SMA-Based Muscle-Like Actuation in Biologically Inspired Robots: A State of the Art Review

New actuation technology in functional or "smart" materials has opened new horizons in robotics actuation systems. Materials such as piezo-electric fiber composites, electro-active polymers and shape memory alloys (SMA) are being investigated as promising alternatives to standard servomotor technology [52]. This paper focuses on the use of SMAs for building muscle-like actuators. SMAs are extremely cheap, easily available commercially and have the advantage of working at low voltages. The use of SMA provides a very interesting alternative to the mechanisms used by conventional actuators. SMAs allow to drastically reduce the size, weight and complexity of robotic systems. In fact, their large force-weight ratio, large life cycles, negligible volume, sensing capability and noise-free operation make possible the use of this technology for building a new class of actuation devices. Nonetheless, high power consumption and low bandwidth limit this technology for certain kind of applications. This presents a challenge that must be addressed from both materials and control perspectives in order to overcome these drawbacks. Here, the latter is tackled. It has been demonstrated that suitable control strategies and proper mechanical arrangements can dramatically improve on SMA performance, mostly in terms of actuation speed and limit cycles.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

A methodology to measure the interface shear strength by means of the fiber push-in test

A methodology is presented to measure the fiber/matrix interface shear strength in composites. The strategy is based on performing a fiber push-in test at the central fiber of highly-packed fiber clusters with hexagonal symmetry which are often found in unidirectional composites with a high volume fraction of fibers. The mechanics of this test was analyzed in detail by means of three-dimensional finite element simulations. In particular, the influence of different parameters (interface shear strength, toughness and friction as well as fiber longitudinal elastic modulus and curing stresses) on the critical load at the onset of debonding was established. From the results of the numerical simulations, a simple relationship between the critical load and the interface shear strength is proposed. The methodology was validated in an unidirectional C/epoxy composite and the advantages and limitations of the proposed methodology are indicated.

Rheological behaviour and functionality of inulin-extra virgin olive oil-based mashed potatoes

Developing products having a high nutritional value and good storage stability during freezing is a challenge. Inulin (I) and extra virgin olive oil (EVOO) have interesting functional properties. The e?ect of the addition of I and EVOO blends at di?erent I:EVOO ratios (0:0, 0:60, 15:45, 30:30, 45:15, 60:0, 30:45 and 45:30) on the rheological, physical, sensory and structural properties of fresh and frozen ? thawed mashed potatoes formulated without and with added cryoprotectants was analysed and compared. Addition of I and EVOO (either alone or blended) reduced apparent viscosity and pseudoplasticity producing softer systems, indicating that both ingredients behave as soft ?llers. Samples with added I at the higher concentrations )1 (?45 g kg ) showed lower ?ow index and consistency, which is related to formation of smaller I particles; microphotographs indicated that gelling properties of I depended mostly upon processing. Frozen ? thawed samples were judged more acceptable and creamier than their fresh counterparts.

Tunable liquid crystal-photonic crystal fiber interferometer

In this work, we present a novel interferometer based on liquid crystal and photonic crystal fiber technology. The objective of this project is the development of a tunable (switchable) modal (Mach-Zehnder) interferometer for optical communications or sensing.

Photonic liquid crystal fiber intermodal interferometer

In this work, we present a novel interferometer based on liquid crystal and photonic crystal fiber technology. The objective of this project is the development of a tunable (switchable) modal (Mach-Zehnder) interferometer for optical communications or sensing. This interferometer has been manufactured splicing a short portion (between 15 and 30 mm) of photonic crystal fiber with two single mode fiber pigtails. The study shows a high sensitivity of the interferometer to the polarization of the launching light.

Evaluation of cover crops based on characteristics of nitrogen use, and aerial and root growth

La caracterización de los cultivos cubierta (cover crops) puede permitir comparar la idoneidad de diferentes especies para proporcionar servicios ecológicos como el control de la erosión, el reciclado de nutrientes o la producción de forrajes. En este trabajo se estudiaron bajo condiciones de campo diferentes técnicas para caracterizar el dosel vegetal con objeto de establecer una metodología para medir y comparar las arquitecturas de los cultivos cubierta más comunes. Se estableció un ensayo de campo en Madrid (España central) para determinar la relación entre el índice de área foliar (LAI) y la cobertura del suelo (GC) para un cultivo de gramínea, uno de leguminosa y uno de crucífera. Para ello se sembraron doce parcelas con cebada (Hordeum vulgare L.), veza (Vicia sativa L.), y colza (Brassica napus L.). En 10 fechas de muestreo se midieron el LAI (con estimaciones directas y del LAI-2000), la fracción interceptada de la radiación fotosintéticamente activa (FIPAR) y la GC. Un experimento de campo de dos años (Octubre-Abril) se estableció en la misma localización para evaluar diferentes especies (Hordeum vulgare L., Secale cereale L., x Triticosecale Whim, Sinapis alba L., Vicia sativa L.) y cultivares (20) en relación con su idoneidad para ser usadas como cultivos cubierta. La GC se monitorizó mediante análisis de imágenes digitales con 21 y 22 muestreos, y la biomasa se midió 8 y 10 veces, respectivamente para cada año. Un modelo de Gompertz caracterizó la cobertura del suelo hasta el decaimiento observado tras las heladas, mientras que la biomasa se ajustó a ecuaciones de Gompertz, logísticas y lineales-exponenciales. Al final del experimento se determinaron el C, el N y el contenido en fibra (neutrodetergente, ácidodetergente y lignina), así como el N fijado por las leguminosas. Se aplicó el análisis de decisión multicriterio (MCDA) con objeto de obtener un ranking de especies y cultivares de acuerdo con su idoneidad para actuar como cultivos cubierta en cuatro modalidades diferentes: cultivo de cobertura, cultivo captura, abono verde y forraje. Las asociaciones de cultivos leguminosas con no leguminosas pueden afectar al crecimiento radicular y a la absorción de N de ambos componentes de la mezcla. El conocimiento de cómo los sistemas radiculares específicos afectan al crecimiento individual de las especies es útil para entender las interacciones en las asociaciones, así como para planificar estrategias de cultivos cubierta. En un tercer ensayo se combinaron estudios en rhizotrones con extracción de raíces e identificación de especies por microscopía, así como con estudios de crecimiento, absorción de N y 15N en capas profundas del suelo. Las interacciones entre raíces en su crecimiento y en el aprovisionamiento de N se estudiaron para dos de los cultivares mejor valorados en el estudio previo: uno de cebada (Hordeum vulgare L. cv. Hispanic) y otro de veza (Vicia sativa L. cv. Aitana). Se añadió N en dosis de 0 (N0), 50 (N1) y 150 (N2) kg N ha-1. Como resultados del primer estudio, se ajustaron correctamente modelos lineales y cuadráticos a la relación entre la GC y el LAI para todos los cultivos, pero en la gramínea alcanzaron una meseta para un LAI>4. Antes de alcanzar la cobertura total, la pendiente de la relación lineal entre ambas variables se situó en un rango entre 0.025 y 0.030. Las lecturas del LAI-2000 estuvieron correlacionadas linealmente con el LAI, aunque con tendencia a la sobreestimación. Las correcciones basadas en el efecto de aglutinación redujeron el error cuadrático medio del LAI estimado por el LAI-2000 desde 1.2 hasta 0.5 para la crucífera y la leguminosa, no siendo efectivas para la cebada. Esto determinó que para los siguientes estudios se midieran únicamente la GC y la biomasa. En el segundo experimento, las gramíneas alcanzaron la mayor cobertura del suelo (83-99%) y la mayor biomasa (1226-1928 g m-2) al final del mismo. Con la mayor relación C/N (27-39) y contenido en fibra digestible (53-60%) y la menor calidad de residuo (~68%). La mostaza presentó elevadas GC, biomasa y absorción de N en el año más templado en similitud con las gramíneas, aunque escasa calidad como forraje en ambos años. La veza presentó la menor absorción de N (2.4-0.7 g N m-2) debido a la fijación de N (9.8-1.6 g N m-2) y escasa acumulación de N. El tiempo térmico hasta alcanzar el 30% de GC constituyó un buen indicador de especies de rápida cubrición. La cuantificación de las variables permitió hallar variabilidad entre las especies y proporcionó información para posteriores decisiones sobre la selección y manejo de los cultivos cubierta. La agregación de dichas variables a través de funciones de utilidad permitió confeccionar rankings de especies y cultivares para cada uso. Las gramíneas fueron las más indicadas para los usos de cultivo de cobertura, cultivo captura y forraje, mientras que las vezas fueron las mejor como abono verde. La mostaza alcanzó altos valores como cultivo de cobertura y captura en el primer año, pero el segundo decayó debido a su pobre actuación en los inviernos fríos. Hispanic fue el mejor cultivar de cebada como cultivo de cobertura y captura, mientras que Albacete como forraje. El triticale Titania alcanzó la posición más alta como cultiva de cobertura, captura y forraje. Las vezas Aitana y BGE014897 mostraron buenas aptitudes como abono verde y cultivo captura. El MCDA permitió la comparación entre especies y cultivares proporcionando información relevante para la selección y manejo de cultivos cubierta. En el estudio en rhizotrones tanto la mezcla de especies como la cebada alcanzaron mayor intensidad de raíces (RI) y profundidad (RD) que la veza, con valores alrededor de 150 cruces m-1 y 1.4 m respectivamente, comparados con 50 cruces m-1 y 0.9 m para la veza. En las capas más profundas del suelo, la asociación de cultivos mostró valores de RI ligeramente mayores que la cebada en monocultivo. La cebada y la asociación obtuvieron mayores valores de densidad de raíces (RLD) (200-600 m m-3) que la veza (25-130) entre 0.8 y 1.2 m de profundidad. Los niveles de N no mostraron efectos claros en RI, RD ó RLD, sin embargo, el incremento de N favoreció la proliferación de raíces de veza en la asociación en capas profundas del suelo, con un ratio cebada/veza situado entre 25 a N0 y 5 a N2. La absorción de N de la cebada se incrementó en la asociación a expensas de la veza (de ~100 a 200 mg planta-1). Las raíces de cebada en la asociación absorbieron también más nitrógeno marcado de las capas profundas del suelo (0.6 mg 15N planta-1) que en el monocultivo (0.3 mg 15N planta-1). ABSTRACT Cover crop characterization may allow comparing the suitability of different species to provide ecological services such as erosion control, nutrient recycling or fodder production. Different techniques to characterize plant canopy were studied under field conditions in order to establish a methodology for measuring and comparing cover crops canopies. A field trial was established in Madrid (central Spain) to determine the relationship between leaf area index (LAI) and ground cover (GC) in a grass, a legume and a crucifer crop. Twelve plots were sown with either barley (Hordeum vulgare L.), vetch (Vicia sativa L.), or rape (Brassica napus L.). On 10 sampling dates the LAI (both direct and LAI-2000 estimations), fraction intercepted of photosynthetically active radiation (FIPAR) and GC were measured. A two-year field experiment (October-April) was established in the same location to evaluate different species (Hordeum vulgare L., Secale cereale L., x Triticosecale Whim, Sinapis alba L., Vicia sativa L.) and cultivars (20) according to their suitability to be used as cover crops. GC was monitored through digital image analysis with 21 and 22 samples, and biomass measured 8 and 10 times, respectively for each season. A Gompertz model characterized ground cover until the decay observed after frosts, while biomass was fitted to Gompertz, logistic and linear-exponential equations. At the end of the experiment C, N, and fiber (neutral detergent, acid and lignin) contents, and the N fixed by the legumes were determined. Multicriteria decision analysis (MCDA) was applied in order to rank the species and cultivars according to their suitability to perform as cover crops in four different modalities: cover crop, catch crop, green manure and fodder. Intercropping legumes and non-legumes may affect the root growth and N uptake of both components in the mixture. The knowledge of how specific root systems affect the growth of the individual species is useful for understanding the interactions in intercrops as well as for planning cover cropping strategies. In a third trial rhizotron studies were combined with root extraction and species identification by microscopy and with studies of growth, N uptake and 15N uptake from deeper soil layers. The root interactions of root growth and N foraging were studied for two of the best ranked cultivars in the previous study: a barley (Hordeum vulgare L. cv. Hispanic) and a vetch (Vicia sativa L. cv. Aitana). N was added at 0 (N0), 50 (N1) and 150 (N2) kg N ha-1. As a result, linear and quadratic models fitted to the relationship between the GC and LAI for all of the crops, but they reached a plateau in the grass when the LAI > 4. Before reaching full cover, the slope of the linear relationship between both variables was within the range of 0.025 to 0.030. The LAI-2000 readings were linearly correlated with the LAI but they tended to overestimation. Corrections based on the clumping effect reduced the root mean square error of the estimated LAI from the LAI-2000 readings from 1.2 to less than 0.50 for the crucifer and the legume, but were not effective for barley. This determined that in the following studies only the GC and biomass were measured. In the second experiment, the grasses reached the highest ground cover (83- 99%) and biomass (1226-1928 g/m2) at the end of the experiment. The grasses had the highest C/N ratio (27-39) and dietary fiber (53-60%) and the lowest residue quality (~68%). The mustard presented high GC, biomass and N uptake in the warmer year with similarity to grasses, but low fodder capability in both years. The vetch presented the lowest N uptake (2.4-0.7 g N/m2) due to N fixation (9.8-1.6 g N/m2) and low biomass accumulation. The thermal time until reaching 30% ground cover was a good indicator of early coverage species. Variable quantification allowed finding variability among the species and provided information for further decisions involving cover crops selection and management. Aggregation of these variables through utility functions allowed ranking species and cultivars for each usage. Grasses were the most suitable for the cover crop, catch crop and fodder uses, while the vetches were the best as green manures. The mustard attained high ranks as cover and catch crop the first season, but the second decayed due to low performance in cold winters. Hispanic was the most suitable barley cultivar as cover and catch crop, and Albacete as fodder. The triticale Titania attained the highest rank as cover and catch crop and fodder. Vetches Aitana and BGE014897 showed good aptitudes as green manures and catch crops. MCDA allowed comparison among species and cultivars and might provide relevant information for cover crops selection and management. In the rhizotron study the intercrop and the barley attained slightly higher root intensity (RI) and root depth (RD) than the vetch, with values around 150 crosses m-1 and 1.4 m respectively, compared to 50 crosses m-1 and 0.9 m for the vetch. At deep soil layers, intercropping showed slightly larger RI values compared to the sole cropped barley. The barley and the intercropping had larger root length density (RLD) values (200-600 m m-3) than the vetch (25-130) at 0.8-1.2 m depth. The topsoil N supply did not show a clear effect on the RI, RD or RLD; however increasing topsoil N favored the proliferation of vetch roots in the intercropping at deep soil layers, with the barley/vetch root ratio ranging from 25 at N0 to 5 at N2. The N uptake of the barley was enhanced in the intercropping at the expense of the vetch (from ~100 mg plant-1 to 200). The intercropped barley roots took up more labeled nitrogen (0.6 mg 15N plant-1) than the sole-cropped barley roots (0.3 mg 15N plant-1) from deep layers.

Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

Identification of intermediate debonding damage in FRP-plated RC beams based on multi-objective particle swarm optimization without updated baseline model

Fiber reinforced polymer composites (FRP) have found widespread usage in the repair and strengthening of concrete structures. FRP composites exhibit high strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and are convenient to use in repair applications. Externally bonded FRP flexural strengthening of concrete beams is the most extended application of this technique. A common cause of failure in such members is associated with intermediate crack-induced debonding (IC debonding) of the FRP substrate from the concrete in an abrupt manner. Continuous monitoring of the concrete?FRP interface is essential to pre- vent IC debonding. Objective condition assessment and performance evaluation are challenging activities since they require some type of monitoring to track the response over a period of time. In this paper, a multi-objective model updating method integrated in the context of structural health monitoring is demonstrated as promising technology for the safety and reliability of this kind of strengthening technique. The proposed method, solved by a multi-objective extension of the particle swarm optimization method, is based on strain measurements under controlled loading. The use of permanently installed fiber Bragg grating (FBG) sensors embedded into the FRP-concrete interface or bonded onto the FRP strip together with the proposed methodology results in an automated method able to operate in an unsupervised mode.

Mapping variability of soil water content and flux across 1¿1000 m scales using the actively heated fiber optic method

The Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method is shown to be capable of measuring soil water content several times per hour at 0.25 m spacing along cables of multiple kilometers in length. AHFO is based on distributed temperature sensing (DTS) observation of the heating and cooling of a buried fiber-optic cable resulting from an electrical impulse of energy delivered from the steel cable jacket. The results presented were collected from 750 m of cable buried in three 240 m colocated transects at 30, 60, and 90 cm depths in an agricultural field under center pivot irrigation. The calibration curve relating soil water content to the thermal response of the soil to a heat pulse of 10 W m−1 for 1 min duration was developed in the lab. This calibration was found applicable to the 30 and 60 cm depth cables, while the 90 cm depth cable illustrated the challenges presented by soil heterogeneity for this technique. This method was used to map with high resolution the variability of soil water content and fluxes induced by the nonuniformity of water application at the surface.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Design of equalized ROADMs devices with flexible bandwidth based on LCoS technology

This paper describes the theory, design, applications and performance of a new Reconfigurable Add-drop Multiplexer (ROADM) with flexible bandwidth allocation. The device can address several wavelengths at the input to four output fibers, according to the holograms stored in a SLM (Spatial Light Modulator), where all the outputs are equalized in power. All combinations of the input wavelengths are possible at the different output fibers. Each fiber has assigned all the signals with the same bandwidth; the possible bandwidths are 12.5GHz, 25GHz, 50GHz and 100GHz, according to ITU-T 694.1 Recommendation. It is possible to route several signals with different bandwidth in real time thanks to Liquid Crystal over Silicon (LCoS) technology.

Analysis of signal impairment and crosstalk penalty induced by different types of optical filters in 100 Gbps PM-DQPSK based systems

Optical filters are crucial elements in optical communication networks. Their influence toward the optical signal will affect the communication quality seriously. In this paper we will study and simulate the optical signal impairment and crosstalk penalty caused by different kinds of filters, which include Butterworth, Bessel, Fiber Bragg Grating (FBG) and Fabry-Perot (F-P). Signal impairment from filter concatenation effect and crosstalk penalty from out-band and in-band are analyzed from Q-penalty, eye opening penalty (EOP) and optical spectrum. The simulation results show that signal impairment and crosstalk penalty induced by the Butterworth filter is the minimum among these four types of filters. Signal impairment caused by filter concatenation effect shows that when center frequency of all filters is aligned perfectly with the laser's frequency, 12 50-GHz Butterworth filters can be cascaded, with 1-dB EOP. This value is reduced to 9 when the center frequency is misaligned with 5 GHz. In the 50-GHz channel spacing DWDM networks, total Q-penalty induced by a pair of Butterworth filters based demultiplexer and multiplexer is lower than 0.5 dB when the filter bandwidth is in the range of 42-46 GHz.

Multiscale-fiber-reinforced thermoplastic composites incorporating carbon nanotubes: A review

This article reviews recent literature on hierarchical thermoplastic-based composites that simultaneously incorporate carbon nanotubes (CNTs) and conventional microscale fibers, and discusses the structure?property relationships of the resulting hybrids. The mixing of multiple and multiscale constituents enables the preparation of materials with new or improved properties due to synergistic effects. By exploiting the outstanding mechanical, thermal and electrical properties of CNTs, a new generation of multifunctional high-performance composites suitable for a wide variety of applications can be developed.

Productive performance of brown-egg laying pullets from hatching to 5 weeks of age as affected by fiber inclusion, feed form, and energy concentration of the diet

The effects of fiber inclusion, feed form, and energy concentration of the diet on the growth performance of pullets from hatching to 5 wk age were studied in 2 experiments. In Experiment 1, there was a control diet based on cereals and soybean meal, and 6 extra diets that included 2 or 4% of cereal straw, sugar beet pulp (SBP), or sunflower hulls (SFHs) at the expense (wt/wt) of the whole control diet. From hatching to 5 wk age fiber inclusion increased (P < 0.05) ADG and ADFI, and improved (P < 0.05) energy efficiency (EnE; kcal AMEn/g ADG), but body weight (BW) uniformity was not affected. Pullets fed SFH tended to have higher ADG than pullets fed SBP (P = 0.072) with pullets fed straw being intermediate. The feed conversion ratio (FCR) was better (P < 0.05) with 2% than with 4% fiber inclusion. In Experiment 2, 10 diets were arranged as a 2×5 factorial with 2 feed forms (mash vs. crumbles) and 5 levels of AMEn (2,850, 2,900, 2,950, 3,000, and 3,050 kcal/kg). Pullets fed crumbles were heavier and had better FCR than pullets fed mash (P < 0.001). An increase in the energy content of the crumble diets reduced ADFI and improved FCR linearly, but no effects were detected with the mash diets (P < 0.01 and P < 0.05 for the interactions). Feeding crumbles tended to improve BW uniformity at 5 wk age (P = 0.077) but no effects were detected with increases in energy concentration of the diet. In summary, the inclusion of moderate amounts of fiber in the diet improves pullet performance from hatching to 5 wk age. The response of pullets to increases in energy content of the diet depends on feed form with a decrease in feed intake when fed crumbles but no changes when fed mash. Feeding crumbles might be preferred to feeding mash in pullets from hatching to 5 wk age.