica del flusso evaporante di liquidi criogenici

La crisi energetica che sta investendo l’Italia e l’Europa e la contestuale necessità di raggiungere gli obiettivi che la comunità internazionale si è preposta per uno sviluppo sostenibile stanno spingendo sempre di più verso l’utilizzo di fonti energetiche alternative. In questo contesto il gas naturale liquefatto (LNG) può assumere un ruolo chiave per il trasporto a lunghe distanze.Il gas naturale liquefatto fa parte della classe dei liquidi criogenici. Uno dei problemi principali dei liquidi criogenici riguarda gli aspetti di sicurezza come, ad esempio, il comportamento del liquido criogenico in seguito ad un rilascio accidentale.Questo lavoro di tesi si è focalizzato sulla caratterizzazione sperimentale del flusso l’evaporazione di liquidi criogenici.Per condurre lo studio, per motivi di sicurezza, è stato utilizzato l’azoto liquido (LN2), liquido con caratteristiche criogeniche simili all’LNG, ma non reattivo. Analisi preliminari hanno evidenziato come il contributo legato allo scambio termico per conduzione sia quello preponderante per la determinazione del flusso evaporante. Per questo motivo, lo sversamento è stato eseguito su diverse tipologie di substrato, rappresentative dei materiali più comuni e che plausibilmente possano andare a contatto con liquidi criogenici. Nello specifico sono stati valutati i seguenti substrati: ghiaia, sabbia, terreno secco, terreno umido e cemento. In seguito, è stato valutato il profilo di massa, velocità di evaporazione e temperatura rispetto al tempo per comprendere la durata della fase evaporativa e i principali fenomeni coinvolti. La velocità media e massima di evaporazione è risultata fortemente influenzata dalle proprietà fisiche del substrato e dalla presenza di acqua al suo interno.I dati raccolti rappresentano un passo in avanti fondamentale per la caratterizzazione del comportamento dei liquidi criogenici in atmosfera, favorendo la progettazione di tecnologie e procedure opportune per il loro utilizzo in sicurezza.

Caratterizzazione del comportamento a fatica di viti metriche

Nel campo della meccanica uno dei metodi di fissaggio maggiormente utilizzati è il fissaggio per attrito con elementi filettati. Il collegamento tra gli elementi è generato dall’accoppiamento tra i filetti di vite e madrevite, che, una volta precaricati, aderiscono impedendo il movimento reciproco tramite la forza di attrito. Uno dei problemi, però, che si riscontra sull’utilizzo dei giunti filettati è relativo alla resistenza a fatica. Precisamente, gli organi in esame presentano una geometria altamente intagliata: infatti, i filetti, fungono da centri di intensificazione degli sforzi. Per mitigare il fenomeno occorrerebbe diminuire la rigidità della vite, ma ciò comporterebbe un rischio di perdita del precarico con conseguente riduzione di efficacia del collegamento. Si è mostrato, tuttavia, che vi è un possibile metodo alternativo per migliorare la resistenza a fatica delle viti: si è notato che le viti snervate, tramite un serraggio, presentano un limite a vita finita maggiore rispetto a quelle standard. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di oggettivare l’incremento del limite di fatica generato da uno snervamento, verificare l’effettivo miglioramento anche sulla vita infinita e dedurne le motivazioni, mediante prove. A tal fine, sono state prese in considerazione diverse tipologie di provini, nello specifico viti M8 di classe 8.8 e 12.9, per verificare l’influenza della resistenza meccanica sull’incremento del limite. I test prevedono anche una breve parentesi sui benefici portati dall’utilizzo di un dado rialzato, in particolare viene mostrato come l’aumento del numero di filetti in presa vada ad esaltare il fenomeno analizzato. Una volta oggettivato l’aumento di resistenza a fatica e avanzate alcune ipotesi sulle cause del fenomeno, è stato sviluppato un modello agli elementi finiti, con semplificazioni volte a ridurre il tempo di calcolo, al fine di studiare la distribuzione degli stress in fase di serraggio per validare le assunzioni avanzate.

Sviluppo di un pacchetto ROS per il controllo di un cobot addetto alla movimentazione di un pannello di protezione di una macchina automatica

L’Industria 4.0 richiede sempre più tecnologie con un notevole grado di flessibilità, in modo da garantire il più alto livello di integrazione uomo-macchina e macchina- macchina. In quest’ottica, l’avvento della robotica collaborativa, ha agevolato il pro- cesso. I robot collaborativi (cobot) possono essere facilmente installati all’interno del- le linee di assemblaggio/produzione, senza necessità di barriere che vietino l’accesso agli operatori. Tra i tanti compiti a cui possono asservire i cobot, ci sono quelli dedica- ti all’ispezione delle varie macchine (e.g. microfermate di emergenza), in cui di solito, l’apertura del pannello di protezione è affidata ad un cobot montato a bordo di un AGV. È in questo contesto che si inserisce l’elaborato di tesi, volto al controllo in forza di un robot collaborativo per la movimentazione di un pannello di protezione di una mac- china automatica. In particolare, per ragioni logistiche e di ingombro, un simulacro del pannello di protezione è stato realizzato in scala, mentre il controllo real-time del cobot è stato implementato utilizzando ROS (Robot Operating System), piattaforma disponibile in modalità open-source.

Analisi prestazionale della ricerca di vicini in uno spazio vettoriale con Elasticsearch su infrastruttura cloud

Negli ultimi anni, a causa degli enormi progressi dell’informatica e della sempre crescente quantità di dati generati, si è sentito sempre più il bisogno di trovare nuove tecniche, approcci e algoritmi per la ricerca dei dati. Infatti, la quantità di informazioni da memorizzare è diventata tale che ormai si sente sempre più spesso parlare di "Big Data". Questo nuovo scenario ha reso sempre più inefficaci gli approcci tradizionali alla ricerca di dati. Recentemente sono state quindi proposte nuove tecniche di ricerca, come ad esempio le ricerche Nearest Neighbor. In questo elaborato sono analizzate le prestazioni della ricerca di vicini in uno spazio vettoriale utilizzando come sistema di data storage Elasticsearch su un’infrastruttura cloud. In particolare, sono stati analizzati e messi a confronto i tempi di ricerca delle ricerche Nearest Neighbor esatte e approssimate, valutando anche la perdita di precisione nel caso di ricerche approssimate, utilizzando due diverse metriche di distanza: la similarità coseno e il prodotto scalare.

Microsegmentazione, un approccio scalabile alla sicurezza basato su overlay network

Il crescente numero di attacchi condotti contro sistemi e servizi informatici richiede nuove strategie per la cybersicurezza. In questa tesi si prende in considerazione uno degli approcci più moderni per questa attività, basato su architetture Zero Trust, che deperimetrizzano i sistemi e mirano a verificare ogni tentativo di accesso alle risorse indipendentemente dalla provenienza locale o remota della richiesta. In tale ambito, la tesi propone una nuova forma di microsegmentazione agent-based basata su overlay network, con l'obiettivo di migliorare la scalabilità e la robustezza delle soluzioni esistenti, ad oggi messe in secondo piano in favore della facilità di configurazione. Una consistente serie di test dimostra che l'approccio descritto, attuabile in molteplici tipologie di sistemi cloud, è in grado di garantire, oltre alla sicurezza, scalabilità al crescere dei nodi partecipanti, robustezza evitando punti unici di fallimento e semplicità di configurazione.

Sviluppo e validazione di un algoritmo di Vehicle Routing per un caso di logistica distributiva in collaborazione con Toyota Material Handling Italia

L’elaborato descrive le fasi di progettazione, programmazione e validazione di un programma sviluppato in ambiente Java per il Vehicle Routing Problem. L’algoritmo implementato è di tipo euristico costruttivo primal e presenta funzionalità specifiche per la gestione di un elevato numero di vincoli e l’applicazione a casistiche reali. La validazione è stata effettuata su una base dati reale e in confronto a dataset di cui è nota la soluzione ottima. Il programma è stato progettato per risultare flessibile alle richieste dell’utente e utilizzabile per valutazioni economiche in ambito consulenziale.

Sviluppo di applicazioni real-time multi-utente: un middleware basato sulla piattaforma Croquet

Il crescente aumento del numero di dispositivi connessi in rete e delle applicazioni che vengono sviluppate su di essa ha trasformato completamente lo standard delle applicazioni che una volta erano single-user, facendo quindi arrivare lo standard ad un modello multi-utente, dove si ha un ambiente collaborativo e condiviso in cui le azioni di un determinato utente vanno ad influire anche sugli altri. Altra necessità al giorno d'oggi è inoltre che queste applicazioni multi-utente siano anche real-time, ovvero che si aggiornino in tempo reale e che di conseguenza l'azione di un singolo utente debba essere trasmessa e notificata a tutti gli altri in modo che possano gestirla di conseguenza. Lo sviluppo di tali applicazioni risulta quindi particolarmente complesso, tuttavia esistono anche soluzioni architetturali e framework che risultano essere dedicati all'implementazione di tale tipo di applicazioni, il quale obiettivo è quindi quello di semplificarne e velocizzarne lo sviluppo, tramite l'utilizzo di pattern o architetture mirate all'implementazione di un tipo specifico di tali applicazioni. Un esempio di tali soluzioni è Croquet, che permette la creazione di applicazioni real-time multi-utente, senza la necessità di scrivere alcun codice per la parte server o per la gestione delle comunicazioni tra i peer, ma solamente sviluppando il modello del client, ovvero la parte in esecuzione sulla macchina dell'utente. Questa tesi andrà quindi ad effettuare uno studio sul funzionamento e sull'architettura di Croquet proseguendo quindi con lo sviluppo di un middleware che permetta la creazione di applicazioni real-time multi-utente indipendenti dal linguaggio di sviluppo, le quali si potranno quindi appoggiare sull'architettura di Croquet per funzionare e comunicare, avendo quindi a disposizione tutte le garanzie che vengono offerte da Croquet e dalla sua architettura.

Crowd-shipping and autonomous vehicles: an optimization model for the last mile delivery

Il seguente elaborato propone un modello innovativo per la gestione della logistica distributiva nell’ultimo miglio, congiungendo l’attività di crowd-shipping con la presenza di Autonomous Vehicles, per il trasporto di prodotti all’interno della città. Il crowd-shipping utilizza conducenti occasionali, i quali deviano il loro tragitto in cambio di una ricompensa per il completamento dell’attività. Dall’altro lato, gli Autonomous Vehicles sono veicoli elettrici a guida autonoma, in grado di trasportare un numero limitato di pacchi e dotati di un sistema di sicurezza avanzato per garantire la fiducia nel trasporto. In primo luogo, nel seguente elaborato verrà mostrato il modello di ottimizzazione che congiunge i due attori principali in un unico ambiente, dove sono presenti un numero determinato di prodotti da muovere. Successivamente, poiché il problema di ottimizzazione è molto complesso e il numero di istanze valutabili è molto basso, verranno presentate due soluzioni differenti. La prima riguarda la metaeuristica chiamata Ant System, che cerca di avvicinarsi alle soluzioni ottime del precedente modello, mentre la seconda riguarda l’utilizzo di operatori di Local Search, i quali permettono di valutare soluzioni per istanze molto più grandi rispetto alla metaeuristica. Infine, i due modelli euristici verranno utilizzati per analizzare uno scenario che cerca di riprodurre una situazione reale. Tale scenario tenta di allocare strategicamente le risorse presenti e permette di dimostrare che gli Autonomous Vehicles riescono a supportare gli Occasional Drivers anche quando il numero di prodotti trasportabili è elevato. Inoltre, le due entità proposte riescono a soddisfare la domanda, garantendo un servizio che nel futuro potrebbe sostituire il tradizionale sistema di logistica distributiva last mile.

Progetto per il monitoraggio e l'assistenza alla guida in contesti automotive

Nel panorama dell’automotive negli ultimi decenni si sono moltiplicate le normative nazionali, europee e mondiali per ridurre l'impatto socio-economico derivato dall’alto numero di sinistri stradali. Dall’analisi dei dati è emerso che una delle cause più impattanti dei sinistri è la distrazione: sono stati estrapolati i fattori che la inducono e raggruppati nelle macro-categorie di disattenzione, inattenzione, sonnolenza e stati mentali alterati. TESSA (Tecnology EEG Safety System Automotive) propone un approccio di assistenza alla guida che sfrutta le onde cerebrali del conducente, costantemente monitorate da un auricolare EEG, rileva fattori problematici e interviene con un’assistenza vocale considerando reazioni e necessità dell’utente, gravità della problematica e tempo di reazione necessario. Interagendo con il conducente TESSA sfrutta le tecnologie disponibili per comunicare il pericolo e condurre l’utente verso un’adeguata ripresa della guida. Il progetto è stato sviluppato considerando un target con un alto impatto sulla quantità dei sinistri stradali e che ricoprisse un notevole ruolo sociale: la fascia d’età più idonea su cui intervenire è 18-25 anni, un target ancora inesperto alla guida e adatto a recepire e promuovere lo scenario dell’automotive in veloce trasformazione verso un futuro sempre più orientato alla prevenzione e alla connettività. Seppur lo studio del concept sia rivolto principalmente a una popolazione giovanile TESSA è in grado di adattarsi a qualsiasi fascia d’età perché progettata per soddisfare le necessità del singolo conducente e della singola problematica, e può guidarlo nella ripresa del controllo della guida intervenendo al variare delle onde cerebrali. L’approccio di intervento mediato con l’assistenza vocale permette all’utente di mantenere il controllo del veicolo: TESSA non sostituisce il conducente ma mira a renderlo consapevole del rischio di pericolo e pronto a intervenire in prima persona in modo cosciente e adeguato.

tecniche di machine learning per la predizione del rating delle applicazioni all’interno di un play store

Il mio progetto di tesi ha come obiettivo quello di creare un modello in grado di predire il rating delle applicazioni presenti all’interno del Play Store, uno dei più grandi servizi di distribuzione digitale Android. A tale scopo ho utilizzato il linguaggio Python, che grazie alle sue librerie, alla sua semplicità e alla sua versatilità è certamen- te uno dei linguaggi più usati nel campo dell’intelligenza artificiale. Il punto di partenza del mio studio è stato il Dataset (Insieme di dati strutturati in forma relazionale) “Google Play Store Apps” reperibile su Kaggle al seguente indirizzo: https://www.kaggle.com/datasets/lava18/google-play-store-apps, contenente 10841 osservazioni e 13 attributi. Dopo una prima parte relativa al caricamen- to, alla visualizzazione e alla preparazione dei dati su cui lavorare, ho applica- to quattro di↵erenti tecniche di Machine Learning per la stima del rating delle applicazioni. In particolare, sono state utilizzate:https://www.kaggle.com/datasets/lava18/google-play-store-apps, contenente 10841 osservazioni e 13 attributi. Dopo una prima parte relativa al caricamento, alla visualizzazione e alla preparazione dei dati su cui lavorare, ho applicato quattro differenti tecniche di Machine Learning per la stima del rating delle applicazioni: Ridje, Regressione Lineare, Random Forest e SVR. Tali algoritmi sono stati applicati attuando due tipi diversi di trasformazioni (Label Encoding e One Hot Encoding) sulla variabile ‘Category’, con lo scopo di analizzare come le suddette trasformazioni riescano a influire sulla bontà del modello. Ho confrontato poi l’errore quadratico medio (MSE), l’errore medio as- soluto (MAE) e l’errore mediano assoluto (MdAE) con il fine di capire quale sia l’algoritmo più efficiente.

Blockchain a supporto di Solid: potenzialità e applicazioni al controllo degli accessi

L’eccessiva centralizzazione dei dati ha reso sempre più frequenti fenomeni di manomissione e condivisione delle informazioni degli utenti senza il consenso dei proprietari. Questi potenziali rischi hanno aumentato negli utenti l’esigenza di una maggiore autorità sui propri dati, suscitando l’interesse per il decentramento. Questa tesi analizza due approcci al decentramento che sono Solid e Blockchain, e si concentra sui sistemi legati al controllo degli accessi derivanti dalla combinazione di questi due approcci. L’analisi parte dal descrivere le principali caratteristiche e funzionalità di Solid e Blockchain. Successivamente, dalla tesi si evince come, questi due paradigmi combinati insieme, possano rappresentare una soluzione valida alla decentralizzazione dei dati e vengono illustrati i principali ambiti in cui possono essere applicati sistemi assisti da Blockchain per Solid. In particolare lo studio approfondisce l'applicazione al controllo degli accessi e autenticazione dei dati. Due sono i sistemi presi in esame e approfonditi in questa tesi ovvero BCSolid e TrustAccess. Entrambi sono stati descritti in maniera dettagliata delineando l’architettura, la progettazione, le tecniche crittografiche utilizzate e illustrando dei casi d’uso pratici. Nella parte finale di questo elaborato viene effettuato un confronto tra questi due sistemi e spiegati i motivi per cui Trust Access può essere considerato migliore di BCSolid.