Neural-network approach to modeling liquid crystals in complex confinement

Finding the structure of a confined liquid crystal is a difficult task since both the density and order parameter profiles are nonuniform. Starting from a microscopic model and density-functional theory, one has to either (i) solve a nonlinear, integral Euler-Lagrange equation, or (ii) perform a direct multidimensional free energy minimization. The traditional implementations of both approaches are computationally expensive and plagued with convergence problems. Here, as an alternative, we introduce an unsupervised variant of the multilayer perceptron (MLP) artificial neural network for minimizing the free energy of a fluid of hard nonspherical particles confined between planar substrates of variable penetrability. We then test our algorithm by comparing its results for the structure (density-orientation profiles) and equilibrium free energy with those obtained by standard iterative solution of the Euler-Lagrange equations and with Monte Carlo simulation results. Very good agreement is found and the MLP method proves competitively fast, flexible, and refinable. Furthermore, it can be readily generalized to the richer experimental patterned-substrate geometries that are now experimentally realizable but very problematic to conventional theoretical treatments.

Reconstructing the architectural evolution of volcanic islands from combined K/AR, morphologic, tectonic, and magnetic data. The Faial Island exemple (Azores)

The morpho-structural evolution of oceanic islands results from competition between volcano growth and partial destruction by mass-wasting processes. We present here a multi-disciplinary study of the successive stages of development of Faial (Azores) during the last 1 Myr. Using high-resolution digital elevation model (DEM), and new K/Ar, tectonic, and magnetic data, we reconstruct the rapidly evolving topography at successive stages, in response to complex interactions between volcanic construction and mass wasting, including the development of a graben. We show that: (1) sub-aerial evolution of the island first involved the rapid growth of a large elongated volcano at ca. 0.85 Ma, followed by its partial destruction over half a million years; (2) beginning about 360 ka a new small edifice grew on the NE of the island, and was subsequently cut by normal faults responsible for initiation of the graben; (3) after an apparent pause of ca. 250 kyr, the large Central Volcano (CV) developed on the western side of the island at ca 120 ka, accumulating a thick pile of lava flows in less than 20 kyr, which were partly channelized within the graben; (4) the period between 120 ka and 40 ka is marked by widespread deformation at the island scale, including westward propagation of faulting and associated erosion of the graben walls, which produced sedimentary deposits; subsequent growth of the CV at 40 ka was then constrained within the graben, with lava flowing onto the sediments up to the eastern shore; (5) the island evolution during the Holocene involves basaltic volcanic activity along the main southern faults and pyroclastic eruptions associated with the formation of a caldera volcano-tectonic depression. We conclude that the whole evolution of Faial Island has been characterized by successive short volcanic pulses probably controlled by brief episodes of regional deformation. Each pulse has been separated by considerable periods of volcanic inactivity during which the Faial graben gradually developed. We propose that the volume loss associated with sudden magma extraction from a shallow reservoir in different episodes triggered incremental downward graben movement, as observed historically, when immediate vertical collapse of up to 2 m was observed along the western segments of the graben at the end of the Capelinhos eruptive crises (1957-58).

Pose Estimation using a C-Arm Fluoroscope

Os métodos clínicos que são realizados com recurso a tecnologias de imagiologia têm registado um aumento de popularidade nas últimas duas décadas. Os procedimentos tradicionais usados em cirurgia têm sido substituídos por métodos minimamente invasivos de forma a conseguir diminuir os custos associados e aperfeiçoar factores relacionados com a produtividade. Procedimentos clínicos modernos como a broncoscopia e a cardiologia são caracterizados por se focarem na minimização de acções invasivas, com os arcos em ‘C’ a adoptarem um papel relevante nesta área. Apesar de o arco em ‘C’ ser uma tecnologia amplamente utilizada no auxílio da navegação em intervenções minimamente invasivas, este falha na qualidade da informação fornecida ao cirurgião. A informação obtida em duas dimensões não é suficiente para proporcionar uma compreensão total da localização tridimensional da região de interesse, revelando-se como uma tarefa essencial o estabelecimento de um método que permita a aquisição de informação tridimensional. O primeiro passo para alcançar este objectivo foi dado ao definir um método que permite a estimativa da posição e orientação de um objecto em relação ao arco em ‘C’. De forma a realizar os testes com o arco em ‘C’, a geometria deste teve que ser inicialmente definida e a calibração do sistema feita. O trabalho desenvolvido e apresentado nesta tese foca-se num método que provou ser suficientemente sustentável e eficiente para se estabelecer como um ponto de partida no caminho para alcançar o objectivo principal: o desenvolvimento de uma técnica que permita o aperfeiçoamento da qualidade da informação adquirida com o arco em ‘C’ durante uma intervenção clínica.

Reply to "Comment on 'Effect of polydispersity on the ordering transition of adsorbed self- assembled rigid rods'"

We comment on the nature of the ordering transition of a model of equilibrium polydisperse rigid rods on the square lattice, which is reported by Lopez et al. to exhibit random percolation criticality in the canonical ensemble, in sharp contrast to (i) our results of Ising criticality for the same model in the grand canonical ensemble [Phys. Rev. E 82, 061117 (2010)] and (ii) the absence of exponent(s) renormalization for constrained systems with logarithmic specific-heat anomalies predicted on very general grounds by Fisher [Phys. Rev. 176, 257 (1968)].

Theory and phenomenology of two-higgs-doublet models

We discuss theoretical and phenomenological aspects of two-Higgs-doublet extensions of the Standard Model. In general, these extensions have scalar mediated flavour changing neutral currents which are strongly constrained by experiment. Various strategies are discussed to control these flavour changing scalar currents and their phenomenological consequences are analysed. In particular, scenarios with natural flavour conservation are investigated, including the so-called type I and type II models as well as lepton-specific and inert models. Type III models are then discussed, where scalar flavour changing neutral currents are present at tree level, but are suppressed by either a specific ansatz for the Yukawa couplings or by the introduction of family symmetries leading to a natural suppression mechanism. We also consider the phenomenology of charged scalars in these models. Next we turn to the role of symmetries in the scalar sector. We discuss the six symmetry-constrained scalar potentials and their extension into the fermion sector. The vacuum structure of the scalar potential is analysed, including a study of the vacuum stability conditions on the potential and the renormalization-group improvement of these conditions is also presented. The stability of the tree level minimum of the scalar potential in connection with electric charge conservation and its behaviour under CP is analysed. The question of CP violation is addressed in detail, including the cases of explicit CP violation and spontaneous CP violation. We present a detailed study of weak basis invariants which are odd under CP. These invariants allow for the possibility of studying the CP properties of any two-Higgs-doublet model in an arbitrary Higgs basis. A careful study of spontaneous CP violation is presented, including an analysis of the conditions which have to be satisfied in order for a vacuum to violate CP. We present minimal models of CP violation where the vacuum phase is sufficient to generate a complex CKM matrix, which is at present a requirement for any realistic model of spontaneous CP violation.

Electric vehicles as a mean to reduce, energy, emissions and electricity costs

Electric vehicles (EVs) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), which obtain their fuel from the grid by charging a battery, are set to be introduced into the mass market and expected to contribute to oil consumption reduction. This research is concerned with studying the potential impacts on the electric utilities of large-scale adoption of plug-in electric vehicles from the perspective of electricity demand, fossil fuels use, CO2 emissions and energy costs. Simulations were applied to the Portuguese case study in order to analyze what would be the optimal recharge profile and EV penetration in an energy-oriented, an emissions-oriented and a cost-oriented objective. The objectives considered were: The leveling of load profiles, minimization of daily emissions and minimization of daily wholesale costs. Almost all solutions point to an off-peak recharge and a 50% reduction in daily wholesale costs can be verified from a peak recharge scenario to an off-peak recharge for a 2 million EVs in 2020. A 15% improvement in the daily total wholesale costs can be verified in the costs minimization objective when compared with the off-peak scenario result.

Desenvolvimento de métodos rápidos para deteção de drogas no meio aquático

A vasta aplicação de antibióticos em sistemas de aquacultura tem conduzido ao aparecimento de espécies microbianas resistentes, devendo ser evitada ou, se possível, minimizada. A minimização implica um controlo muito rigoroso das doses aplicadas, algo que só pode ser realizado se todo o processo analítico for simples, barato e puder ser implementado no local. O presente trabalho descreve para este efeito um sistema sensor constituído por papel quimicamente modificado, cujo procedimento analítico foi semelhante à monitorização de pH através das conhecidas tiras indicadoras de pH universal. O papel foi modificado com base em reacções de monocamadas e assumiu uma coloração típica após contacto com o antibiótico. A intensidade da coloração estava também relacionada com a concentração desse antibiótico. Como prova deste conceito, o sensor proposto foi desenhado tendo em vista a monitorização de oxitetraciclina, um dos antibióticos utilizados neste contexto com elevada frequência. A modificação do papel foi baseada na alteração química das unidades de glucose na matriz sólida por reacção covalente com reagentes apropriados. Foram utilizadas duas estratégias diferentes para este efeito: uma foi baseada em reacções de tipo sol-gel e a outra em reacção de adição nucleófila. Posteriormente, o papel foi modificado com espécies metálicas capazes de mudar de cor na presença da oxitetraciclina. Estas modificações químicas foram avaliadas e optimizadas relativamente a vários parâmetros, no sentido de promover uma variação de cor intensa face à concentração de antibiótico. Procedeu-se ainda ao controlo desta modificação por técnicas de espectroscopia de infravermelho. A variação de cor foi avaliada por comparação visual, mas registada por imagem digital. Os materiais sensores preparados foram ainda caracterizados do ponto de vista do seu desempenho analítico. Incluíram-se aqui a identificação de uma relação linear entre coordenadas de cor e concentração, a atribuição de uma gama de concentrações capaz de fornecer uma resposta previsível e resposta cruzada face a outros antibióticos. Procedeu-se ainda à aplicação dos sensores numa amostra de água ambiental dopada com antibiótico. De uma forma geral, foi possível estabelecer um processo simples de modificação de papel capaz de aferir a presença e a quantidade de tetraciclinas, mais concretamente a oxitetraciclina. O processo aqui estabelecido é promissor, antevendo a concretização de uma metodologia simples, barata e local para a monitorização de anitbióticos em águas.

Uma metaheurística para a programação de projectos com multi-modos e recursos limitados

Este artigo apresenta uma nova abordagem (MM-GAV-FBI), aplicável ao problema da programação de projectos com restrições de recursos e vários modos de execução por actividade, problema conhecido na literatura anglo-saxónica por MRCPSP. Cada projecto tem um conjunto de actividades com precedências tecnológicas definidas e um conjunto de recursos limitados, sendo que cada actividade pode ter mais do que um modo de realização. A programação dos projectos é realizada com recurso a um esquema de geração de planos (do inglês Schedule Generation Scheme - SGS) integrado com uma metaheurística. A metaheurística é baseada no paradigma dos algoritmos genéticos. As prioridades das actividades são obtidas a partir de um algoritmo genético. A representação cromossómica utilizada baseia-se em chaves aleatórias. O SGS gera planos não-atrasados. Após a obtenção de uma solução é aplicada uma melhoria local. O objectivo da abordagem é encontrar o melhor plano (planning), ou seja, o plano que tenha a menor duração temporal possível, satisfazendo as precedências das actividades e as restrições de recursos. A abordagem proposta é testada num conjunto de problemas retirados da literatura da especialidade e os resultados computacionais são comparados com outras abordagens. Os resultados computacionais validam o bom desempenho da abordagem, não apenas em termos de qualidade da solução, mas também em termos de tempo útil.

Implementação ferramenta LEAN – TPM - serrote mecânico alternativo

Presentemente, com a economia cada vez mais globalizada e com a grande competitividade do mercado, as empresas de produção procuram cada vez mais ajustar-se às exigências dos clientes. Por esse motivo, o controlo do fluxo produtivo torna-se imprescindível para a resolução de problemas e para a própria melhoria contínua do processo. O sistema “Lean Manufacturing”, é um conjunto de atividades que tem como meta o aumento da capacidade de resposta às mudanças e à minimização dos desperdícios na produção, constituindo-se num verdadeiro empreendimento de gestão inovadora. O TPM – Total Productive Maintenance, é uma ferramenta de melhoria continua cada vez mais utilizada nas empresas com o objetivo de melhorar a eficiência dos seus equipamentos e atingir metas para a redução de desperdícios, incluindo a restauração e manutenção de condições padrão de funcionamento. O presente trabalho visa a implementação da ferramenta TPM num equipamento (Serrote Mecânico Alternativo) instalado no Laboratório das Oficinas Mecânicas do Instituto Superior de Engenharia do Porto. No contexto prático, este trabalho consistiu numa primeira fase por implementar a ferramenta 5S´s no posto de trabalho do equipamento em estudo. Durante esta implementação foi possível detetar algumas anomalias no equipamento, tendo sido sujeitas a uma análise para encontrar as suas causas raiz. Posteriormente foi implementada a ferramenta TPM, de modo, a criar melhores condições de acesso e simplificação das atividades de inspeção, lubrificação e limpeza. Além disso, foi executado e proposto algumas oportunidades de melhoria em alguns elementos, de forma a reduzir tempos de operação e tempos de setup, contribuindo para o aumento da eficiência do equipamento.

Influence of grease formulation on thrust bearings power loss

The minimization of the power loss and the use of the biodegradable greases have attracting considerable attention. To compare the energetic performance of biodegradable lubricant greases, power loss tests were performed on a modified four-ball machine. A correlation between the grease formulation and rheology was established with its energetic performance

Integrating the LMS in service oriented e-learning systems

Learning management systems are routinely used for presenting, solving and grading exercises with large classes. However, teachers are constrained to use questions with pre-defined answers, such as multiple-choice, to automatically correct the exercises of their students. Complex exercises cannot be evaluated automatically by the LMS and require the coordination of a set of heterogeneous systems. For instance, programming exercises require a specialized exercise resolution environment and automatic evaluation features, each provided by a different type of system. In this paper, the authors discuss an approach for the coordination of a network of eLearning systems supporting the resolution of exercises. The proposed approach is based on a pivot component embedded in the LMS and has two main roles: 1) provide an exercise resolution environment, and 2) coordinate communication between the LMS and other systems, exposing their functions as web services. The integration of the pivot component in the LMS relies on Learning Tools Interoperability (LTI). This paper presents an architecture to coordinate a network of eLearning systems and validate the proposed approach by creating such a network integrated with LMS from two different vendors.

Afetação de recursos em sistemas de produção

O problema do escalonamento, por ser um dos factores fundamentais na tomada de decisão para uma boa gestão das operações, tem sido alvo de um amplo estudo, tanto na sua componente teórica como na sua componente prática. A importância de um escalonamento correto das operações é preponderante, quando as pequenas diferenças, em termos de tempos de produção, podem ter um grande impacto na competitividade da organização. Em muitas unidades produtivas, existem máquinas capazes de realizar as mesmas operações com diferentes desempenhos. Isto pode dever-se à necessidade de flexibilizar os recursos ou mesmo a uma atualização da capacidade produtiva. Embora os problemas de máquinas diferentes em paralelo tenham sido alvo de um vasto estudo, muitos deles não são passíveis de ser resolvidos através de métodos exatos. O problema de minimização do makespan (Rm||Cmax), é NP-hard, sendo habitualmente abordado através de heurísticas. Entre as heurísticas utilizadas em problemas de minimização do makespan em máquinas diferentes em paralelo, é possível identificar duas filosofias de afectação: a que utiliza os tempos de processamento para alocar as tarefas e a que utiliza as datas de conclusão. Nesta dissertação, pretende-se dar uma contribuição para a resolução do problema de afectação de recursos em sistemas de produção. Para tal, foram propostas as heurísticas OMTC 3 e Suffrage One. A contribuição consiste na proposta de versões híbridas e modificadas das heurística MCT e Suffrage, uma vez identificadas várias características que podem limitar o seu desempenho, como o facto da heurística MCT alocar as tarefas numa ordem aleatória ou a heurística Suffrage alocar mais que uma tarefa por iteração. Finalmente, procedeu-se à realização de testes computacionais, para avaliar o desempenho das heurísticas propostas. Os testes realizados permitiram concluir que a heurística OMTC 3 apresentou um melhor desempenho que a heurística MCT.

A case study on the improvement of eco-efficiency ratios: application to a composite processing industry

The World Business Council for Sustainable Development (WBCSD) defines Eco-Efficiency as follows: ‘Eco- Efficiency is achieved by the delivery of competitively priced-goods and services that satisfy human needs and bring quality of life, while progressively reducing ecological impacts and resource intensity throughout the life-cycle to a level at least in line with the earth’s estimated carrying capacity’. Eco-Efficiency is under this point of view a key concept for sustainable development, bringing together economic and ecological progress. Measuring the Eco-Efficiency of a company, factory or business, is a complex process that involves the measurement and control of several and relevant parameters or indicators, globally applied to all companies in general, or specific according to the nature and specificities of the business itself. In this study, an attempt was made in order to measure and evaluate the eco-efficiency of a pultruded composite processing company. For this purpose the recommendations of WBCSD [1] and the directives of ISO 14301 standard [2] were followed and applied. The analysis was restricted to the main business branch of the company: the production and sale of standard GFRP pultrusion profiles. The main general indicators of eco-efficiency, as well as the specific indicators, were defined and determined according to ISO 14031 recommendations. With basis on indicators’ figures, the value profile, the environmental profile, and the pertinent eco-efficiency’s ratios were established and analyzed. In order to evaluate potential improvements on company eco-performance, new indicators values and ecoefficiency ratios were estimated taking into account the implementation of new proceedings and procedures, both in upstream and downstream of the production process, namely: a) Adoption of new heating system for pultrusion die in the manufacturing process, more effective and with minor heat losses; b) Implementation of new software for stock management (raw materials and final products) that minimize production failures and delivery delays to final consumer; c) Recycling approach, with partial waste reuse of scrap material derived from manufacturing, cutting and assembly processes of GFRP profiles. In particular, the last approach seems to significantly improve the eco-efficient performance of the company. Currently, by-products and wastes generated in the manufacturing process of GFRP profiles are landfilled, with supplementary added costs to this company traduced by transport of scrap, landfill taxes and required test analysis to waste materials. However, mechanical recycling of GFRP waste materials, with reduction to powdered and fibrous particulates, constitutes a recycling process that can be easily attained on heavy-duty cutting mills. The posterior reuse of obtained recyclates, either into a close-looping process, as filler replacement of resin matrix of GFRP profiles, or as reinforcement of other composite materials produced by the company, will drive to both costs reduction in raw materials and landfill process, and minimization of waste landfill. These features lead to significant improvements on the sequent assessed eco-efficiency ratios of the present case study, yielding to a more sustainable product and manufacturing process of pultruded GFRP profiles.

Sustainable Development Action Plan at ISEP - From Concept to Engineering Practice

Some of the main challenges in Incorporating Sustainable Development practices into Engineering Education reside in establishing the bridge between concept and application. In particular the relation between value creation and the knowledge economy, innovation and entrepreneurship, as the main vehicles to a relevant application of the sustainable development concept, is not yet part of the majority of the engineering curricula in schools. Porto Polytechnical Engineering School (ISEP), a Global Reporting Initiative training partner in Portugal, as just presented its Sustainable Development Action Plan, with the main objective of creating a new kind of engineers, with Sustainable Development at the core of their degrees. The plan has several issues like publish an annual sustainability report, sustainable buildings, minimization of energy consumption and water policy, waste management, sustainable mobility, green procurement, EMAS certification, research and postgraduate activity and promotion of lectures and seminars in Sustainable Development.

Fast mobility support in low-power wireless networks: smart-HOP over RPL/6LoWPAN

With the emergence of low-power wireless hardware new ways of communication were needed. In order to standardize the communication between these low powered devices the Internet Engineering Task Force (IETF) released the 6LoWPAN stand- ard that acts as an additional layer for making the IPv6 link layer suitable for the lower-power and lossy networks. In the same way, IPv6 Routing Protocol for Low- Power and Lossy Networks (RPL) has been proposed by the IETF Routing Over Low power and Lossy networks (ROLL) Working Group as a standard routing protocol for IPv6 routing in low-power wireless sensor networks. The research performed in this thesis uses these technologies to implement a mobility process. Mobility management is a fundamental yet challenging area in low-power wireless networks. There are applications that require mobile nodes to exchange data with a xed infrastructure with quality-of-service guarantees. A prime example of these applications is the monitoring of patients in real-time. In these scenarios, broadcast- ing data to all access points (APs) within range may not be a valid option due to the energy consumption, data storage and complexity requirements. An alternative and e cient option is to allow mobile nodes to perform hand-o s. Hand-o mechanisms have been well studied in cellular and ad-hoc networks. However, low-power wireless networks pose a new set of challenges. On one hand, simpler radios and constrained resources ask for simpler hand-o schemes. On the other hand, the shorter coverage and higher variability of low-power links require a careful tuning of the hand-o parameters. In this work, we tackle the problem of integrating smart-HOP within a standard protocol, speci cally RPL. The simulation results in Cooja indicate that the pro- posed scheme minimizes the hand-o delay and the total network overhead. The standard RPL protocol is simply unable to provide a reliable mobility support sim- ilar to other COTS technologies. Instead, they support joining and leaving of nodes, with very low responsiveness in the existence of physical mobility.