Lanthanide luminescent logic gate mimics in soft matter: [H(+)] and [F(-)] dual-input device in a polymer gel with potential for selective component release

The non-covalent incorporation of responsive luminescent lanthanide, Ln(iii), complexes with orthogonal outputs from Eu(iii) and Tb(iii) in a gel matrix allows for in situ logic operation with colorimetric outputs. Herein, we report an exemplar system with two inputs ([H(+)] and [F(-)]) within a p(HEMA-co-MMA) polymer organogel acting as a dual-responsive device and identify future potential for such systems.

Cybersecurity Test-Bed for IEC 61850 based Smart Substations

With the development and deployment of IEC 61850 based smart substations, cybersecurity vulnerabilities of supervisory control and data acquisition (SCADA) systems are increasingly emerging. In response to the emergence of cybersecurity vulnerabilities in smart substations, a test-bed is indispensable to enable cybersecurity experimentation. In this paper, a comprehensive and realistic cyber-physical test-bed has been built to investigate potential cybersecurity vulnerabilities and the impact of cyber-attacks on IEC 61850 based smart substations. This test-bed is close to a real production type environment, and has the ability to carry out end-to-end testing of cyber-attacks and physical consequences. A fuzz testing approach is proposed for detecting IEC 61850 based intelligent electronic devices (IEDs) and validated in the proposed test-bed.

Channel Measurements of Device-to-Device Communications at 2.45 GHz

In the future, device-to-device communications will become a fundamental part of cellular communications. Interoperability between handsets will be facilitated using frequencies located in a number of bands including those found in the Industrial, Scientific and Medical (ISM) band at 2.45 GHz. In this paper, we present the results of channel measurements made between two hypothetical cellular handsets operating at 2.45 GHz in an outdoor environment. We consider a range of typical usage scenarios such as both user equipment being held at the head while imitating a voice call, placed in user's pocket for both stationary and dynamic links. A range of parameter estimates obtained using the shadowed κ-μ fading model are also presented.

Clustering-Based Ensemble Learning for Activity Recognition in Smart Homes

Application of sensor-based technology within activity monitoring systems is becoming a popular technique within the smart environment paradigm. Nevertheless, the use of such an approach generates complex constructs of data, which subsequently requires the use of intricate activity recognition techniques to automatically infer the underlying activity. This paper explores a cluster-based ensemble method as a new solution for the purposes of activity recognition within smart environments. With this approach activities are modelled as collections of clusters built on different subsets of features. A classification process is performed by assigning a new instance to its closest cluster from each collection. Two different sensor data representations have been investigated, namely numeric and binary. Following the evaluation of the proposed methodology it has been demonstrated that the cluster-based ensemble method can be successfully applied as a viable option for activity recognition. Results following exposure to data collected from a range of activities indicated that the ensemble method had the ability to perform with accuracies of 94.2% and 97.5% for numeric and binary data, respectively. These results outperformed a range of single classifiers considered as benchmarks.

Fibre laser joining of highly dissimilar materials: Commercially pure Ti and PET hybrid joint for medical device applications

Laser transmission joining (LTJ) is growing in importance, and has the potential to become a niche technique for the fabrication of hybrid plastic-metal joints for medical device applications. The possibility of directly joining plastics to metals by LTJ has been demonstrated by a number of recent studies. However, a reliable and quantitative method for defining the contact area between the plastic and metal, facilitating calculation of the mechanical shear stress of the hybrid joints, is still lacking. A new method, based on image analysis using ImageJ, is proposed here to quantify the contact area at the joint interface. The effect of discolouration on the mechanical performance of the hybrid joints is also reported for the first time. Biocompatible polyethylene terephthalate (PET) and commercially pure titanium (Ti) were selected as materials for laser joining using a 200 W CW fibre laser system. The effect of laser power, scanning speed and stand-off distance between the nozzle tip and top surface of the plastic were studied and analysed by Taguchi L9 orthogonal array and ANOVA respectively. The surface morphology, structure and elemental composition on the PET and Ti surfaces after shearing/peeling apart were characterized by SEM, EDX, XRD and XPS.

Laser-fabricated PET-Ti Hybrid Joints for Medical Device Applications

Currently, micro-joining of plastic parts to metal parts in medical devices is achieved by using medical adhesives, For example, pacemakers, defibrillators and neurological stimulators are designed using silicone adhesive to seal the joint between the polyurethane connector module and the titanium can [1]. Nevertheless, the use of adhesive is problematic because it requires a long time to cure and has high tendency to produce leachable products which might be harmful to the human body. An alternative for directly joining plastics to metal without adhesive is therefore required. Laser transmission joining (LTJ) is growing in importance, and has the potential to gain the niche in micro-fabrication of plastics-metal hybrid joints for medical device applications. The possibility of directly joining plastics to metal by LTJ technique have been demonstrated by a number of studies in recent literature [2]. The widely-accepted understanding of LTJ between plastics and metal is that generation and rapid expansion of micro-bubbles at the plastics-metal interface exert high local pressure to press the melted plastics towards the metal surface features during the laser processing [2]. This subsequently creates the plastics-metal hybrid joint by the mechanisms of mechanical interlocking as well as chemical and physical bonds between the plastics and metal surfaces. Although the micro-bubbles can help promote the mechanical interlocking effect to increase the joint strength, the creation of bubble is a random and complex process depending on the complicated interactions between the laser intensity, thermal degradation properties of plastics, surface temperature and topographical features of metal. In an ideal situation, it is desirable to create the hybrid plastics-metal joint without bubbles. However, the mechanical performance of the hybrid plastics-metal joint without bubbles is still unknown, and systematic comparison between the hybrid joints with and without bubbles is lacking in literature. This becomes the objective of this study. In this work, the laser process parameters were carefully chosen from a preliminary study, such that different hybrid joints: with and without bubbles can be produced and compared. Biocompatible PET and commercially pure Ti were selected as materials for laser joining.

The OpenPMU Project: Challenges and perspectives:Challenges and Perspectives

The OpenPMU project is a platform for the development of Synchrophasor measurement technology, Phasor Measurement Units (PMU), in an open source manner. The project has now been operating for a number of years and has seen increased adoption at Universities and interest from electrical utilities. The OpenPMU device has recently been tested against the IEEE C37.118 standard and shown to operate within the specification. This paper discusses the OpenPMU project from the perspective of the past two years of experience and evaluates successes and opportunities for improvements in both the OpenPMU device and the philosophy of the design.

SWORD: an intelligent vibratory wearable device to improve rehabilitation in stroke patients

Anualmente ocorrem cerca de 16 milhões AVCs em todo o mundo. Cerca de metade dos sobreviventes irá apresentar défice motor que necessitará de reabilitação na janela dos 3 aos 6 meses depois do AVC. Nos países desenvolvidos, é estimado que os custos com AVCs representem cerca de 0.27% do Produto Interno Bruto de cada País. Esta situação implica um enorme peso social e financeiro. Paradoxalmente a esta situação, é aceite na comunidade médica a necessidade de serviços de reabilitação motora mais intensivos e centrados no doente. Na revisão do estado da arte, demonstra-se o arquétipo que relaciona metodologias terapêuticas mais intensivas com uma mais proficiente reabilitação motora do doente. Revelam-se também as falhas nas soluções tecnológicas existentes que apresentam uma elevada complexidade e custo associado de aquisição e manutenção. Desta forma, a pergunta que suporta o trabalho de doutoramento seguido inquire a possibilidade de criar um novo dispositivo de simples utilização e de baixo custo, capaz de apoiar uma recuperação motora mais eficiente de um doente após AVC, aliando intensidade com determinação da correcção dos movimentos realizados relativamente aos prescritos. Propondo o uso do estímulo vibratório como uma ferramenta proprioceptiva de intervenção terapêutica a usar no novo dispositivo, demonstra-se a tolerabilidade a este tipo de estímulos através do teste duma primeira versão do sistema apenas com a componente de estimulação num primeiro grupo de 5 doentes. Esta fase validará o subsequente desenvolvimento do sistema SWORD. Projectando o sistema SWORD como uma ferramenta complementar que integra as componentes de avaliação motora e intervenção proprioceptiva por estimulação, é descrito o desenvolvimento da componente de quantificação de movimento que o integra. São apresentadas as diversas soluções estudadas e o algoritmo que representa a implementação final baseada na fusão sensorial das medidas provenientes de três sensores: acelerómetro, giroscópio e magnetómetro. O teste ao sistema SWORD, quando comparado com o método de reabilitação tradicional, mostrou um ganho considerável de intensidade e qualidade na execução motora para 4 dos 5 doentes testados num segundo grupo experimental. É mostrada a versatilidade do sistema SWORD através do desenvolvimento do módulo de Tele-Reabilitação que complementa a componente de quantificação de movimento com uma interface gráfica de feedback e uma ferramenta de análise remota da evolução motora do doente. Finalmente, a partir da componente de quantificação de movimento, foi ainda desenvolvida uma versão para avaliação motora automatizada, implementada a partir da escala WMFT, que visa retirar o factor subjectivo da avaliação humana presente nas escalas de avaliação motora usadas em Neurologia. Esta versão do sistema foi testada num terceiro grupo experimental de cinco doentes.

Smart design of scaffolds obtained by biofabrication for tissue engineering applications

A engenharia de tecidos é um domínio tecnológico emergente em rápido desenvolvimento que se destina a produzir substitutos viáveis para a restauração, manutenção ou melhoria da função dos tecidos ou órgãos humanos. Uma das estratégias mais predominantes em engenharia de tecidos envolve crescimento celular sobre matrizes de suporte (scaffolds), biocompatíveis e biodegradáveis. Estas matrizes devem possuir não só elevadas propriedades mecânicas e vasculares, mas também uma elevada porosidade. Devido à incompatibilidade destes dois parâmetros, é necessário desenvolver estratégias de simulação de forma a obter estruturas optimizadas. A previsão real das propriedades mecânicas, vasculares e topológicas das matrizes de suporte, produzidas por técnicas de biofabricação, é muito importante para as diversas aplicações em engenharia de tecidos. A presente dissertação apresenta o estado da arte da engenharia de tecidos, bem como as técnicas de biofabricação envolvidas na produção de matrizes de suporte. Para o design optimizado de matrizes de suporte foi adoptada uma metodologia de design baseada tanto em métodos de elementos finitos para o cálculo do comportamento mecânico, vascular e as optimizações topológicas, como em métodos analíticos para a validação das simulações estruturais utilizando dados experimentais. Considerando que as matrizes de suporte são estruturas elementares do tipo LEGO, dois tipos de famílias foram consideradas, superfícies não periódicas e as superfícies triplas periódicas que descrevem superfícies naturais. Os objectivos principais desta dissertação são: i) avaliar as técnicas existentes de engenharia de tecidos; ii) avaliar as técnicas existentes de biofabricação para a produção de matrizes de suporte; iii) avaliar o desempenho e comportamento das matrizes de suporte; iv) implementar uma metodologia de design de matrizes de suporte em variáveis tais como a porosidade, geometria e comportamento mecânico e vascular por forma a auxiliar o processo de design; e por fim, v) validar experimentalmente a metodologia adoptada.

Micro/nanoreservoirs for controlled release of active species in smart functional coatings

This work reports one possible way to develop new functional coatings used to increase the life time of metallic structures. The functionalities selected and attributed to model coatings in the frame of this work were corrosion protection, self-sensing and prevention of fouling (antifouling). The way used to confer those functionalities to coatings was based on the encapsulation of active compounds (corrosion inhibitors, pH indicators and biocides) in micro and nanocontainers followed by their incorporation into the coating matrices. To confer active corrosion protection, one corrosion inhibitor (2-mercaptobenzothiazole, MBT) was encapsulated in two different containers, firstly in silica nanocapsules (SiNC) and in polyurea microcapsules (PU-MC). The incorporation of both containers in different models coatings shows a significant improvement in the corrosion protection of aluminum alloy 2024 (AA2024). Following the same approach, SiNC and PU-MC were also used for the encapsulation of phenolphthalein (one well known pH indicator) to introduce sensing properties in polymeric coatings. SiNC and PU-MC containing phenolphthalein acted as corrosion sensor, showing a pink coloration due to the beginning of cathodic reaction, resulting in a pH increase identified by those capsules. Their sensing performance was proved in suspension and when integrated in coatings for aluminium alloy 2024 and magnesium alloy AZ31. In a similar way, the biocide activity (antifouling) was assigned to two polymeric matrices using SiNC for encapsulation of one biocide (Dichloro-2-octyl-2H-isothiazol-3-one, DCOIT) and also SiNC-MBT was tested as biocide. The antifouling activity of those two encapsulated compounds was assessed through inhibition and consequent decrease in the bioluminescence of modified E. coli. That effect was verified in suspension and when incorporated in coatings for AISI 1008 carbon steel. The developed micro and nanocontainers presented the desired performance, allowing the introduction of new functionalities to model coatings, showing potential to be used as functional additives in the next generation of multifunctional coatings.

Estudo da contribuição dos smart polymers na eficácia e segurança do tratamento antineoplásico

O cancro é uma das mais conhecidas e temidas doenças existentes e, como tal, existe um grande interesse no desenvolvimento de métodos de tratamento das afeções tumorais. Os grandes avanços da quimioterapia têm dado ótimos resultados no tratamento do cancro. Contudo, a administração de fármacos antineoplásicos não garante uma elevada eficácia pois os tecidos tumorais apresentam propriedades estruturais que dificultam o transporte de agentes terapêuticos, como a disposição heterogénea dos vasos sanguíneos, a ausência de sistema linfático funcional, as inúmeras barreiras de transporte que o fármaco enfrenta até chegar às células alvo ou a disparidade da expressão de antigénios e recetores nas próprias células. Para além disso, os agentes quimioterapêuticos exibem elevada toxicidade não específica, afetando tanto as células tumorais como as células saudáveis, o que resulta frequentemente em severos efeitos secundários. Se a dose for reduzida para diminuir estes efeitos, a eficácia do tratamento diminuirá também; por outro lado, o aumento da dose, apesar de permitir um melhor controlo do crescimento do tumor, leva também a uma maior toxicidade nos tecidos saudáveis. Para contornar este efeito têm-se desenvolvido diferentes tipos de sistemas de libertação de fármacos com o objetivo de maximizar o direcionamento para os tumores e minimizar a toxicidade sistémica. Entre estas alternativas figuram os chamados smart polymers, que são macromoléculas que sofrem rápidas e reversíveis mudanças na sua estrutura em resposta a estímulos, os quais correspondem geralmente a pequenas alterações no meio, como pH, temperatura, incidência de radiação ou presença de determinadas substâncias químicas. Assim, associando um fármaco a um destes polímeros, em geral recorrendo a técnicas de encapsulação, é possível fazer com que a libertação do fármaco ocorra apenas nas células tumorais, seja por estas apresentarem as características necessárias para alterar a estrutura dos polímeros (acidez ou temperatura diferente das células saudáveis, por exemplo) ou por se conferir externamente à zona do tumor essas mesmas características (por exemplo, incidindo radiação na zona afetada). Os smart polymers têm outras vantagens. Os fármacos conjugados com estes polímeros têm tendência para se acumularem nos tecidos tumorais devido aos altos efeitos de permeabilidade e retenção nestas células e também demonstram menor toxicidade sistémica comparativamente com o fármaco livre. Além disso, os sistemas de libertação poliméricos podem permitir o aumento do tempo de semivida plasmático e da solubilidade dos fármacos de baixo peso molecular, assim como a sua libertação controlada. Com este trabalho pretende-se estudar mais profundamente de que forma é que a utilização dos smart polymers pode aumentar a eficácia e diminuir a toxicidade sistémica das terapias anticancerígenas no tratamento de afeções tumorais.