A multidisciplinary reference framework to support innovative design, implementation and assessment of chronic care models

Hoy en día, por primera vez en la historia, la mayor parte de la población podrá vivir hasta los sesenta años y más (United Nations, 2015). Sin embargo, todavía existe poca evidencia que demuestre que las personas mayores, estén viviendo con mejor salud que sus padres, a la misma edad, ya que la mayoría de los problemas de salud en edades avanzadas están asociados a las enfermedades crónicas (WHO, 2015). Los sistemas sanitarios de los países desarrollados funcionan adecuadamente cuando se trata del cuidado de enfermedades agudas, pero no son lo suficientemente eficaces en la gestión de las enfermedades crónicas. Durante la última década, se han realizado esfuerzos para mejorar esta gestión, por medio de la utilización de estrategias de prevención y de reenfoque de la provisión de los servicios de atención para la salud (Kane et al. 2005). Según una revisión sistemática de modelos de cuidado de salud, comisionada por el sistema nacional de salud Británico, pocos modelos han conceptualizado cuáles son los componentes que hay que utilizar para proporcionar un cuidado crónico efectivo, y estos componentes no han sido suficientemente estructurados y articulados. Por lo tanto, no hay suficiente evidencia sobre el impacto real de cualquier modelo existente en la actualidad (Ham, 2006). Las innovaciones podrían ayudar a conseguir mejores diagnósticos, tratamientos y gestión de pacientes crónicos, así como a dar soporte a los profesionales y a los pacientes en el cuidado. Sin embargo, la forma en las que estas innovaciones se proporcionan no es lo suficientemente eficiente, efectiva y amigable para el usuario. Para mejorar esto, hace falta crear equipos de trabajo y estrategias multidisciplinares. En conclusión, hacen falta actividades que permitan conseguir que las innovaciones sean utilizadas en los sistemas de salud que quieren mejorar la gestión del cuidado crónico, para que sea posible: 1) traducir la “atención sanitaria basada en la evidencia” en “conocimiento factible”; 2) hacer frente a la complejidad de la atención sanitaria a través de una investigación multidisciplinaria; 3) identificar una aproximación sistemática para que se establezcan intervenciones innovadoras en el cuidado de salud. El marco de referencia desarrollado en este trabajo de investigación es un intento de aportar estas mejoras. Las siguientes hipótesis han sido propuestas: Hipótesis 1: es posible definir un proceso de traducción que convierta un modelo de cuidado crónico en una descripción estructurada de objetivos, requisitos e indicadores clave de rendimiento. Hipótesis 2: el proceso de traducción, si se ejecuta a través de elementos basados en la evidencia, multidisciplinares y de orientación económica, puede convertir un modelo de cuidado crónico en un marco descriptivo, que define el ciclo de vida de soluciones innovadoras para el cuidado de enfermedades crónicas. Hipótesis 3: es posible definir un método para evaluar procesos, resultados y capacidad de desarrollar habilidades, y asistir equipos multidisciplinares en la creación de soluciones innovadoras para el cuidado crónico. Hipótesis 4: es posible dar soporte al desarrollo de soluciones innovadoras para el cuidado crónico a través de un marco de referencia y conseguir efectos positivos, medidos en indicadores clave de rendimiento. Para verificar las hipótesis, se ha definido una aproximación metodológica compuesta de cuatro Fases, cada una asociada a una hipótesis. Antes de esto, se ha llevado a cabo una “Fase 0”, donde se han analizado los antecedentes sobre el problema (i.e. adopción sistemática de la innovación en el cuidado crónico) desde una perspectiva multi-dominio y multi-disciplinar. Durante la fase 1, se ha desarrollado un Proceso de Traducción del Conocimiento, elaborado a partir del JBI Joanna Briggs Institute (JBI) model of evidence-based healthcare (Pearson, 2005), y sobre el cual se han definido cuatro Bloques de Innovación. Estos bloques consisten en una descripción de elementos innovadores, definidos en la fase 0, que han sido añadidos a los cuatros elementos que componen el modelo JBI. El trabajo llevado a cabo en esta fase ha servido también para definir los materiales que el proceso de traducción tiene que ejecutar. La traducción que se ha llevado a cabo en la fase 2, y que traduce la mejor evidencia disponible de cuidado crónico en acción: resultado de este proceso de traducción es la parte descriptiva del marco de referencia, que consiste en una descripción de un modelo de cuidado crónico (se ha elegido el Chronic Care Model, Wagner, 1996) en términos de objetivos, especificaciones e indicadores clave de rendimiento y organizada en tres ciclos de innovación (diseño, implementación y evaluación). Este resultado ha permitido verificar la segunda hipótesis. Durante la fase 3, para demostrar la tercera hipótesis, se ha desarrollado un método-mixto de evaluación de equipos multidisciplinares que trabajan en innovaciones para el cuidado crónico. Este método se ha creado a partir del método mixto usado para la evaluación de equipo multidisciplinares translacionales (Wooden, 2013). El método creado añade una dimensión procedural al marco. El resultado de esta fase consiste, por lo tanto, en una primera versión del marco de referencia, lista para ser experimentada. En la fase 4, se ha validado el marco a través de un caso de estudio multinivel y con técnicas de observación-participante como método de recolección de datos. Como caso de estudio se han elegido las actividades de investigación que el grupo de investigación LifeStech ha desarrollado desde el 2008 para mejorar la gestión de la diabetes, actividades realizadas en un contexto internacional. Los resultados demuestran que el marco ha permitido mejorar las actividades de trabajo en distintos niveles: 1) la calidad y cantidad de las publicaciones; 2) se han conseguido dos contratos de investigación sobre diabetes: el primero es un proyecto de investigación aplicada, el segundo es un proyecto financiado para acelerar las innovaciones en el mercado; 3) a través de los indicadores claves de rendimiento propuestos en el marco, una prueba de concepto de un prototipo desarrollado en un proyecto de investigación ha sido transformada en una evaluación temprana de una intervención eHealth para el manejo de la diabetes, que ha sido recientemente incluida en Repositorio de prácticas innovadoras del Partenariado de Innovación Europeo en Envejecimiento saludable y activo. La verificación de las 4 hipótesis ha permitido demonstrar la hipótesis principal de este trabajo de investigación: es posible contribuir a crear un puente entre la atención sanitaria y la innovación y, por lo tanto, mejorar la manera en que el cuidado crónico sea procurado en los sistemas sanitarios. ABSTRACT Nowadays, for the first time in history, most people can expect to live into their sixties and beyond (United Nations, 2015). However, little evidence suggests that older people are experiencing better health than their parents, and most of the health problems of older age are linked to Chronic Diseases (WHO, 2015). The established health care systems in developed countries are well suited to the treatment of acute diseases but are mostly inadequate for dealing with CDs. Healthcare systems are challenging the burden of chronic diseases by putting more emphasis on the prevention of disease and by looking for new ways to reorient the provision of care (Kane et al., 2005). According to an evidence-based review commissioned by the British NHS Institute, few models have conceptualized effective components of care for CDs and these components have been not structured and articulated. “Consequently, there is limited evidence about the real impact of any of the existing models” (Ham, 2006). Innovations could support to achieve better diagnosis, treatment and management for patients across the continuum of care, by supporting health professionals and empowering patients to take responsibility. However, the way they are delivered is not sufficiently efficient, effective and consumer friendly. The improvement of innovation delivery, involves the creation of multidisciplinary research teams and taskforces, rather than just working teams. There are several actions to improve the adoption of innovations from healthcare systems that are tackling the epidemics of CDs: 1) Translate Evidence-Based Healthcare (EBH) into actionable knowledge; 2) Face the complexity of healthcare through multidisciplinary research; 3) Identify a systematic approach to support effective implementation of healthcare interventions through innovation. The framework proposed in this research work is an attempt to provide these improvements. The following hypotheses have been drafted: Hypothesis 1: it is possible to define a translation process to convert a model of chronic care into a structured description of goals, requirements and key performance indicators. Hypothesis 2: a translation process, if executed through evidence-based, multidisciplinary, holistic and business-oriented elements, can convert a model of chronic care in a descriptive framework, which defines the whole development cycle of innovative solutions for chronic disease management. Hypothesis 3: it is possible to design a method to evaluate processes, outcomes and skill acquisition capacities, and assist multidisciplinary research teams in the creation of innovative solutions for chronic disease management. Hypothesis 4: it is possible to assist the development of innovative solutions for chronic disease management through a reference framework and produce positive effects, measured through key performance indicators. In order to verify the hypotheses, a methodological approach, composed of four Phases that correspond to each one of the stated hypothesis, was defined. Prior to this, a “Phase 0”, consisting in a multi-domain and multi-disciplinary background analysis of the problem (i.e.: systematic adoption of innovation to chronic care), was carried out. During phase 1, in order to verify the first hypothesis, a Knowledge Translation Process (KTP) was developed, starting from the JBI Joanna Briggs Institute (JBI) model of evidence-based healthcare was used (Pearson, 2005) and adding Four Innovation Blocks. These blocks represent an enriched description, added to the JBI model, to accelerate the transformation of evidence-healthcare through innovation; the innovation blocks are built on top of the conclusions drawn after Phase 0. The background analysis gave also indication on the materials and methods to be used for the execution of the KTP, carried out during phase 2, that translates the actual best available evidence for chronic care into action: this resulted in a descriptive Framework, which is a description of a model of chronic care (the Chronic Care Model was chosen, Wagner, 1996) in terms of goals, specified requirements and Key Performance Indicators, and articulated in the three development cycles of innovation (i.e. design, implementation and evaluation). Thanks to this result the second hypothesis was verified. During phase 3, in order to verify the third hypothesis, a mixed-method to evaluate multidisciplinary teams working on innovations for chronic care, was created, based on a mixed-method used for the evaluation of Multidisciplinary Translational Teams (Wooden, 2013). This method adds a procedural dimension to the descriptive component of the Framework, The result of this phase consisted in a draft version of the framework, ready to be tested in a real scenario. During phase 4, a single and multilevel case study, with participant-observation data collection, was carried out, in order to have a complete but at the same time multi-sectorial evaluation of the framework. The activities that the LifeStech research group carried out since 2008 to improve the management of diabetes have been selected as case study. The results achieved showed that the framework allowed to improve the research activities in different directions: the quality and quantity of the research publications that LifeStech has issued, have increased substantially; 2 project grants to improve the management of diabetes, have been assigned: the first is a grant funding applied research while the second is about accelerating innovations into the market; by using the assessment KPIs of the framework, the proof of concept validation of a prototype developed in a research project was transformed into an early stage assessment of innovative eHealth intervention for Diabetes Management, which has been recently included in the repository of innovative practice of the European Innovation Partnership on Active and Health Ageing initiative. The verification of the 4 hypotheses lead to verify the main hypothesis of this research work: it is possible to contribute to bridge the gap between healthcare and innovation and, in turn, improve the way chronic care is delivered by healthcare systems.

Utilización de métodos de visión artificial para PC como apoyo en la automoción

La detección de los bordes de líneas en la carretera es una parte muy importante en los sistemas inteligentes de transportación, así como la detección de objetos tal como vehículos, con la finalidad de informar o prevenir a través de una alerta al conductor o al sistema informático. De aquí nace el interés de analizar algunos métodos de visión artificial (VA) que es un subcampo de la inteligencia artificial, cuyo propósito es programar un computador y que este “entienda” una escena o imagen, algunos de los métodos más comunes en la detección de líneas y vehículos (considerados objetos en nuestra investigación) son la transformada de Hough, el método de Canny, clasificador Haar Cascade, filtros de Fourier, etc. Se desarrollará una aplicación de escritorio o PC (Personal Computer) para el reconocimiento de vehículos y las líneas de bordes, el lenguaje de programación utilizado será Python y la biblioteca OpenCV que contiene más de 500 funciones en el campo de visión por computador. La validación del reconocimiento de objetos se la realizará con una prueba de campo. Este resultado apoyará a la automoción (máquina que se desplaza por acción de un motor como el vehículo) con datos que luego pueden ser procesados.

Aplicación de la celulosa bacteriana a la restauración del patrimonio bibliográfico y documental en papel

La preservación del patrimonio bibliográfico y documental en papel es uno de los mayores retos a los que se enfrentan bibliotecas y archivos de todo el mundo. La búsqueda de soluciones al problema del papel degradado ha sido abordada históricamente desde dos líneas de trabajo predominantes: la conservación de estos documentos mediante la neutralización de los ácidos presentes en ellos con agentes alcalinos, y su restauración mediante el método de laminación fundamentalmente con papel de origen vegetal. Sin embargo, no se ha explorado con éxito la posibilidad de reforzar la celulosa dañada, y el problema sigue sin encontrar una solución satisfactoria. Hasta el día de hoy, el desarrollo de tratamientos basados en biotecnología en la conservación del patrimonio documental ha sido muy escaso, aunque la capacidad de ciertas bacterias de producir celulosa lleva a plantear su uso en el campo de la conservación y restauración del papel. La celulosa bacteriana (CB) es químicamente idéntica a la celulosa vegetal, pero su organización macroscópica es diferente. Sus propiedades únicas (alto grado de cristalinidad, durabilidad, resistencia y biocompatibilidad) han hecho de este material un excelente recurso en diferentes campos. En el desarrollo de esta tesis se ha estudiado el uso de la celulosa bacteriana, de alta calidad, generada por Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291, para restaurar documentos deteriorados y consolidar los que puedan estar en peligro de degradación, evitando así su destrucción y proporcionando al papel que se restaura unas buenas propiedades mecánicas, ópticas y estructurales. Se desarrollan asimismo protocolos de trabajo que permitan la aplicación de dicha celulosa. En primer lugar se seleccionó el medio de cultivo que proporcionó una celulosa adecuada para su uso en restauración. Para ello se evaluó el efecto que tienen sobre la celulosa generada las fuentes de carbono y nitrógeno del medio de cultivo, manteniendo como parámetros fijos la temperatura y el pH inicial del medio, y efectuando los ensayos en condiciones estáticas. Se evaluó, también, el efecto que tiene en la CB la adición de un 1% de etanol al medio de cultivo. Las capas de celulosa se recolectaron a cuatro tiempos distintos, caracterizando en cada uno de ellos el medio de cultivo (pH y consumo de fuente de carbono), y las capas de CB (pH, peso seco y propiedades ópticas y mecánicas). La mejor combinación de fuentes de carbono y nitrógeno resultó ser fructosa más extracto de levadura y extracto de maíz, con o sin etanol, que proporcionaban una buena relación entre la producción de celulosa y el consumo de fuente de carbono, y que generaban una capa de celulosa resistente y homogénea. La adición de etanol al medio de cultivo, si bien aumentaba la productividad, causaba un descenso apreciable de pH. Las capas de CB obtenidas con los medios de cultivo optimizados se caracterizaron en términos de sus índices de desgarro y estallido, propiedades ópticas, microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos-X, espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), grado de polimerización, ángulos de contacto estáticos y dinámicos, y porosimetría de intrusión de mercurio. Por otro lado hay que tener en cuenta que el material restaurado debe ser estable con el tiempo. Por ello esta misma caracterización se efectuó tras someter a las capas de CB a un proceso de envejecimiento acelerado. Los resultados mostraron que la CB resultante tiene un elevado índice de cristalinidad, baja porosidad interna, buenas propiedades mecánicas, y alta estabilidad en el tiempo. Para desarrollar los protocolos de trabajo que permitan la restauración con esta celulosa optimizada, se comienzó con un proceso de selección de los papeles que van a ser restaurados. Se eligieron tres tipos de papeles modelo, hechos con pasta mecánica, química y filtro (antes y después de ser sometidos a un proceso de envejecimiento acelerado), y tres libros viejos adquiridos en el mercado de segunda mano. Estos ejemplares a restaurar se caracterizaron también en términos de sus propiedades mecánicas y fisicoquímicas. El primer protocolo de restauración con CB que se evaluó fue el denominado laminación. Consiste en aplicar un material de refuerzo al documento mediante el uso de un adhesivo. Se seleccionó para ello la CB producida en el medio de cultivo optimizado con un 1% de etanol. Se aplicó un método de purificación alcalino (1 hora a 90 °C en NaOH al 1%) y como adhesivo se seleccionó almidón de trigo. El proceso de laminación se efectuó también con papel japonés (PJ), un material habitualmente utilizado en conservación, para comparar ambos materiales. Se concluyó que no hay diferencias significativas en las características estudiadas entre los dos tipos de materiales de refuerzo. Se caracterizó el material reforzado y, también, después de sufrir un proceso de envejecimiento acelerado. Los papeles laminados con CB mostraban diferencias más marcadas en las propiedades ópticas que los restaurados con PJ, con respecto a los originales. Sin embargo, el texto era más legible cuando el material de restauración era la CB. La mojabilidad disminuía con ambos tipos de refuerzo, aunque en los papeles laminados con CB de manera más marcada e independiente del material a restaurar. Esto se debe a la estructura cerrada de la CB, que también conduce a una disminución en la permeabilidad al aire. Este estudio sugiere que la CB mejora la calidad del papel deteriorado, sin alterar la información que contiene, y que esta mejora se mantiene a lo largo del tiempo. Por tanto, la CB puede ser utilizada como material de refuerzo para laminar, pudiendo ser más adecuada que el PJ para ciertos tipos de papeles. El otro método de restauración que se estudió fue la generación in situ de la CB sobre el papel a restaurar. Para ello se seleccionó el medio de cultivo sin etanol, ya que el descenso de pH que causaba su presencia podría dañar el documento a restaurar. El método de purificación elegido fue un tratamiento térmico (24 horas a 65 °C), menos agresivo para el material a restaurar que el tratamiento alcalino. Se seleccionó la aplicación del medio de cultivo con la bacteria mediante pincel sobre el material a restaurar. Una vez caracterizado el material restaurado, y éste mismo tras sufrir un proceso de envejecimiento acelerado, se concluyó que no hay modificación apreciable en ninguna característica, salvo en la permeabilidad al aire, que disminuye de manera muy evidente con la generación de CB, dando lugar a un material prácticamente impermeable al aire. En general se puede concluir que ha quedado demostrada la capacidad que tiene la celulosa generada por la bacteria Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291 para ser utilizada como material de refuerzo en la restauración del patrimonio documental en papel. Asimismo se han desarrollado dos métodos de aplicación, uno ex situ y otro in situ, para efectuar esta tarea de restauración. ABSTRACT The preservation of bibliographic and documentary heritage is one of the biggest challenges that libraries and archives around the world have to face. The search for solutions to the problem of degraded paper has historically been focused from two predominants lines of work: the conservation of these documents by the neutralization of acids in them with alkaline agents, and their restoration by lining them with, basically, cellulose from vegetal sources. However, the possibility of strengthening the damaged cellulose has not been successfully explored, and the problem still persists. Until today, the development of biotechnology-based treatments in documentary heritage conservation has been scarce, although the ability of certain bacteria to produce cellulose takes to propose its use in the field of conservation and restoration of paper. The bacterial cellulose (BC) is chemically identical to the plant cellulose, but its macroscopic organization is different. Its unique properties (high degree of crystallinity, durability, strength and biocompatibility), makes it an excellent resource in different fields. The use of high-quality BC generated by Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291 to restore damaged documents and to consolidate those that may be at risk of degradation, has been studied in this thesis, trying to prevent the document destruction, and to get reinforced papers with good mechanical, optical and structural properties. Protocols that allow the implementation of the BC as a reinforcing material were also developed. First of all, in order to select the culture medium that provides a cellulose suitable for its use in restoration, it has been evaluated the effect that the carbon and nitrogen sources from the culture medium have on the generated BC, keeping the temperature and the initial pH of the medium as fixed parameters, and performing the culture without shaking. The effect of the addition of 1% ethanol to the culture medium on BC properties was also evaluated. The cellulose layers were collected at four different times, characterizing in all of them the culture medium (pH and carbon source consumption), and the BC sheets (pH, dry weight and optical and mechanical properties). The best combination of carbon and nitrogen sources proved to be fructose plus yeast extract and corn steep liquor, with or without ethanol, which provided a good balance between the cellulose production and the consumption of carbon source, and generating BC sheets homogeneous and resistant. The addition of ethanol to the culture medium increased productivity but caused a noticeable decrement in pH. The BC layers generated with these optimized culture media, have been characterized in terms of tear and burst index, optical properties, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction, infrared Fourier transform spectroscopy (FTIR), polymerization degree, static and dynamic contact angles, and mercury intrusion porosimetry. Moreover it must be kept in mind that the restored materials should be stable over time. Therefore, the same characterization was performed after subjecting the layers of BC to an accelerated aging process. The results showed that the BC sheets obtained have a high crystallinity index, low internal porosity, good mechanical properties, and high stability over time. To develop working protocols to use this optimized BC in paper restoration, the first step was to select the samples to restore. Three types of model papers, made from mechanical pulp, chemical pulp and filter paper (before and after an accelerated aging process), and three old books purchased in the second hand market, were chosen. These specimens to be restored were also characterized in terms of its mechanical and physicochemical properties. The first protocol of restoration with BC to be evaluated is called linning. It consists on applying a reinforcing material to the document using an adhesive. The BC produced in the optimized culture medium with 1% ethanol was selected. An alkali purification method (1 hour at 90 °C in 1% NaOH) was applied, and wheat starch was selected as adhesive. The linning process was also carried out with Japanese paper (JP), a material commonly used in conservation, in order to compare both materials. It was concluded that there are no significant differences in the characteristics studied of the two types of reinforcing materials. The reinforced materials were characterized before and after undergoing to an accelerated aging. Papers lined with BC showed more marked differences in the optical properties that papers restored with JP. However, the text was more readable when BC was the reinforcing material. Wettability decreased with both types of reinforcement, although in the papers linned with BC it happened more marked and independently of the sample to restore. This is due to the closed structure of BC, which also leads to a decrement in air permeance. This study suggests that BC improves the deteriorated paper quality, without altering the information on it, and that this improvement is maintained over time. Therefore, the BC may be used as reinforcing material for linning, being more suitable than the JP to restore certain types of papers. The other restoration method to be evaluated was the in situ generation of BC over the paper to restore. For this purpose the culture medium without ethanol was selected, as the pH decrement caused by his presence would damage the document to restore. As purification method a heat treatment (24 hours at 65 °C) was chosen, less aggressive to the material to restore than the alkaline treatment. It was decided to apply the culture medium with the bacteria onto the material to restore with a brush. The reinforced material was characterized before and after an accelerated aging process. It was concluded that there was no substantial change in any characteristic, except for air permeance, which decreases very sharply after the generation of BC, getting a substantially air impermeable material. In general, it can be concluded that the ability of BC produced by Gluconacetobacter sucrofermentans CECT 7291 for its use as a reinforcing material in the restoration of paper documentary heritage, has been demonstrated. Also, two restoration methods, one ex situ and another in situ have been developed.

Biometric authentication of users through iris by using key binding and similarity preserving hash functions = Autenticación biométrica de usuarios a través del iris mediante la ocultación de claves y funciones resumen que preservan la similitud

El extraordinario auge de las nuevas tecnologías de la información, el desarrollo de la Internet de las Cosas, el comercio electrónico, las redes sociales, la telefonía móvil y la computación y almacenamiento en la nube, han proporcionado grandes beneficios en todos los ámbitos de la sociedad. Junto a éstos, se presentan nuevos retos para la protección y privacidad de la información y su contenido, como la suplantación de personalidad y la pérdida de la confidencialidad e integridad de los documentos o las comunicaciones electrónicas. Este hecho puede verse agravado por la falta de una frontera clara que delimite el mundo personal del mundo laboral en cuanto al acceso de la información. En todos estos campos de la actividad personal y laboral, la Criptografía ha jugado un papel fundamental aportando las herramientas necesarias para garantizar la confidencialidad, integridad y disponibilidad tanto de la privacidad de los datos personales como de la información. Por otro lado, la Biometría ha propuesto y ofrecido diferentes técnicas con el fin de garantizar la autentificación de individuos a través del uso de determinadas características personales como las huellas dáctilares, el iris, la geometría de la mano, la voz, la forma de caminar, etc. Cada una de estas dos ciencias, Criptografía y Biometría, aportan soluciones a campos específicos de la protección de datos y autentificación de usuarios, que se verían enormemente potenciados si determinadas características de ambas ciencias se unieran con vistas a objetivos comunes. Por ello es imperativo intensificar la investigación en estos ámbitos combinando los algoritmos y primitivas matemáticas de la Criptografía con la Biometría para dar respuesta a la demanda creciente de nuevas soluciones más técnicas, seguras y fáciles de usar que potencien de modo simultáneo la protección de datos y la identificacíón de usuarios. En esta combinación el concepto de biometría cancelable ha supuesto una piedra angular en el proceso de autentificación e identificación de usuarios al proporcionar propiedades de revocación y cancelación a los ragos biométricos. La contribución de esta tesis se basa en el principal aspecto de la Biometría, es decir, la autentificación segura y eficiente de usuarios a través de sus rasgos biométricos, utilizando tres aproximaciones distintas: 1. Diseño de un esquema criptobiométrico borroso que implemente los principios de la biometría cancelable para identificar usuarios lidiando con los problemas acaecidos de la variabilidad intra e inter-usuarios. 2. Diseño de una nueva función hash que preserva la similitud (SPHF por sus siglas en inglés). Actualmente estas funciones se usan en el campo del análisis forense digital con el objetivo de buscar similitudes en el contenido de archivos distintos pero similares de modo que se pueda precisar hasta qué punto estos archivos pudieran ser considerados iguales. La función definida en este trabajo de investigación, además de mejorar los resultados de las principales funciones desarrolladas hasta el momento, intenta extender su uso a la comparación entre patrones de iris. 3. Desarrollando un nuevo mecanismo de comparación de patrones de iris que considera tales patrones como si fueran señales para compararlos posteriormente utilizando la transformada de Walsh-Hadarmard. Los resultados obtenidos son excelentes teniendo en cuenta los requerimientos de seguridad y privacidad mencionados anteriormente. Cada uno de los tres esquemas diseñados han sido implementados para poder realizar experimentos y probar su eficacia operativa en escenarios que simulan situaciones reales: El esquema criptobiométrico borroso y la función SPHF han sido implementados en lenguaje Java mientras que el proceso basado en la transformada de Walsh-Hadamard en Matlab. En los experimentos se ha utilizado una base de datos de imágenes de iris (CASIA) para simular una población de usuarios del sistema. En el caso particular de la función de SPHF, además se han realizado experimentos para comprobar su utilidad en el campo de análisis forense comparando archivos e imágenes con contenido similar y distinto. En este sentido, para cada uno de los esquemas se han calculado los ratios de falso negativo y falso positivo. ABSTRACT The extraordinary increase of new information technologies, the development of Internet of Things, the electronic commerce, the social networks, mobile or smart telephony and cloud computing and storage, have provided great benefits in all areas of society. Besides this fact, there are new challenges for the protection and privacy of information and its content, such as the loss of confidentiality and integrity of electronic documents and communications. This is exarcebated by the lack of a clear boundary between the personal world and the business world as their differences are becoming narrower. In both worlds, i.e the personal and the business one, Cryptography has played a key role by providing the necessary tools to ensure the confidentiality, integrity and availability both of the privacy of the personal data and information. On the other hand, Biometrics has offered and proposed different techniques with the aim to assure the authentication of individuals through their biometric traits, such as fingerprints, iris, hand geometry, voice, gait, etc. Each of these sciences, Cryptography and Biometrics, provides tools to specific problems of the data protection and user authentication, which would be widely strengthen if determined characteristics of both sciences would be combined in order to achieve common objectives. Therefore, it is imperative to intensify the research in this area by combining the basics mathematical algorithms and primitives of Cryptography with Biometrics to meet the growing demand for more secure and usability techniques which would improve the data protection and the user authentication. In this combination, the use of cancelable biometrics makes a cornerstone in the user authentication and identification process since it provides revocable or cancelation properties to the biometric traits. The contributions in this thesis involve the main aspect of Biometrics, i.e. the secure and efficient authentication of users through their biometric templates, considered from three different approaches. The first one is designing a fuzzy crypto-biometric scheme using the cancelable biometric principles to take advantage of the fuzziness of the biometric templates at the same time that it deals with the intra- and inter-user variability among users without compromising the biometric templates extracted from the legitimate users. The second one is designing a new Similarity Preserving Hash Function (SPHF), currently widely used in the Digital Forensics field to find similarities among different files to calculate their similarity level. The function designed in this research work, besides the fact of improving the results of the two main functions of this field currently in place, it tries to expand its use to the iris template comparison. Finally, the last approach of this thesis is developing a new mechanism of handling the iris templates, considering them as signals, to use the Walsh-Hadamard transform (complemented with three other algorithms) to compare them. The results obtained are excellent taking into account the security and privacy requirements mentioned previously. Every one of the three schemes designed have been implemented to test their operational efficacy in situations that simulate real scenarios: The fuzzy crypto-biometric scheme and the SPHF have been implemented in Java language, while the process based on the Walsh-Hadamard transform in Matlab. The experiments have been performed using a database of iris templates (CASIA-IrisV2) to simulate a user population. The case of the new SPHF designed is special since previous to be applied i to the Biometrics field, it has been also tested to determine its applicability in the Digital Forensic field comparing similar and dissimilar files and images. The ratios of efficiency and effectiveness regarding user authentication, i.e. False Non Match and False Match Rate, for the schemes designed have been calculated with different parameters and cases to analyse their behaviour.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

Monitorización de estructuras aeronáuticas mediante técnicas de inteligencia artificial

Una de las barreras para la aplicación de las técnicas de monitorización de la integridad estructural (SHM) basadas en ondas elásticas guiadas (GLW) en aeronaves es la influencia perniciosa de las condiciones ambientales y de operación (EOC). En esta tesis se ha estudiado dicha influencia y la compensación de la misma, particularizando en variaciones del estado de carga y temperatura. La compensación de dichos efectos se fundamenta en Redes Neuronales Artificiales (ANN) empleando datos experimentales procesados con la Transformada Chirplet. Los cambios en la geometría y en las propiedades del material respecto al estado inicial de la estructura (lo daños) provocan cambios en la forma de onda de las GLW (lo que denominamos característica sensible al daño o DSF). Mediante técnicas de tratamiento de señal se puede buscar una relación entre dichas variaciones y los daños, esto se conoce como SHM. Sin embargo, las variaciones en las EOC producen también cambios en los datos adquiridos relativos a las GLW (DSF) que provocan errores en los algoritmos de diagnóstico de daño (SHM). Esto sucede porque las firmas de daño y de las EOC en la DSF son del mismo orden. Por lo tanto, es necesario cuantificar y compensar el efecto de las EOC sobre la GLW. Si bien existen diversas metodologías para compensar los efectos de las EOC como por ejemplo “Optimal Baseline Selection” (OBS) o “Baseline Signal Stretching” (BSS), estas, se emplean exclusivamente en la compensación de los efectos térmicos. El método propuesto en esta tesis mezcla análisis de datos experimentales, como en el método OBS, y modelos basados en Redes Neuronales Artificiales (ANN) que reemplazan el modelado físico requerido por el método BSS. El análisis de datos experimentales consiste en aplicar la Transformada Chirplet (CT) para extraer la firma de las EOC sobre la DSF. Con esta información, obtenida bajo diversas EOC, se entrena una ANN. A continuación, la ANN actuará como un interpolador de referencias de la estructura sin daño, generando información de referencia para cualquier EOC. La comparación de las mediciones reales de la DSF con los valores simulados por la ANN, dará como resultado la firma daño en la DSF, lo que permite el diagnóstico de daño. Este esquema se ha aplicado y verificado, en diversas EOC, para una estructura unidimensional con un único camino de daño, y para una estructura representativa de un fuselaje de una aeronave, con curvatura y múltiples elementos rigidizadores, sometida a un estado de cargas complejo, con múltiples caminos de daños. Los efectos de las EOC se han estudiado en detalle en la estructura unidimensional y se han generalizado para el fuselaje, demostrando la independencia del método respecto a la configuración de la estructura y el tipo de sensores utilizados para la adquisición de datos GLW. Por otra parte, esta metodología se puede utilizar para la compensación simultánea de una variedad medible de EOC, que afecten a la adquisición de datos de la onda elástica guiada. El principal resultado entre otros, de esta tesis, es la metodología CT-ANN para la compensación de EOC en técnicas SHM basadas en ondas elásticas guiadas para el diagnóstico de daño. ABSTRACT One of the open problems to implement Structural Health Monitoring techniques based on elastic guided waves in real aircraft structures at operation is the influence of the environmental and operational conditions (EOC) on the damage diagnosis problem. This thesis deals with the compensation of these environmental and operational effects, specifically, the temperature and the external loading, by the use of the Chirplet Transform working with Artificial Neural Networks. It is well known that the guided elastic wave form is affected by the damage appearance (what is known as the damage sensitive feature or DSF). The DSF is modified by the temperature and by the load applied to the structure. The EOC promotes variations in the acquired data (DSF) and cause mistakes in damage diagnosis algorithms. This effect promotes changes on the waveform due to the EOC variations of the same order than the damage occurrence. It is difficult to separate both effects in order to avoid damage diagnosis mistakes. Therefore it is necessary to quantify and compensate the effect of EOC over the GLW forms. There are several approaches to compensate the EOC effects such as Optimal Baseline Selection (OBS) or Baseline Signal Stretching (BSS). Usually, they are used for temperature compensation. The new method proposed here mixes experimental data analysis, as in the OBS method, and Artificial Neural Network (ANN) models to replace the physical modelling which involves the BSS method. The experimental data analysis studied is based on apply the Chirplet Transform (CT) to extract the EOC signature on the DSF. The information obtained varying EOC is employed to train an ANN. Then, the ANN will act as a baselines interpolator of the undamaged structure. The ANN generates reference information at any EOC. By comparing real measurements of the DSF against the ANN simulated values, the damage signature appears clearly in the DSF, enabling an accurate damage diagnosis. This schema has been applied in a range of EOC for a one-dimensional structure containing single damage path and two dimensional real fuselage structure with stiffener elements and multiple damage paths. The EOC effects tested in the one-dimensional structure have been generalized to the fuselage showing its independence from structural arrangement and the type of sensors used for GLW data acquisition. Moreover, it can be used for the simultaneous compensation of a variety of measurable EOC, which affects the guided wave data acquisition. The main result, among others, of this thesis is the CT-ANN methodology for the compensation of EOC in GLW based SHM technique for damage diagnosis.

Nuevos ecocomposites a partir de residuos plásticos y celulósicos. Absorción de agua.

El plástico se ha convertido en el material del siglo XXI. Se adapta a múltiples aplicaciones, por eso se emplea para todo tipo de propósitos, entre los cuales destaca el empaquetado por su versatilidad, flexibilidad y durabilidad. Un efecto directo de su continuo uso es la producción de residuos poliméricos, que tras su utilización, se desechan. A partir de ese momento, solo existen dos vías de acción: reciclado y vertido. El vertido de residuos se ha convertido en un grave problema del día a día. En consecuencia, se deben tomar medidas para evitar su acumulación, que implica grandes problemas medioambientales que afectan tanto a personas como a fauna y flora. Por consiguiente, para evitar el desaprovechamiento de una buena parte de los residuos, de aquellos que son plásticos, se lleva a cabo su reciclado. Existen tres tipos de reciclado para los materiales poliméricos: el mecánico o convencional, el químico y la valorización energética. El más sostenible de todos ellos es el reciclado mecánico que además es el empleado para la elaboración de las probetas de este estudio. El reciclado convencional posee varias etapas, entre las cuales destacan fundir el plástico y procesarlo posteriormente. El producto final aparece en forma de pellets, que pueden ser transformados según el uso ulterior. El polímero generado posee una calidad inferior a la de los materiales vírgenes, dado que durante su utilización ha podido ser contaminado por otras substancias. Por tanto, no puede emplearse para muchos de sus pasados usos si no es reforzado con algún otro material. Es entonces cuando surgen los ecocomposites o biocomposites. Los ecocomposites son unos materiales compuestos de matriz polimérica, que presentan especiales ventajas medioambientales, porque utilizan refuerzos celulósicos de fuentes renovables y/o matrices de plásticos reciclados. En nuestro caso, la matriz es una mezcla de residuos plásticos agrarios (RAP) y urbanos, que principalmente están formados por polietileno de alta densidad (HDPE). Por sí solos estos plásticos reciclados, no poseen las cualidades necesarias para su utilización. Por consiguiente, se refuerzan con fibras de celulosa. Estas hebras añadidas también son residuales ya que carecen de las propiedades adecuadas para la fabricación de papel y, en lugar de ser incineradas o desechadas, se emplean en los ecocomposites como ayuda para soportar los esfuerzos mecánicos. Otro beneficio medioambiental del uso de la celulosa, es que hace que los ecocomposites sean más biodegradables en comparación con las fibras minerales que se añaden en los otros composites. Cabe mencionar que, al tratarse de un material totalmente reciclado, también genera una serie de ventajas económicas y sociales. El reciclado mecánico necesita de trabajadores que lleven a cabo la labor. De este modo, aparecen nuevos puestos de trabajo que dan solución a problemas sociales de la población. El reciclado de plásticos irá aumentando durante los próximos años dado que en 2014 la Comunidad Europea fijó como objetivo una economía circular que implica procesar todos los residuos para evitar su acumulación. En la actualidad, aún no se reciclan gran cantidad de plásticos agrarios. Sin embargo, con este compromiso se espera un aumento del volumen de PE agrícola reciclado mecánicamente, ya que el origen del material obtenido a partir de ellos es ecológico y favorece el cuidado del medio ambiente, al emplear materiales de desecho en la generación de los nuevos. Combinando los plásticos reciclados y la celulosa, se crea un material respetuoso con el medio ambiente. No obstante, existe un motivo mayor para su fabricación: se trata de un compuesto con propiedades mecánicas optimizadas que se adapta a numerosas aplicaciones como mobiliario urbano, señales de tráfico… Sus características aúnan los beneficios de unir ambos materiales. Por un lado, la baja densidad, las posibilidades de reciclado y la alta resistencia al impacto aportadas por el plástico. Por el otro, las hebras celulósicas mejoran notablemente el módulo de Young, la rigidez y el límite de tensión que son capaces de soportar con respecto a probetas de misma forma pero sin fibras. Estas propiedades no son las únicas que se modifican al combinar las dos substancias. El refuerzo, al tratarse de un material hidrófilo, tenderá a atrapar la humedad ambiental. Como consecuencia, se producirá un hinchamiento que es posible que repercuta en la estabilidad dimensional del material durante su uso. Asimismo, si la celulosa está en contacto continuo con agua, modifica su naturaleza ya que se producen una serie de cambios en su estructura. El agua genera también la rotura de las interacciones fibra-matriz en la interfase del material compuesto, lo que reduce grandemente las propiedades del ecocomposite. Así pues, la absorción de agua es uno de los principales problemas de estos materiales y limita sus aplicaciones y también la reciclabilidad de los residuos celulósicos y plásticos. Por lo tanto, el principal objetivo de este proyecto es la caracterización tanto de la cinética como del mecanismo de la absorción de agua en los ecocomposites a través de varias técnicas y ensayos siempre con el fin último de reducir la absorción de agua y mejorar las propiedades y las aplicaciones de estos materiales reciclados. Se estudiaron ecocomposites obtenidos a partir de residuos plásticos agrarios y urbanos, con una cantidad variable de celulosa residual, entre 25 y 35%. A algunos de ellos se les había añadido un peróxido orgánico en proporción del 0,025% o 0,05% en peso. Una parte de los materiales había sido sometida a un envejecimiento acelerado de 100, 250 o 500 horas en cámara climática, donde se exponen a calor y humedad. La proporción no constante de celulosa se empleó para descubrir cuánto afecta su variación en la absorción de agua. El peróxido estaba presente como ayuda para entrecruzar la matriz con el refuerzo, que ya se había comprobado que mejoraba las propiedades mecánicas del material, y se pretendía investigar si también podía causar una mejora en la absorción de agua, o bien suponía un empeoramiento. Por último, se pretendía estudiar si el envejecimiento de estos materiales altera la absorción de agua. La absorción se caracterizó principalmente a través de tres procedimientos, todos ellos basados en la medición de ciertas propiedades tras la inmersión de las muestras en viales con agua destilada. Por un lado, se controló la absorción midiendo la ganancia de masa de las muestras mediante una balanza analítica. Por otro lado, se midió el hinchamiento de las probetas a lo largo del tiempo. Finalmente, se caracterizó el agua absorbida y se midió la absorción mediante espectrofotometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), lo que suministró información sobre los tipos de agua absorbida y los mecanismos de absorción. En el estudio del hinchamiento y de la absorción por gravimetría se tomaron todas las muestras, con una y dos replicaciones. Para la espectrofotometría se analizaron los filmes de código 43500, 43505, 43520 y 43525. La absorción de agua es un fenómeno que se puede explicar en muchos casos a través de la segunda ley de Fick. Para poder emplear esta ley, se toman como hipótesis que la difusión es no estacionaria, la presión y la temperatura son constantes y se trata de difusión unidireccional. Para la aplicación de esta teoría, es necesario que las muestras sean láminas bidimensionales de espesor despreciable. Los coeficientes de difusión se pueden calcular mediante una serie de métodos propuestos por Crank en The Mathematics of Diffusion [5] que recopilan soluciones a esta segunda ley de Fick. La absorción de agua fue aumentando con el tiempo. Inicialmente, el gradiente es superior; esto es, se absorbió más durante las primeras horas de inmersión. Para que la difusión sea Fickiana, el proceso debe ser reversible y alcanzarse un valor de equilibrio de absorción. Nuestros resultados indican que esto no se cumple para largos tiempos de inmersión ya que la teoría predice que la masa absorbida tiende a un valor constante en el equilibrio, mientras que los datos experimentales muestran una tendencia de la absorción a crecer indefinidamente Para tiempos cortos inferiores a 50h, al tratarse de pocas horas de inmersión, el material no se degrada, por lo que el proceso puede describirse como Fickiano. Se calcularon los coeficientes de difusión aparentes y valor estable de cantidad de agua al que tiende la absorción cuando el comportamiento es Fickiano. Los resultados indican que la celulosa afecta considerablemente a la absorción, favoreciéndola cuanto mayor es el porcentaje de fibras. Asimismo, el peróxido no tiene un efecto reseñable en la absorción, porque aúna dos efectos contrarios: favorece el entrecruzamiento de la interfase matriz-refuerzo y degrada parcialmente el material, sobre todo las impurezas de polipropileno en el rHDPE. Finalmente, el envejecimiento muestra una tendencia a facilitar la absorción, pero es importante señalar que esta tendencia desaparece cuando se utiliza peróxido en la composición del ecocomposite, por lo que el peróxido puede aumentar la duración del material. Por último, la espectroscopía FTIR fue muy útil para conocer los tipos de agua que se encuentran en el interior del material, ya que el espectro infrarrojo del agua absorbida depende de cómo se encuentre unida al material. La espectroscopía FTIR ha permitido también observar la cinética de absorción de los diferentes tipos de agua por separado. La absorción del agua libre y el agua ligada se describe bien mediante un modelo Fickiano. La bondad del ajuste para un comportamiento Fickiano es alta. Así pues, los resultados obtenidos aportan información sobre la cinética y los mecanismos de absorción de agua y han mostrado que la absorción depende del contenido en celulosa y no empeora por la adición de peróxido. Por el contrario, el peróxido añadido parece reducir la absorción en materiales envejecidos, lo que puede contribuir a aumentar la duración de estos materiales y mejorar así la reciclabilidad de los residuos empleados.

Brain-Computer Interfaces: Desarrollo de un sistema de identificación de estados mentales alfa

En el mundo actual las aplicaciones basadas en sistemas biométricos, es decir, aquellas que miden las señales eléctricas de nuestro organismo, están creciendo a un gran ritmo. Todos estos sistemas incorporan sensores biomédicos, que ayudan a los usuarios a controlar mejor diferentes aspectos de la rutina diaria, como podría ser llevar un seguimiento detallado de una rutina deportiva, o de la calidad de los alimentos que ingerimos. Entre estos sistemas biométricos, los que se basan en la interpretación de las señales cerebrales, mediante ensayos de electroencefalografía o EEG están cogiendo cada vez más fuerza para el futuro, aunque están todavía en una situación bastante incipiente, debido a la elevada complejidad del cerebro humano, muy desconocido para los científicos hasta el siglo XXI. Por estas razones, los dispositivos que utilizan la interfaz cerebro-máquina, también conocida como BCI (Brain Computer Interface), están cogiendo cada vez más popularidad. El funcionamiento de un sistema BCI consiste en la captación de las ondas cerebrales de un sujeto para después procesarlas e intentar obtener una representación de una acción o de un pensamiento del individuo. Estos pensamientos, correctamente interpretados, son posteriormente usados para llevar a cabo una acción. Ejemplos de aplicación de sistemas BCI podrían ser mover el motor de una silla de ruedas eléctrica cuando el sujeto realice, por ejemplo, la acción de cerrar un puño, o abrir la cerradura de tu propia casa usando un patrón cerebral propio. Los sistemas de procesamiento de datos están evolucionando muy rápido con el paso del tiempo. Los principales motivos son la alta velocidad de procesamiento y el bajo consumo energético de las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Además, las FPGAs cuentan con una arquitectura reconfigurable, lo que las hace más versátiles y potentes que otras unidades de procesamiento como las CPUs o las GPUs.En el CEI (Centro de Electrónica Industrial), donde se lleva a cabo este TFG, se dispone de experiencia en el diseño de sistemas reconfigurables en FPGAs. Este TFG es el segundo de una línea de proyectos en la cual se busca obtener un sistema capaz de procesar correctamente señales cerebrales, para llegar a un patrón común que nos permita actuar en consecuencia. Más concretamente, se busca detectar cuando una persona está quedándose dormida a través de la captación de unas ondas cerebrales, conocidas como ondas alfa, cuya frecuencia está acotada entre los 8 y los 13 Hz. Estas ondas, que aparecen cuando cerramos los ojos y dejamos la mente en blanco, representan un estado de relajación mental. Por tanto, este proyecto comienza como inicio de un sistema global de BCI, el cual servirá como primera toma de contacto con el procesamiento de las ondas cerebrales, para el posterior uso de hardware reconfigurable sobre el cual se implementarán los algoritmos evolutivos. Por ello se vuelve necesario desarrollar un sistema de procesamiento de datos en una FPGA. Estos datos se procesan siguiendo la metodología de procesamiento digital de señales, y en este caso se realiza un análisis de la frecuencia utilizando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Una vez desarrollado el sistema de procesamiento de los datos, se integra con otro sistema que se encarga de captar los datos recogidos por un ADC (Analog to Digital Converter), conocido como ADS1299. Este ADC está especialmente diseñado para captar potenciales del cerebro humano. De esta forma, el sistema final capta los datos mediante el ADS1299, y los envía a la FPGA que se encarga de procesarlos. La interpretación es realizada por los usuarios que analizan posteriormente los datos procesados. Para el desarrollo del sistema de procesamiento de los datos, se dispone primariamente de dos plataformas de estudio, a partir de las cuales se captarán los datos para después realizar el procesamiento: 1. La primera consiste en una herramienta comercial desarrollada y distribuida por OpenBCI, proyecto que se dedica a la venta de hardware para la realización de EEG, así como otros ensayos. Esta herramienta está formada por un microprocesador, un módulo de memoria SD para el almacenamiento de datos, y un módulo de comunicación inalámbrica que transmite los datos por Bluetooth. Además cuenta con el mencionado ADC ADS1299. Esta plataforma ofrece una interfaz gráfica que sirve para realizar la investigación previa al diseño del sistema de procesamiento, al permitir tener una primera toma de contacto con el sistema. 2. La segunda plataforma consiste en un kit de evaluación para el ADS1299, desde la cual se pueden acceder a los diferentes puertos de control a través de los pines de comunicación del ADC. Esta plataforma se conectará con la FPGA en el sistema integrado. Para entender cómo funcionan las ondas más simples del cerebro, así como saber cuáles son los requisitos mínimos en el análisis de ondas EEG se realizaron diferentes consultas con el Dr Ceferino Maestu, neurofisiólogo del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la UPM. Él se encargó de introducirnos en los distintos procedimientos en el análisis de ondas en electroencefalogramas, así como la forma en que se deben de colocar los electrodos en el cráneo. Para terminar con la investigación previa, se realiza en MATLAB un primer modelo de procesamiento de los datos. Una característica muy importante de las ondas cerebrales es la aleatoriedad de las mismas, de forma que el análisis en el dominio del tiempo se vuelve muy complejo. Por ello, el paso más importante en el procesamiento de los datos es el paso del dominio temporal al dominio de la frecuencia, mediante la aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform), donde se pueden analizar con mayor precisión los datos recogidos. El modelo desarrollado en MATLAB se utiliza para obtener los primeros resultados del sistema de procesamiento, el cual sigue los siguientes pasos. 1. Se captan los datos desde los electrodos y se escriben en una tabla de datos. 2. Se leen los datos de la tabla. 3. Se elige el tamaño temporal de la muestra a procesar. 4. Se aplica una ventana para evitar las discontinuidades al principio y al final del bloque analizado. 5. Se completa la muestra a convertir con con zero-padding en el dominio del tiempo. 6. Se aplica la FFT al bloque analizado con ventana y zero-padding. 7. Los resultados se llevan a una gráfica para ser analizados. Llegados a este punto, se observa que la captación de ondas alfas resulta muy viable. Aunque es cierto que se presentan ciertos problemas a la hora de interpretar los datos debido a la baja resolución temporal de la plataforma de OpenBCI, este es un problema que se soluciona en el modelo desarrollado, al permitir el kit de evaluación (sistema de captación de datos) actuar sobre la velocidad de captación de los datos, es decir la frecuencia de muestreo, lo que afectará directamente a esta precisión. Una vez llevado a cabo el primer procesamiento y su posterior análisis de los resultados obtenidos, se procede a realizar un modelo en Hardware que siga los mismos pasos que el desarrollado en MATLAB, en la medida que esto sea útil y viable. Para ello se utiliza el programa XPS (Xilinx Platform Studio) contenido en la herramienta EDK (Embedded Development Kit), que nos permite diseñar un sistema embebido. Este sistema cuenta con: Un microprocesador de tipo soft-core llamado MicroBlaze, que se encarga de gestionar y controlar todo el sistema; Un bloque FFT que se encarga de realizar la transformada rápida Fourier; Cuatro bloques de memoria BRAM, donde se almacenan los datos de entrada y salida del bloque FFT y un multiplicador para aplicar la ventana a los datos de entrada al bloque FFT; Un bus PLB, que consiste en un bus de control que se encarga de comunicar el MicroBlaze con los diferentes elementos del sistema. Tras el diseño Hardware se procede al diseño Software utilizando la herramienta SDK(Software Development Kit).También en esta etapa se integra el sistema de captación de datos, el cual se controla mayoritariamente desde el MicroBlaze. Por tanto, desde este entorno se programa el MicroBlaze para gestionar el Hardware que se ha generado. A través del Software se gestiona la comunicación entre ambos sistemas, el de captación y el de procesamiento de los datos. También se realiza la carga de los datos de la ventana a aplicar en la memoria correspondiente. En las primeras etapas de desarrollo del sistema, se comienza con el testeo del bloque FFT, para poder comprobar el funcionamiento del mismo en Hardware. Para este primer ensayo, se carga en la BRAM los datos de entrada al bloque FFT y en otra BRAM los datos de la ventana aplicada. Los datos procesados saldrán a dos BRAM, una para almacenar los valores reales de la transformada y otra para los imaginarios. Tras comprobar el correcto funcionamiento del bloque FFT, se integra junto al sistema de adquisición de datos. Posteriormente se procede a realizar un ensayo de EEG real, para captar ondas alfa. Por otro lado, y para validar el uso de las FPGAs como unidades ideales de procesamiento, se realiza una medición del tiempo que tarda el bloque FFT en realizar la transformada. Este tiempo se compara con el tiempo que tarda MATLAB en realizar la misma transformada a los mismos datos. Esto significa que el sistema desarrollado en Hardware realiza la transformada rápida de Fourier 27 veces más rápido que lo que tarda MATLAB, por lo que se puede ver aquí la gran ventaja competitiva del Hardware en lo que a tiempos de ejecución se refiere. En lo que al aspecto didáctico se refiere, este TFG engloba diferentes campos. En el campo de la electrónica:  Se han mejorado los conocimientos en MATLAB, así como diferentes herramientas que ofrece como FDATool (Filter Design Analysis Tool).  Se han adquirido conocimientos de técnicas de procesado de señal, y en particular, de análisis espectral.  Se han mejorado los conocimientos en VHDL, así como su uso en el entorno ISE de Xilinx.  Se han reforzado los conocimientos en C mediante la programación del MicroBlaze para el control del sistema.  Se ha aprendido a crear sistemas embebidos usando el entorno de desarrollo de Xilinx usando la herramienta EDK (Embedded Development Kit). En el campo de la neurología, se ha aprendido a realizar ensayos EEG, así como a analizar e interpretar los resultados mostrados en el mismo. En cuanto al impacto social, los sistemas BCI afectan a muchos sectores, donde destaca el volumen de personas con discapacidades físicas, para los cuales, este sistema implica una oportunidad de aumentar su autonomía en el día a día. También otro sector importante es el sector de la investigación médica, donde los sistemas BCIs son aplicables en muchas aplicaciones como, por ejemplo, la detección y estudio de enfermedades cognitivas.

Contribución al análisis multiescala de señales. Aplicación a imágenes de suelos agrícolas y series financieras

En el campo del análisis multirresolución de señales, bien sean señales unidimensionales o imágenes, la transformada wavelet (u ondícula) es una de las herramientas más atractivas y potentes debido a su capacidad de análisis de las estructuras y singularidades presentes en una señal cuando esta es analizada en distintas escalas. Este trabajo parte de la investigación de cómo la modificación directa de los coeficientes wavelets permite añadir información en forma de marcas de agua a una imagen o también como con las mismas técnicas se pueden realizar esquemas relativamente sencillos de eliminación de ruido en imágenes. Estas aplicaciones son el primer paso para entender qué información capturan los coeficientes wavelet obtenidos mediante las distintas versiones existentes de transformada wavelet Siguiendo la relación entre el módulo de los coeficientes wavelets resultantes en distintas escalas llegamos a poder caracterizar las singularidades presentes en señales o imágenes con aplicaciones prácticas en campos como el análisis de imágenes mamográficas. Esta relación no es más que el primer paso para enlazar la teoría wavelet con el formalismo multifractal, relación definida en primera instancia a partir de la transforma wavelet de módulo máximo. El análisis entre señal, transformada wavelet de módulo máximo e información local de cada coeficiente wavelet da origen a la contribución principal de este trabajo de tesis que consiste en la estimación directa de distintos parámetros multifractales a partir del cálculo de coeficientes derivados de manera local para cada muestra de una señal o pixel de una imagen. La metodología propuesta se aplica en primer lugar a señales de una dimensión de gran complejidad o irregularidad como son las series financieras y específicamente los valores que componen el índice Dow Jones. El resultado permite la cuantificación de la volatilidad o riesgo asociado a cada uno de esas series. En segundo lugar y como principal aplicación de la metodología de análisis multiescala propuesta, el trabajo de investigación se centra en cómo calcular parámetros multifractales en imágenes que reflejan la estructura de suelos agrícolas. Estas imágenes son obtenidas bien aplicando un tinte especial o mediante modernas técnicas de tomografía axial computarizada. En ambos casos, el objetivo es completar la caracterización estadística de la geometría de los flujos preferenciales de agua y otras sustancias, aspectos claves para el correcto tratamiento de suelos agrícolas. Para validar e interpretar cada uno de los algoritmos desarrollados se utilizan señales multifractales sintetizadas y se comparan los resultados obtenidos en las distintas aplicaciones respecto de algoritmos ya consolidados en cada caso.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Nagele: un nuevo asentamiento en un paisaje artificial

Nagele es un asentamiento urbano situado en el Noordoostpolder, territorio neerlandés ganado al mar. Fue diseñado por arquitectos de los grupos De 8 en Opbouw entre los que destacaron Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. El proyecto se desarrolló entre 1947 y 1956, un periodo de tiempo con formas de proyectar muy ricas en interpretaciones. Los arquitectos pusieron en crisis los planteamientos historicistas de las nuevas poblaciones de los pólderes. Propusieron un nuevo prototipo, una morfología compacta y concéntrica que transmitiría igualdad a una comunidad agrícola, entendida como una sociedad urbana del siglo XX. La administración apoyó la propuesta que convertiría el proyecto en un arriesgado reto por su falta de antecedentes. La vigencia de las formulaciones permanece hoy en día en la ciudad construida, aunque con alteraciones. En los dibujos del proceso se encuentran los principales enunciados teóricos que este trabajo pretende descubrir. El trabajo aborda aspectos no suficientemente explorados, como su relación con el pólder, la evolución de las estrategias proyectivas, la ordenación paisajista y los elementos urbanos. El Noordoostpolder es la culminación de una serie de experiencias multidisciplinares en el reclamo de tierras a gran escala. Se estudia su estructura urbana policéntrica, la parcelación agrícola que origina el proyecto urbano y la vinculación de la vegetación con la infraestructura, proporcionando orientación, protección climática y escala humana, conceptos que impregnan las estrategias del proyecto urbano. La primera fase de la ordenación configuró áreas monofuncionales que respondían a cada una de las cuatro necesidades básicas del método científico de la ciudad higienista. El acontecimiento que marcó el final de la primera fase fue su presentación en el séptimo CIAM de 1949, cuyo título fue Aplicación de la Carta de Atenas. El programa residencial se dividió en clusters organizados en torno a una pradera vecinal central, vinculándose el orden vecinal, urbano y territorial. La segunda fase fue un catalizador de nuevos planteamientos. El proyecto se transformó en un In-between Realm, un escenario teórico donde coexisten fenómenos tradicionalmente antagónicos que Van Eyck denominó Twin Phenomena, convirtiéndose la ciudad en una réplica formal de la ambivalencia de la mente humana. La indefinición espacial no programada en la propuesta anterior se transformó en un conjunto de espacios urbanos, con límites y dimensiones adaptados a la escala humana. El proyecto es anterior a la obra escrita de Van Eyck por lo que estimuló sus enunciados teóricos. Unas ideas también reconocidas en los tres CIAM posteriores en los que también se expuso el proyecto. El diseño paisajista se integra en el proyecto urbano desde sus orígenes. El límite se compone de una barrera boscosa que protege climáticamente, proporciona escala humana y control visual frente a las llanuras infinitas del pólder. Van Eyck sintetizó el proyecto como una habitación verde sin techo, afirmación que dilucida su equivalencia con el de un interior doméstico. Exteriormente la ciudad se convierte en una unidad autónoma del territorio. Interiormente, un sistema jerarquizado de vegetación vinculado a la arquitectura y la infraestructura constituye espacios urbanos de diferentes escalas. La propuesta fue transformada por Boer y Ruys en un nuevo espacio urbano único, no asimilando los conceptos anteriores. El proyecto y construcción de los primeros elementos urbanos consistió en un reparto de tareas a De 8 en Opbouw, hecho que estimula estudiar su relación con el proyecto urbano. La estructura policéntrica organiza las aulas de las escuelas de Van Eyck, las diferentes áreas confesionales del cementerio de Ruys y las unidades residenciales, diseñadas por Stam, Rietveld y Stam-Besse. Los Twin Phenomena alcanzan un acuerdo en el corredor comercial, diseñado por Bakema y Van der Broek. La generación de espacios dentro de otros aparece también en el cementerio, a través de una nueva barrera boscosa y en el sistema de pliegues del muro que configura la iglesia de Bakema y Van der Broek. El proyecto se vincula a un planteamiento holístico, mediante el que el diseño de cada uno de sus elementos tiene en cuenta las estrategias proyectivas del todo del cual forma parte, convirtiéndose, al igual que las obras de De Stijl, en parte de una composición infinita que acerca arte y diseño en la vida cotidiana de la sociedad. La diversidad generacional e ideológica de estos arquitectos convirtió el proyecto en un tablero de juego sobre el que se aplicaron diferentes formas de proyectar la ciudad, ubicando a Nagele en un punto de inflexión del Movimiento Moderno. ABSTRACT The research focuses on the Nagele project, a Dutch urban settlement located in the Noordoostpolder, a territory which was entirely reclaimed from the IJsselmeer lake. It was designed by a group of architects from the De 8 and Opbouw teams, the leading protagonists being Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. It was designed from 1947 to 1956, a fruitful period in urban planning. These architects questioned the traditionalist urban design applied to the new populations in the IJsselmeer polders. Facing their principles, the work group proposed a new prototype; a compact and concentric urban pattern to foster equality in a new community of farm labourers, which was recognized by the architects as a twentieth century urban society. The government supported their new proposals. The lack of implementation of the innovatory conceptual statements subjected the project into a high-risk challenge. However, in spite of these difficulties, the basic concepts remain though partially transformed, in the actual city. The project drawings reflect the principle concepts that this work aims to discover. Some approaches that have not been sufficiently studied are tackled in this thesis. Firstly, the project´s relationship with the polder. Secondly, the evolution of projective strategies during the period of urban planning, the landscape design and the design of urban elements. The Noordoostpolder is the culmination of a series of multi-disciplinary experiences in large scale land reclamation, whose polycentric urban structure and agricultural subdivision provide the framework of Nagele. Linking the vegetation to infrastructure fostered orientation, climate protection and human scale; strategies which were repeated, though on a smaller scale, in the actual city. The first phase of the project was composed of mono-functional urban areas which responded to each of the four basic human needs indicated by the scientific method of the functional city. The presentation of the project at the seventh CIAM in 1949 was the event which marked the end of the first phase of the planning. This congress was entitled Implementation of the Athens Charter. The residential program was divided into housing clusters surrounding a central prairie, a pattern which was related to its urban and territorial whole. The second phase of the plan was subjected to a new theoretical approach. The urban planning became an In-between Realm, a theoretical scenario where traditionally antagonistic concepts coexist. Van Eyck named these concepts Twin Phenomena. The city thus conceived of as a counterform of the ambivalence of the human mind where spatial indefinition in the previous proposals was transformed into a Bunch of Places with defined boundaries and dimensions, all of which reflecting human scale. The landscape design was integrated into the urban project from its inception. The limits consist of a green wind-barrier which not only provides climate protection but also provides human scale and visual control towards the unlimited plains of the polder. Van Eyck summarised the project as a green room without a roof. This statement elucidates its equivalence to a domestic interior. Outwardly, the city becomes an autonomous unit on the territory. Inwardly a hierarchical vegetation system is linked to architecture and infrastructure. Together, they configure different scales of urban spaces. The proposal was transformed by Boer and Ruys into a unique urban space without assimilating Van Eyck´s concepts. The study of the Nagele landscape project of Nagele and the writings of Van Eyck verify the fact that many of his theoretical foundations (In-between Realm, Twin Phenomena, Bunch of Places, Right Scale) can be applied not only to architecture and city but also to landscape design. The application of these principles led the Nagele project to become a counterform of Van Eyck´s thinking. The design and construction of the first urban elements involved a distribution of tasks to De 8 en Opbouw, which stimulated their relationship with the urban project. The polycentric structure organised the school classrooms outlined by Van Eyck, the different areas of the cemetery planned by Ruys and the housing clusters designed by Stam, Rietveld and Stam-Besse. The Twin Phenomena concept can be applied in Van der Broek´s shopping corridor. The concept space within another space is also implemented in the cemetery surrounded by a new green barrier, and in the church built by Van der Broek and Bakema, whose spaces are configured by a folding wall. The project takes a holistic approach, which considers the design of each element within the strategies of the whole, where they become parts of an infinite composition, as in the art works of De Stijl fostering art and design to ordinary people´s daily lives. The generational and ideological diversity of these architects turned the project into a game board on which different ways of planning the city were played, obtaining Nagele the distinction of being a turning point of Modernism.

Diseño y banco de test VHDL de un procesador que realice la ICT para HEVC

Se va a realizar un estudio de la codificación de imágenes sobre el estándar HEVC (high-effiency video coding). El proyecto se va a centrar en el codificador híbrido, más concretamente sobre la aplicación de la transformada inversa del coseno que se realiza tanto en codificador como en el descodificador. La necesidad de codificar vídeo surge por la aparición de la secuencia de imágenes como señales digitales. El problema principal que tiene el vídeo es la cantidad de bits que aparecen al realizar la codificación. Como consecuencia del aumento de la calidad de las imágenes, se produce un crecimiento exponencial de la cantidad de información a codificar. La utilización de las transformadas al procesamiento digital de imágenes ha aumentado a lo largo de los años. La transformada inversa del coseno se ha convertido en el método más utilizado en el campo de la codificación de imágenes y video. Las ventajas de la transformada inversa del coseno permiten obtener altos índices de compresión a muy bajo coste. La teoría de las transformadas ha mejorado el procesamiento de imágenes. En la codificación por transformada, una imagen se divide en bloques y se identifica cada imagen a un conjunto de coeficientes. Esta codificación se aprovecha de las dependencias estadísticas de las imágenes para reducir la cantidad de datos. El proyecto realiza un estudio de la evolución a lo largo de los años de los distintos estándares de codificación de video. Se analiza el codificador híbrido con más profundidad así como el estándar HEVC. El objetivo final que busca este proyecto fin de carrera es la realización del núcleo de un procesador específico para la ejecución de la transformada inversa del coseno en un descodificador de vídeo compatible con el estándar HEVC. Es objetivo se logra siguiendo una serie de etapas, en las que se va añadiendo requisitos. Este sistema permite al diseñador hardware ir adquiriendo una experiencia y un conocimiento más profundo de la arquitectura final. ABSTRACT. A study about the codification of images based on the standard HEVC (high-efficiency video coding) will be developed. The project will be based on the hybrid encoder, in particular, on the application of the inverse cosine transform, which is used for the encoder as well as for the decoder. The necessity of encoding video arises because of the appearance of the sequence of images as digital signals. The main problem that video faces is the amount of bits that appear when making the codification. As a consequence of the increase of the quality of the images, an exponential growth on the quantity of information that should be encoded happens. The usage of transforms to the digital processing of images has increased along the years. The inverse cosine transform has become the most used method in the field of codification of images and video. The advantages of the inverse cosine transform allow to obtain high levels of comprehension at a very low price. The theory of the transforms has improved the processing of images. In the codification by transform, an image is divided in blocks and each image is identified to a set of coefficients. This codification takes advantage of the statistic dependence of the images to reduce the amount of data. The project develops a study of the evolution along the years of the different standards in video codification. In addition, the hybrid encoder and the standard HEVC are analyzed more in depth. The final objective of this end of degree project is the realization of the nucleus from a specific processor for the execution of the inverse cosine transform in a decoder of video that is compatible with the standard HEVC. This objective is reached following a series of stages, in which requirements are added. This system allows the hardware designer to acquire a deeper experience and knowledge of the final architecture.

Estudio del radón en viviendas mediante modelos de minería de datos basados en cubos OLAP

En esta tesis doctoral se estudian las variaciones de radón en el interior de dos viviendas similares de construcción nueva en Madrid, una de ellas ocupada y la otra no, que forman parte del mismo edificio residencial. La concentración de radón y los parámetros ambientales (presión, temperatura y humedad) se midieron durante ocho meses. La monitorización del gas radón se realizó mediante detectores de estado sólido. Simultáneamente, se adquirieron algunas variables atmosféricas de un modelo atmosférico. En el análisis de los datos, se utilizó principalmente el método de la Transformada Wavelet. Los resultados muestran que el nivel de radón es ligeramente más alto en la vivienda ocupada que en la otra. A partir del análisis desarrollado en este estudio, se encontró que había un patrón específico estacional en la concentración de radón interior. Además, se analizó también la influencia antropogénica. Se pudieron observar patrones periódicos muy similares en intervalos concretos sin importar si la vivienda está ocupada o no. Por otra parte, los datos se almacenaron en cubos OLAP. El análisis se realizó usando unos algoritmos de agrupamiento (clustering) y de asociación. El objetivo es descubrir las relaciones entre el radón y las condiciones externas como la presión, estabilidad, etc. Además, la metodología aplicada puede ser útil para estudios ambientales en donde se mida radón en espacios interiores. ABSTRACT The present thesis studies the indoor radon variations in two similar new dwellings, one of them occupied and the other unoccupied, from the same residential building in Madrid. Radon concentration and ambient parameters were measured during eight months. Solid state detectors were used for the radon monitoring. Simultaneously, several atmospheric variables were acquired from an atmospheric model. In the data analysis, the Wavelet Transform Method was mainly used. The results show that radon level is slightly higher in the unoccupied dwelling than in the other one. From the analysis developed in this study, it is found that a specific seasonal pattern exists in the indoor radon concentration. Besides, the anthropogenic influence is also analysed. Nearly periodical patterns could be observed in specific periods whether dwelling is occupied or not. Otherwise, data were stored in cubes OLAP. Analysis was carried out using clustering and association algorithms. The aim is to find out the relationships among radon and external conditions like pressure, stability, etc. Besides, the methodology could be useful to assess environmental studies, where indoor radon is measured.

Trans arquitectura : imaginación, invención e individuación del objeto técnico arquitectónico : transferencia tecnológica desde la industria del transporte al proyecto arquitectónico (1900-1973)

Se presenta la tesis doctoral, titulada ‘TRANS Arquitectura. Imaginación, Invención e individuación del objeto tecnico arquitectónico. Transferencia tecnológica desde la Industria del Transporte al Proyecto de Arquitectura [1900-1973]'’, que aborda la relación entre la Arquitectura y el Objeto Técnico durante la Modernidad.1 La temática de la tesis gravita en torno a la cultura técnica, la cultura material y la historia de la Tecnología del siglo XX. Hipótesis Se sostiene aquí la existencia de unas arquitecturas que se definen como Objetos Técnicos. Para demostrarlo se estudia si éstas comparten las mismas propiedades ontológicas de los objetos técnicos. Industria y Arquitectura La historia de la Arquitectura Moderna es la historia de la Industria Moderna y sus instalaciones industriales, sus productos y artefactos o sus procedimientos y procesos productivos. Fábricas, talleres, acerías, astilleros, minas, refinerías, laboratorios, automóviles, veleros, aviones, dirigibles, transbordadores, estaciones espaciales, electrodomésticos, ordenadores personales, teléfonos móviles, motores, baterías, turbinas, aparejos, cascos, chassis, carrocerías, fuselajes, composites, materiales sintéticos, la cadena de montaje, la fabricación modular, la cadena de suministros, la ingeniería de procesos, la obsolescencia programada… Todos estos objetos técnicos evolucionan constantemente gracias al inconformismo de la imaginación humana, y como intermediarios que son, cambian nuestra manera de relacionarnos con el mundo. La Arquitectura, al igual que otros objetos técnicos, media entre el hombre y el mundo. Con el objetivo de reducir el ámbito tan vasto de la investigación, éste se ha filtrado a partir de varios parámetros y cualidades de la Industria, estableciendo un marco temporal, vinculado con un determinado modo de hacer, basado en la ciencia. El inicio del desarrollo industrial basado en el conocimiento científico se da desde la Segunda Revolución Industrial, por consenso en el último tercio del siglo XIX. Este marco centra el foco de la tesis en el proceso de industrialización experimentado por la Arquitectura desde entonces, y durante aproximadamente un siglo, recorriendo la Modernidad durante los 75 primeros años del siglo XX. Durante este tiempo, los arquitectos han realizado transferencias de imágenes, técnicas, procesos y materiales desde la Industria, que ha servido como fuente de conocimiento para la Arquitectura, y ha evolucionado como disciplina. Para poder abordar más razonablemente un periodo tan amplio, se ha elegido el sector industrial del transporte, que históricamente ha sido, no sólo fuente de inspiración para los Arquitectos, sino también fuente de transferencia tecnológica para la Arquitectura. Conjuntos técnicos como los astilleros, fábricas de automóviles o hangares de aviones, individuos técnicos como barcos, coches o aviones, y elementos técnicos como las estructuras que les dan forma y soporte, son todos ellos objetos técnicos que comparten propiedades con las arquitecturas que aquí se presentan. La puesta en marcha de la cadena móvil de montaje en 1913, se toma instrumentalmente como primer foco temporal desde el que relatar la evolución de numerosos objetos técnicos en la Primera Era de la Máquina; un segundo foco se sitúa en 19582, año de la creación de la Agencia Espacial norteamericana (NASA), que sirve de referencia para situar la Segunda Era de la Máquina. La mayoría de los objetos técnicos arquitectónicos utilizados para probar la hipótesis planteada, gravitan en torno a estas fechas, con un rango de más menos 25 años, con una clara intención de sincronizar el tiempo de la acción y el tiempo del pensamiento. Arquitectura y objeto técnico Los objetos técnicos han estado siempre relacionados con la Arquitectura. En el pasado, el mismo técnico que proyectaba y supervisaba una estructura, se ocupaba de inventar los ingenios y máquinas para llevarlas a cabo. Los maestros de obra, eran verdaderos ‘agentes de transferencia tecnológica’ de la Industria y su conocimiento relacionaba técnicas de fabricación de diferentes objetos técnicos. Brunelleschi inventó varia grúas para construir la cúpula de Santa Maria dei Fiori (ca.1461), seguramente inspirado por la reedición del tratado de Vitruvio, De Architectura (15 A.C.), cuyo último capítulo estaba dedicado a las máquinas de la arquitectura clásica romana, y citaba a inventores como Archimedes. El arquitecto florentino fue el primero en patentar un invento en 1421: una embarcación anfibia que serviría para transportar mármol de Carrara por el río Arno, para su obra en Florencia. J. Paxton. Crystal Palace. London 1851. Viga-columna. Robert McCormick. Cosechadora 1831. 2ª patente, 1845. La Segunda Revolución Industrial nos dejó un primitivo ejemplo moderno de la relación entre la Arquitectura y el objeto técnico. El mayor edificio industrializado hasta la fecha, el Crystal Palace de Londres, obra de Joseph Paxton, fue montado en Londres con motivo de la Gran Exposición sobre la Industria Mundial de 1851, y siempre estará asociado a la cosechadora McCormick, merecedora del Gran Premio del Jurado. De ambos objetos técnicos, podrían destacarse características similares, como su origen industrial, y ser el complejo resultado de un ensamblaje simple de elementos técnicos. Desde la entonces, el desarrollo tecnológico ha experimentado una aceleración continuada, dando lugar a una creciente especialización y separación del conocimiento sobre las técnicas antes naturalmente unidas. Este proceso se ha dado a expensas del conocimiento integrador y en detrimento de la promiscuidad entre la Industria y la Arquitectura. Este es, sin lugar a dudas, un signo consustancial a nuestro tiempo, que provoca un natural interés de los arquitectos y otros tecnólogos, por las transferencias, trans e inter-disciplinareidades que tratan de re-establecer los canales de relación entre los diferentes campos del conocimiento. La emergencia de objetos técnicos como los vehículos modernos a principios del siglo XX (el automóvil, el trasatlántico, el dirigible o el aeroplano) está relacionada directamente con la Arquitectura de la Primera Era de la Máquina. La fascinación de los arquitectos modernos por aquellas nuevas estructuras habitables, se ha mantenido durante más de un siglo, con diferente intensidad y prestando atención a unos objetos técnicos u otros, oscilando entre el dominio del valor simbólico de los vehículos como objetosimágenes, durante el periodo heroico de la Primera Era de la Máquina, y la mirada más inquisitiva durante la Segunda, que perseguía un conocimiento más profundo de la organización de los mismos y del sistema técnico en el que estaban incluidos. La relación homóloga que existe entre arquitecturas y vehículos, por su condición de estructuras habitables, es algo de sobra conocido desde que Le Corbusier utilizara aquellas imágenes de barcos, coches y aviones para ilustrar su manifiesto Vers une architecture, de 1923. Los vehículos modernos han sido los medios con los que transmitir los conceptos que ansiaban transformar las propiedades tradicionales de la Arquitectura, relativas a su factura, su habitabilidad, su duración, su funcionalidad o su estética. Destaca particularmente el caso del automóvil en las décadas de los años 30 y 50, y los vehículos del programa espacial en las décadas de los 60 y 70. El conocimiento y la documentación previa de estos hechos, fueron un buen indicio para identificar y confirmar que el sector industrial del transporte, era un especialmente trascendente y fértil proveedor de casos de transferencia tecnológica para la Arquitectura. La tradición Moderna inaugurada por Le Corbusier en los años 20, ha sido mantenida y defendida por una multitud de arquitectos modernos como Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames o Craig Ellwood, cuyo trabajo, animado por el legado de anteriores tecnólogos como Bucky Fuller o Jean Prouvé, fue fundamental y referencia obligada para la siguiente generación de arquitectos como Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean Kaplicky o Richard Horden, entre otros. Todos ellos han contribuido a engrosar el imaginario del objeto técnico, aportando sus obras arquitectónicas. Estos arquitectos que aparecen repetidamente en el discurrir de la tesis, pertenecen a un mismo linaje, y son agrupados según una estructura ‘genealógica’, que se ha denominado ‘Estirpe Técnica’. Unidos por intereses comunes y similares enfoques o actitudes ante el proyecto de arquitectura, entendida como objeto Técnico, han operado mediante la práctica de la transferencia tecnológica, sin limitarse a las técnicas compositivas propias de la disciplina arquitectónica. Durante la investigación, se ha recopilado una selección de menciones explícitas -hechas por arquitectos- sobre otros objetos técnicos para referirse a la Arquitectura, mostrando las constantes y las variaciones de sus intereses a lo largo del siglo, lo que nos ha llevado a conclusiones como por ejemplo, que los conjuntos técnicos (fábricas de zepelines, aviones, automóviles o trasatlánticos) eran tomados por los arquitectos de la primera Modernidad, como un modelo imaginario, formal y compositivo, mientras que los de la Segunda Era de la Máquina los tomaban como modelo espacial y organizativo para la arquitectura. La mencionada estirpe de tecnólogos incluye líneas de descendencia conocidas, como: EiffelSuchovBehrens GropiusMiesLeCorbusierLodsProuve, en la Europa continental, o una rama británica como: LoudonPaxtonWilliamsStirlingGowan SmithsonsPriceArchigramFosterRogersPiano KaplickyHorden. También podemos encontrar conexiones intercontinentales como Fuller EamesRudolphFosterRogers, o ramificaciones menos previsibles como: LeRicolaisKahn PianoKaplicky, o LeCorbusierFreyLacaton Vassal… Seguramente muchos más merecerían incluirse en esta lista, y de hecho, la tesis asume la imposibilidad de incluirlo todo (por motivos prácticos) aunque contempla la posibilidad de ser ampliada en un futuro. Con lo aquí incluido, se pretende mostrar la continuidad en los enfoques, planteamientos y técnicas de proyectos aplicadas, de los que podemos deducir algunas conclusiones, como por ejemplo, que en los periodos inmediatamente posteriores a las dos Guerras Mundiales, aumentó la intensidad de aportaciones de nuevas imágenes de vehículos, al imaginario del objeto técnico utilizado por los arquitectos, a través de publicaciones y exposiciones. Hoy, cien años después de que Ford pusiera en marcha la cadena móvil de montaje, aún encontramos viva esta tradición en las palabras de un arquitecto, Richard Horden, cuyo trabajo porta consigo –como la información embebida en los elementos técnicos- toda una cultura técnica de una tradición moderna. Horden representa uno de los exponentes de la que he denominado estirpe de tecnólogos. Es por ello que he querido concluir la tesis con una entrevista, realizada en Mayo de 2015, en su estudio de Berkeley Square en Londres (ver Apéndices). Guías Para el desarrollo de la presente tesis, se ha tomado, como principal obra de referencia, otra tesis, titulada El modo de existencia de los objetos técnicos, leída y publicada en 1958 por el filósofo francés Gilbert Simondon [1924-89], dedicada a la ontología del objeto técnico. Esta obra enmarca el enfoque intelectual de la tesis, que entronca con la fenomenología, para movilizar una visión particular de la Arquitectura, a la que sirve como modelo de análisis ontológico para estudiar sus procesos de génesis, invención e individuación. Para el desarrollo de éstos, se ha utilizado como complemento bibliográfico, otra obra del mismo autor, titulada Imaginación e invención 1965-66. En cuanto a las fuentes historiográficas disciplinares, se ha elegido utilizar a Reyner P. Banham [1922-1988] y a Martin E. Pawley [1938-2008] como guías a través de la arquitectura del siglo XX. Sus crónicas sobre la Primera y Segunda Era de la Máquina3 y su obra crítica, han servido como índices desde los que reconstruir el imaginario del objeto técnico moderno, y del que aprovisionarse de proyectos y obras de Arquitectura como casos de estudio para la tesis. Estas obras han servido además como índices de otra bibliografía, que ha sido complementaria a la de éstos. Objetivos de la Tesis El principal objetivo de la tesis es demostrar la hipótesis: si una obra de arquitectura puede ser considerada un objeto técnico y bajo qué condiciones, construyendo un criterio que permita reconocer cuándo una obra de Arquitectura responde a la definición de objeto técnico. Otro objetivo es demostrar la importancia y potencia de la Transferencia tecnológica en el proceso evolutivo de la Arquitectura, y para ello se presentan ejemplos de una metodología de proyecto por ensamblaje, que Martin Pawley denominaba ‘Design by Assembly’. También es un objetivo el de reconstruir un Atlas del Imaginario del objeto técnico moderno, con el fin de conocer mejor las causas, razones y finalidades que llevaron a los arquitectos modernos a perseguir una arquitectura como objeto técnico. Este Atlas permite relacionar panópticamente los distintos objetos técnicos entre sí, revelando la verdadera importancia y trascendencia de aquéllos y las arquitecturas con las que se relacionan. En él, las arquitecturas vuelven a situarse en el contexto más extenso y complejo de la industria y la historia de la tecnología, al que siempre pertenecieron. De este modo, éstas son capaces de desvelar todo el conocimiento -en forma de información- que portan en su propio código ‘genético’, desplegando capítulos completos de cultura tecnológica, tan antigua como la Humanidad y en constante y creciente evolución. Estructura de la tesis Tras una Introducción en la que se presentan algunos de los conceptos principales que se instrumentalizan en la tesis sobre la ontología Simondoniana del objeto técnico y sobre la transferencia tecnológica aplicada al proyecto de Arquitectura, el texto principal de la tesis consta de tres partes: La primera se dedica a la Imaginación, una segunda parte a la Invención y una tercera a Individuación o evolución del objeto técnico. Se termina con una Discusión de la tesis y un apartado de Conclusiones. En la Introducción al objeto técnico, éste se define ontológicamente y se distinguen sus diferentes categorías (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Se explica el proceso de génesis del objeto técnico y sus fases de imaginación, invención e individuación. También se presentan los conceptos de transducción, tecnicidad y sistema técnico, fundamentales para entender el concepto de transferencia tecnológica que se desarrollará después. La concretización, explica el modo particular de individuación y evolución de los objetos técnicos, un proceso por el que las diferentes partes de un objeto técnico, se integran y tienden hacia la propia convergencia. Aquí se comprueba la efectividad del concepto simondoniano de Transducción, como señal o información transmitida y transformada, y se relaciona con la Transferencia Tecnológica - un proceso sinergético, por el que un sector industrial se beneficia del desarrollo de otro sector- a la que se han referido explícitamente arquitectos e historiadores para explicar sus obras, durante la Segunda Era de la Máquina, y que es determinante para el desarrollo de la Industria. La transferencia tecnológica sería la transmisión del conjunto de conocimientos sobre la técnica, que incluyen su esfera fáctica, pero también la esfera sensible de la experiencia. En su aplicación a la arquitectura, las transferencias se han clasificado según tres tipos: Eidéticas, Tectónicas, Orgánicas. En la primera parte dedicada a la Imaginación del objeto técnico arquitectónico se realiza una reconstrucción ‘arqueológica’ –y parcial- del imaginario del objeto técnico moderno, con la intención de conocer mejor su génesis y la relación con otros objetos técnicos. Las fuentes de ese imaginario se buscan en las instalaciones de la Industria de principios de siglo XX, en particular en las fábricas de vehículos, con la finalidad de comprobar hasta qué punto, esos objetos técnicos fueron importantes para imaginar la Arquitectura moderna. La reconstrucción se continúa hasta la Segunda Era de la Máquina, cuando una nueva mirada más inquisitiva y precisa, se dirige a otras fábricas, vehículos y componentes, interesándose por sus cualidades materiales y organizativas. Transferencias Eidéticas, que operan desde un conocimiento intuitivo y son útiles para transmitir información sobre la esencia de un objeto técnico que sirve de fuente. Conceptos abstractos se transmiten por medio de las imágenes—objeto, para producir una transformación en su equivalente arquitectónico. Fruto de la investigación, se han detectado un grupo de conceptos que han sido objeto de transferencias tecnológicas de naturaleza eidética, provenientes del imaginario del objeto técnico moderno: FABRICADO, HABITABLE, FUNCIONAL, EFICIENTE, OBSOLESCENTE y BELLO. En la segunda parte dedicada a la Invención del objeto técnico arquitectónico, las transferencias también pueden ser Tectónicas, cuando lo que se transmite es una técnica constructiva o estructural aplicada mediante MATERIALES artificiales (como los metales, los composites como el ferrocemento, y el plywood, o las aleaciones como el aluminio) o mediante el ensamblaje de ESTRUCTURAS o partes componentes de otro objeto técnico, (como cascos, fuselajes, carrocerías o aparejos) y tiene como resultado la invención de un nuevo objeto técnico arquitectónico. En la tercera parte dedicada a la individuación, se abordan las transferencias ORGÁNICAS, lo que se transfiere es una técnica organizativa, aplicada a través de PROCEDIMIENTOS que definen la actividad del arquitecto como tecnólogo e inventor de objetos técnicos. Estos procedimientos tienen un efecto transformador en tres instituciones tradicionales para la Arquitectura: la Escuela, el Estudio y la Obra, y sus resultados se resumen en nuevos modelos de organización de la Educación de la Arquitectura, con la aparición de los Talleres de proyectos; nuevos modelos de organización del ejercicio de arquitecto: la Oficina técnica; nuevos modelos de organización del espacio, basados en la organización espacial de la Industria, que da lugar a patrones o Matrices espaciales; un nuevo modelo de organización del proyecto, que utiliza las herramientas gráficas de la industria y el ensamblaje como metodología; y un nuevo modelo de producción arquitectónica, basado en la Industrialización. Tras explicar los conceptos y la génesis del ensamblaje y el montaje, se presenta el proyecto por ensamblaje (Design by assembly) como un método que promueve la invención arquitectónica. Se demuestra utilizando algunos casos analizados en la tesis, en los que se ha realizado alguna transferencia conceptual, constructiva u organizativa. Tras analizar las arquitecturas estudiadas en la tesis, se ha utilizado el método genético propuesto por Simondon para comprender cada evolución particular, reconstruyendo las líneas genealógicas hasta sus ancestros, e identificando una serie de linajes genéticos, que corresponderían con los conjuntos técnicos estudiados en la tesis: el astillero, la fábrica de coches, y la fábrica de aeronaves: los Ancestros de la Modernidad. Los sistemas de organización espacial de estos conjuntos técnicos, están directamente relacionados con el objeto técnico que se produce en él. A partir de ellos se definen una serie de matrices operativas (MILL, SHOP, SHED), que sirven para hacer una taxonomía del objeto técnico arquitectónico. Esto se ejemplifica con algunos proyectos de Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean Kaplicky y Richard Horden. Tesis: Comprobación de la hipótesis Simondon definía ontológicamente el Objeto técnico como aquello de lo que existe génesis y que desarrolla una tendencia hacia la solidaridad y unidad. Para que una Arquitectura pueda ser reconocida como un Objeto técnico, se deben dar una serie de condiciones, en las sucesivas fases que intervienen en su modo de existencia: Imaginación. Estas arquitecturas remiten a un imaginario protagonizado por imágenes-objeto de otros objetos técnicos (conjuntos técnicos, individuos técnicos y elementos técnicos). Esas imágenes-objeto vehiculizan una transferencia eidética de los objetos técnicos que simbolizan. Invención. Estas arquitecturas son el resultado de transferencias tectónicas, que se producen durante el proceso de proyecto, mediante el ensamblaje de materiales, componentes o procedimientos, utilizados en la industria para la producción de otros objetos técnicos. Individuación. Estas arquitecturas evolucionan y se individualizan por concretización, un proceso por el que los objetos técnicos se organizan para seguir su tendencia hacia la integración de sus partes, con el fin de alcanzar la convergencia de funciones en una única estructura. Esta integración tiende hacia la naturalización del objeto técnico, mediante la inclusión simbiótica de sus medios naturales asociados. En este caso, veremos cómo se ha producido transferencias orgánicas, o lo que es lo mismo, cómo los objetos técnicos –en el nivel de los conjuntos técnicos- se han tomado como modelo de organización por la arquitectura. Tras comprobar que de ellas existe una génesis, que evoluciona por las fases de imaginación e invención y concretización, se analiza su imaginario, su materialidad, sus estructuras y su organización, con el fin de detectar patrones y principios organizativos comunes a otros objetos técnicos. Interés de la tesis Desde el comienzo del nuevo siglo, diversos autores han demostrado un renovado interés por definir qué es el proyecto, qué lo constituye para qué sirve. Las aproximaciones al tema provienen de la filosofía analítica (Galle, 2008) o de la filosofía de la tecnología (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) y a menudo versan sobre la relación entre diseño y la cultura material (Dorschel 2003, Boradkar 2010 o Preston 2012). Es importante indicar el reciente y también creciente interés suscitado por la obra del filósofo francés, Gilbert Simondon [1924-1989], reconocida por su importante contribución a la filosofía de la técnica y la fenomenología, y por la influencia en el pensamiento de filósofos como Gilles Deleuze, autor presente en multitud de tesis doctorales e investigaciones teóricas llevadas a cabo en las principales escuelas de Arquitectura de todo el mundo desde los años 90 hasta el presente. La reedición y traducción de la obra de Simondon (ing. 1980, esp. 2008) ha recibido la atención de filósofos actuales como Paolo Virno, Bruno Latour o Bernard Stiegler, que siguen recurriendo a su estudio y análisis para avanzar en su pensamiento, estando por tanto presente en el debate contemporáneo sobre la técnica. Tras su reciente traducción al español, el pensamiento de Simondon ha despertado un gran interés en América Latina, como demuestra la organización de varios congresos y simposios, así como la proliferación de publicaciones en torno a su obra y pensamiento. Las futuras traducciones del resto de sus principales obras, asegurarán una introducción cada vez mayor en la comunidad académica. Se ha procurado presentar una mirada alternativa de la Historia de la Arquitectura Moderna, utilizando como guía a un cronista como Reyner Banham. La Era de la Máquina se ha cruzado con la Mecanología y el “vitalismo técnico” de Simondon, obteniendo como resultado una interpretación fresca, renovada y optimista de algunas de las más importantes obras de Arquitectura del siglo XX, que seguro contribuirán al desarrollo de la del siglo XXI, inmerso ya en el cambio de paradigma hacia la sostenibilidad y la ecología. ABSTRACT 'TRANS architecture. Imagination, invention and technical individuation of the architectural technical object. Technology transfer from the Transport Industry to Architectural Design [1900- 1973]' is a thesis dealing with the relationship between Architecture and the Technical Object during Modernity5. The theme of the thesis revolves around the technical culture, material culture and the history of twentieth-century technology. Hypothesis Held here is the existence of some architectures defined as technical objects. A study has been developed to prove if those architectures share the ontological properties of a technical object. Industry and Architecture The history of Modern Architecture is also the history of modern industry and its facilities, its products and devices, its procedures and production processes. Factories, workshops, steel mills, shipyards, mines, refineries, laboratories, cars, yachts, airplanes, airships, shuttles, space stations, home appliances, personal computers, mobile phones, motors, batteries, turbines, rigs, hulls, chassis, bodies, fuselages , composites and synthetic materials, the assembly line, modular manufacturing, the supply chain, process engineering, the planned obsolescence ... All these technical objects are constantly evolving thanks to the inconsistency of the human imagination and, as our intermediates, keep changing our way of relating and being in the world. Architecture, alike other technical objects, mediates between man and the World. In order to frame the vast field of the research, it has been filtered according to various parameters and qualities of Industry, establishing also a time frame which is related to a particular science-based way of making. The start of an industrial development, based on scientific knowledge is given from the Second Industrial Revolution -by consensus on the last third of the nineteenth century. This frame puts the focus of the thesis in the process of industrialization experienced by the Architecture of at least one century, and tours through Modernity during the first 75 years of the twenieth century. During this time, architects have made transfers of images, techniques, processes and materials from Industry, serving as a source of knowledge and thus allowing Architecture to evolve as a discipline. To reasonably address the enormous scope of the thesis, the industrial sector of transportation has ben chosen. It is not only a historical source of inspiration for architects, but also a traditional source of technology transfer for Modern Architecture. Technical sets such as shipyards, automobile factories or aircraft hangars, technical individuals as boats, cars or planes, and technical elements like the structures shaping and supporting them, are all technical objects which share properties with the architectures here presented. The launch of the moving assembly line in 1913, is instrumentally taken as a first time focus, from which to describe the evolution of many technical objects in the First Machine Age; a second focus could be found in 19586, year of the creation of the North American Space Agency (NASA), serving as a reference to the Second Machine Age. Most architectural technical objects used to test the hypothesis, gravitate around this second focus, in a range of plus or minus 25 years, with a clear intention to synchronize the time for action and time of thought. Architecture and Technical Object Technical objects have always been related to Architecture. In the past, the same technician who planned and oversaw a building structure, invented the devices and machines to carry them out. The foremen were the true 'technology transfer agents' from Industry. Their knowledge naturally related different manufacturing techniques to make diverse technical objects. Brunelleschi invented various cranes to build the dome of Santa Maria dei Fiori in Florence (ca.1461). Probably inspired by the reedition of Vitruvius’ treaty De Architectura (15 BC), whose last chapter was dedicated to the machines of classical Roman architecture and quoted inventors as Archimedes, the florentine architect was the first to patent an invention in 1421: an amphibious craft serving as a means of transportation for Carrara marble along the Arno river. At the daw of the Second Industrial Revolution, whose development was based on the scientific knowledge, we find a primitive modern example of the relationship between Architecture and a Technical Object: The Crystal Palace, built in London for the Great Exhibition of 1851 World Industry and designed by Joseph Paxton, was the largest to date industrialized building, and it will be always associated with the McCormick Reaper, worthy of the Grand Jury’s Prize. Similar characteristics could be emphasized of both technical objects, such as their industrial origin and for being be the complex result of a simple assembly of technical elements. Since then, technological development has experienced a continued acceleration, resulting in an increasing specialization and separation of knowledge about techniques which were naturally attached in the past. This process has happened at the expense of an integrative knowledge and against promiscuity between Industry and Architecture. This is, undoubtedly, an inherent sign of our time, which causes the natural and interest of architects and other technicians about transfers, trans-disciplinarity and inter-disciplinarity, as a reaction to reestablish channels of relationships between these different fields of knowledge. The emergence of technical objects as modern vehicles in the early twentieth century (the car, the Ocean liner, the airship or the airplane) is directly related to the Architecture of the First Machine Age. Modern architects’ fascination for those new ‘inhabitable’ structures has been maintained for over a century, with different intensity and paying attention to one and other technical objets, ranging from the domain of the symbolic value of the vehicles as objectsimages, during heroic period of the First Machine Age, to the more inquisitive glance characterizing the Second Machine Age, which sought a deeper understanding of the organization of such objects and the technical system to which they belonged. The periods immediately following both World Wars, showed a concentrated effort to bring new images of vehicles to the imaginary of architects, by means of publications and exhibitions. The homologous relationship between architectures and vehicles, in their capacity as living structures, is something well known since Le Corbusier used the images of cars, boats and airplanes to illustrate his manifesto, Towards an architecture in 1923. Modern vehicles have been the means by which to convey the concepts eager to transform the traditional attributes of Architecture: those relating to its manufacture, habitability, duration, functionality or aesthetics. The automobile stands out during the 30s and 50s, and the new vehicles of the Space Program satnd in the 60s and 70s. The prior knowledge and documentation of these events were a good indication to identify the industrial sector of Transportation as one of especial importance and as a fertile provider of technology transfer cases for Architecture. The Modern tradition, inaugurated by Le Corbusier in the 20s, has been maintained and defended by a host of modern architects like Albert Frey, Richard Neutra, Ralph Soriano, Charles Eames and Craig Ellwood, whose work - inspired by the legacy of previous technologists as Bucky Fuller or Jean Prouvé- was fundamental and a mandatory reference for the next generation of architects like Cedric Price, Archigram, Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Jean and Richard Horden Kaplicky, among others. They have all contributed to increase the imaginary of the technical object, adding to it their architectural works. In the passage of the thesis, we repeatedly find a number of architects, who have been grouped according to a 'genealogical' structure, which has been called 'Technical Lineage'. Gathered by common interests and similar views or attitudes to the architectural design, understood as a technical object, they have operated through the practice of technology transfer, without limiting itself to specific compositional techniques of the architectural discipline. During the investigation, a selection of explicit references made by those architects, about other technical objects referring to their Architecture, has been compiled, showing constants and variations in their interests throughout the century, which has led to conclusions such as, having technicians sets (zeppelins factories, airships factories, car factories and shipyards) been taken by the architects of the first Modernity, as their main formal, compositional and imaginary models, while the Second Machine Age had taken them as a spatial and organizational model for their architecture. The above mentioned lineage of technologists includes weel-known ‘seed lines’ as: Eiffel- Suchov-Behrens, Gropius-Mies-LeCorbusier- Lods-Prouve, in continental Europe; British branches as Loudon-Paxton-Williams-Stirling- Gowan-Smithsons-Price-Archigram-Foster- Rogers-Piano-Kaplicky-Horden. And we could also find intercontinental connections as Fuller- Eames-Rudolph-Foster-Rogers, or other less predictable ramifications as LeRicolais-Kahn Piano-Kaplicky, or LeCorbusier-Frey-Lacaton & Vassal... Many more would surely deserve to be included in this list, and indeed, the thesis assumes the impossibility of including them all (for practical reasons) and even contemplates possible future extensions. The material included herein is to demonstrate the continuity in the approaches, statements and in the applied architectural design techniques, from which we can draw some conclusions. Today, one hundred years after Ford put up the moving assembly line, we still find this tradition alive in the words of the architect Richard Horden, whose work carries with it –as with the information embedded in every technical element- the whole techncial culture of a modern tradition. Horden is represented here as one of the exponents of what I have called the lineage of technologists. That is why I wanted to conclude the thesis with an interview to Richard Horden, held in May 2015 in his studio in London's Berkeley Square (see Appendices). Guides For the development of this thesis, another thesis, entitled: The mode of existence of technical objects, is taken as the main reference work. Read and published in 1958 by the French philosopher Gilbert Simondon [1924- 1989], it was dedicated to the ontology of the technical object. This work frames the intellectual approach of the thesis, which connects with phenomenology to mobilize a particular vision of Architecture. It is used as a model of ontological analysis to study its genesis, invention and evolutionary processes. To develop these, another work by the same author, titled Imagination and Invention (1965- 1966) has been used as a bibliographical complement. As for the disciplinary historical sources, Reyner P. Banham [1922-1988] and Martin E. Pawley [1938-2008] have been chosen as guides through the modern Architecture of the twentieth century. Their cronical reports on the First and Second Machine Age and their critical works have served as an index from which to reconstruct the imaginary of the modern technical object in the Machine Age7, and to stock up on projects and works of architecture, used as case studies for the thesis. These works have also been used as triggers for other literatures, which has been complementary to the former. Objectives of the Thesis The main objective of the thesis is to prove its hypothesis: if a work of architecture can be considered a technical object and under what conditions, building then a criterion for recognizing when a work of architecture meets the definition of a technical object. Another aim is to demonstrate the importance and power of Technology Transfer in the evolutionary process of Architecture, and to do it, some examples of a methodology for architectural design that Martin Pawley called 'Design by Assembly' are presented. It is also an objective to reconstruct an Atlas of the imaginary of the modern technical object, in order to better understand the causes, reasons and purposes that led modern architects to pursue architecture as a technical object. This Atlas allows to panoptically relate the various technical objects, revealing the true importance and significance of those and the architecture with whom they interact. Architectures are again at the largest and most complex industrial context and the history of technology, which always belonged. Thus, they are able to reveal all the knowledge-in the shape of information-carried in their own 'genetic' code, displaying full chapters of technological culture as old as mankind and constantly growing and evolving. Thesis: Proving the Hypothesis Simondon ontologically defined the technical object as ‘that of which genesis exists’ and that develops ‘a tendency towards solidarity and unity’. For an architecture to be recognized as a technical object, a number of conditions should be given, in the successive phases involved in their mode of existence: Imagination. These architectures refer to an imaginary featuring images-object other technical objects (technical sets, technical individuals and technical elements). These images are the means to an eidetic transfer of the technical objects which they symbolize. Invention. These architectures are the result of tectonic transfers, which occur during the architectural design process, by assembling materials, components or procedures used in industry for the production of other technical objects. Individuation. These architectures evolve and are individualized by ‘concretization’, a process leading to the full integration of its parts and aiming the full convergence of its functions into a single structure. This integration tends towards the naturalization of the technical object, by means of a symbiotic incorporation of their associated milieus. After checking if there is a genesis of them, which evolves through the phases of imagination and invention and concretization, their imaginary, materiality, structure and organization are analyzed in order to detect patterns and common organizational principles to other technical objects counterparts. Structure The main text of the thesis consists of three parts. Before there is an Introduction to the main concepts that are exploited in the thesis on ontology Simondonian technical object, and technology transfer applied to Architecture. Then a first part covers the Imaginary of the modern technical object, a second part is dedicated to the Invention and a third part to the individuation process The thesis ends with a section for the Discussion and the Conclusions. The Introduction to the technical object, this is ontologically defined and its different categories are distinguished. The process of genesis of the technical object and the phases of imagination, invention and indivuation are explained. Concepts as Transduction, Technicality and Technical system are presented for being fundamental to understand the concept of Technology Transfer that will take place later. The concretization is explained as the particular mode of individuation and evolution of technical objects, a process by which the different parts of a technical object, are integrated and begin a tendency towards a convergence in itself. The first part, dedicated to the Imagination of the architectural technical object presents a parcial "archaeological" reconstruction the imaginary of the modern technical object, intended to better understand its genesis and the relationship with other technical objects. The imaginary sources are searched in the premises of the Industry of the early twentieth century, and particularly in the factories of modern vehicles, in order to see, to what extent these technical objects were important to imagine modern architecture. The reconstruction is continued until the Second Machine Age, when a new, more inquisitive and precise gaze turns to other factories, other vehicles and other components and materials, inquiring now about their organizational qualities. The second part is devoted to the Invention of the architectural technical object. The effectiveness of the simondonian concept of Transduction is checked: a transmitted and transformed sign or information, which relates to Technology Transfer, a synergetic process by which an industrial sector benefits from the development of another sector, to which some architects and historians have explicitly referred to explain their works during Machine Age, and which is crucial for the development of the industry. Technology transfer would be the transmission of a set of information or knowledge about technique, including the factual sphere of technique, but also the sensitive sphere of experience. In their application to Architecture, these transfers have been classified according to three types: Eidetic, Tectonic and Organic. Eidetic Transfers operate from an intuitive knowledge and are useful for transmitting information about the essence of the technical object serving as a source. Abstract concepts are transmitted through the object-images to produce an equivalent transformation in Architecture. A group of concepts that have been the subject of technology transfers of eidetic nature, and have been originated in the imaginary of the modern technical object, have been detected as a result of the research: FABRICATED, INHABITABLE, FUNCTIONAL, EFFICIENT, OBSOLESCENT, and BEAUTIFUL. The transfers can also be Tectonic when, that which is transferred is a constructive or structural technique, applied through artificial MATERIALS such as metals, composites as the ferrocement, or plywood, or alloys such as aluminum; or by means of the assembly of STRUCTURES or parts of other technical objects such as hulls, fuselages, car bodies or rigs, resulting in the invention of a new architectural technical object. In the case of ORGANIC transfers, what is transferred is an organizational technique, applied by means of a set of PROCEDURES defining the activity of the architect as a technologist and inventor of technical objects. These procedures have a transformative effect on three traditional institutions for Architecture: the School, the Atelier and the Work, and the results are summarized in new models of organization of the Education of Architecture, with the onset of the Architectural Design Studios or workshops; new models of organization of the practice of architect: the technical office; and new models of space organization, based on the spatial organization of the industry, resulting in spatial patterns or spatial matrices; a new model of organization of the project, which uses graphical tools and industrail protocols as the assembly as a methodology; a new model of architectural production based on the industrialization. After explaining the concepts and the genesis of assembly and montage, Design by assembly is presented as a method that promotes architectural invention, and is shown using some case studies analyzed in the thesis, in which there has been made some conceptual, constructive or organizational transfer. After analyzing the architectures studied in the thesis, genetic method proposed by Simondon was used to understand every particular evolution, reconstructing their genealogical lines up to their ancestors, identifying a series of genetic lineages, which correspond to the technical sets studied in the thesis : the shipyard, the car factory, and aircraft factory. The real ancestors of Modernity. The spatial organization systems of these technical sets are directly related to the technical object that is fabricated within them. From that point, a number of operational matrices are defined (MILL, SHOP, SHED) and used to make a taxonomy of the architectural technical object. This is exemplified by some projects by architects as Norman Foster, Richard Rogers, Renzo Piano, Nicholas Grimshaw, Jean and Richard Horden Kaplicky. Interest of the thesis Since the beginning of the new century, several authors have shown a renewed interest in defining what a project is, how it is constituted and what it is for. The approaches to the subject are brought from analytic philosophy (Galle, 2008) or from the philosophy of technology (Verbeek, 2005; Vermaas, 2009) and they often speak about the relationship between design and material culture (Dorschel 2003, 2010 or Preston Boradkar 2012). It is also important to note the recent and growing interest in the work of French philosopher Gilbert Simondon [1924-1989], mainly known for its important contribution to the philosophy of technology and phenomenology of the technical object, and the influence on the thinking of contemporary philosophers as Paolo Virno, Bruno Latour or Gilles Deleuze, being the latter a author present in many doctoral theses and theoretical research conducted at major architecture schools around the world since the 90s to the present. The republication and translation of the work of Simondon (eng. 1980, spn. 2008) has received the attention from current philosophers such as Bernard Stiegler who continues to use its study and analysis to advance his thinking, thus being present in the contemporary debate about the technique. After its recent translation into Spanish, the thought of Simondon has aroused great interest in Latin America, as evidenced by the organization of various conferences and symposia, as well as the proliferation of publications about his work and thought8. Future translations of the rest of his major works, will ensure increased introduction in the academic community. Efforts have been made to present an alternative view of the History of Modern Architecture, using a reporter as Reyner P.Banham as a guide. The Machine Age intersects Simondon’s mechanology and his "technical vitalism", resulting in a fresh, renewed and optimistic interpretation of some of the most important works of Architecture of the twentieth century, which will surely contribute to the development of this century’s Architecture, already immersed in the paradigm shift towards sustainability and ecology.

Hacia una arquitectura de procesos : transformaciones disciplinares a través de la Computación en los modelos de Alexander, Negroponte y Price

La premisa inicial de la tesis examina cómo las secuelas de Segunda Guerra mundial motivaron una revisión general de la Ciencia y procuraron una nueva relación entre el hombre y su entorno. Matemáticas, Física y Biología gestaron las Ciencias de la Computación como disciplina de convergencia. En un momento de re-definición del objeto científico, una serie de arquitectos vislumbraron la oportunidad para transformar ciertas convenciones disciplinares. Mediante la incorporación de ontologías y procedimientos de cibernética y computación, trazaron un nuevo espacio arquitectónico. Legitimados por un despegue tecnológico incuestionable, desafían los límites de la profesión explorando campos abiertos a nuevos programas y acciones; amplían el dominio natural de la Arquitectura más allá del objeto(terminado) hacia el proceso(abierto). Se da inicio a la tesis describiendo los antecedentes que conducen a ese escenario de cambio. Se anotan aspectos de Teoría de Sistemas, Computación, Biología y de ciertos referentes de Arquitectura con relevancia para esa nuevo planteamiento. En esos antecedentes residen los argumentos para orientar la disciplina hacia el trabajo con procesos. La linea argumental central del texto aborda la obra de Christopher Alexander, Nicholas Negroponte y Cedric Price a través de una producción teórica y práctica transformada por la computación, y examina la contribución conceptual de cada autor. El análisis comparado de sus modelos se dispone mediante la disección de tres conceptos convergentes: Sistema, Código y Proceso. La discusión crítica se articula por una triangulación entre los autores, donde se identifican comparando por pares las coincidencias y controversias entre ellos. Sirve este procedimiento al propósito de tender un puente conceptual con el escenario arquitectónico actual estimando el impacto de sus propuestas. Se valora su contribución en la deriva del programa cerrado a la especulación , de lo formal a lo informal, de lo único a lo múltiple; del estudio de arquitectura al laboratorio de investigación. Para guiar ese recorrido por la significación de cada autor en el desarrollo digital de la disciplina, se incorporan a la escena dos predicados esenciales; expertos en computación que trabajaron de enlace entre los autores, matizando el significado de sus modelos. El trabajo de Gordon Pask y John Frazer constituye el vehículo de transmisión de los hallazgos de aquellos años, prolonga los caminos iniciados entonces, en la arquitectura de hoy y la que ya se está diseñando para mañana. ABSTRACT The initial premise of the thesis examines how the aftermath of second world war motivated a general revision of science and procure the basis of a new relation between mankind and its environment. Mathematics, Physics, and Biology gave birth to the Computer Sciences as a blend of different knowledge and procedures. In a time when the object of major sciences was being redefined, a few architects saw a promising opportunity for transforming the Architectural convention. By implementing the concepts, ontology and procedures of Cybernetics, Artificial Intelligence and Information Technology, they envisioned a new space for their discipline. In the verge of transgression three prescient architects proposed complete architectural systems through their writings and projects; New systems that challenged the profession exploring open fields through program and action, questioning the culture of conservatism; They shifted architectural endeavor from object to process. The thesis starts describing the scientific and architectural background that lead to that opportunity, annotating aspects of Systems Theory, Computing, Biology and previous Architecture form the process perspective. It then focuses on the Works of Christopher Alexander, Nicholas Negroponte and Cedric Price through their work, and examines each authors conceptual contribution. It proceeds to a critical analysis of their proposals on three key converging aspects: system, architectural encoding and process. Finally, the thesis provides a comparative discussion between the three authors, and unfolds the impact of their work in todays architectural scenario. Their contribution to shift from service to speculation, from formal to informal , from unitary to multiple; from orthodox architecture studio to open laboratories of praxis through research. In order to conclude that triangle of concepts, other contributions come into scene to provide relevant predicates and complete those models. A reference to Gordon Pask and John Frazer is then provided with particular interest in their role as link between those pioneers and todays perspective, pushing the boundaries of both what architecture was and what it could become.