Análisis de la geometría de Pablo Palazuelo desde la visión del arquitecto

Esta investigación indaga sobre la relación entre el método geométrico empleado por Pablo Palazuelo y el proceso del proyecto arquitectónico. La elección de este pintor y escultor madrileño como hilo conductor de esta tesis no es fortuita, puesto que la arquitectura desempeña una influencia esencial sobre su obra. Un influjo que le llega en parte a través de su formación académica, dado que cursó estudios de arquitectura en la School of Arts and Crafts de la ciudad de Oxford (1933-1936). Así mismo diseñó propuestas estrechamente vinculadas a un lugar construido, con el consiguiente condicionante de las trazas del mismo. La hipótesis de trabajo formulada a partir de textos elaborados por autores como Víctor Nieto Alcaide y Juan Daniel Fullaondo sugería una interconexión con la arquitectura orgánica. Como comprobación del grado de profundidad en otros análisis publicados, se han seleccionado los textos que indagan en el proceso que el artista desarrollaba durante la producción de su obra, y se adentran en cuestiones estructurales que trascienden el ámbito formal. Siguiendo esta pauta, además de una acotación temporal, se han escogido los realizados por Santiago Amón, Carme Bonell, Valerio Bozal, Manuel J. Borja-Villel, Francisco Calvo Serraller, Claude Esteban, Julián Gállego, Teresa Grandas, Max Hölzer, George Limbour, Kevin Power y Carlos Rodríguez-Spiteri. A estos autores se suman las fuentes orales consultadas dentro de un entorno intrínsecamente próximo a sus realizaciones, procedentes de Pere Casanovas y Soledad Lorenzo. Además de personas que en diferentes etapas de su vida coincidieron por distintos motivos con sus realizaciones, como son Ramón Ayerza, Mariano Bayón, José Antonio Corrales, Luis Gordillo, Rafael Moneo, José Rodríguez-Spiteri y Antonio Tornero. A partir del acceso obtenido a los escritos, libros, bocetos y abundante obra gráfica y escultórica que atesora la Fundación del pintor, se ha podido elaborar un andamiaje tanto teórico como geométrico que ha servido de base para confrontar estas premisas. Esta empresa se ha estructurado en una narración que, además de los estudios precedentes citados, comienza con los cimientos del pensamiento de Palazuelo. Elaborada a partir de sus escritos, donde defendía un sincretismo que concilia las visiones de las culturas occidental y oriental. En los siguientes apartados, se han analizado las principales obras gráficas y escultóricas del autor haciendo un especial hincapié en el método productivo. Una gestación que se resiste a una mera enumeración cronológica, por lo que la clasificación que se propone en este trabajo trata de ser lo más fiel posible al espíritu expresado por Palazuelo basado en linajes y coherencias, para desvelar las herramientas empleadas y poder compararlas con el proceso del proyectual. Este recorrido se completa con una última sección se reúnen por primera vez las dieciséis obras y los dieciséis proyectos más representativos que ilustran la aproximación más directa que obró Palazuelo entre sus investigaciones geométricas y un locus determinado. Durante casi cuatro años se desarrolló un inventariado y catalogación pormenorizada de la documentación y piezas sobre papel, lienzo y metal realizadas por Palazuelo. Esta indagación saca a la luz un conjunto constituido por casi cuatro mil obras, en su mayoría inéditas, que constituyen el archivo de la citada institución. En definitiva, esta investigación construye un tejido gráfico y geométrico referido a uno de los artistas españoles más importantes del siglo XX, entreverado por su pensamiento teórico y realizaciones en dibujos, maquetas, esculturas y propuestas arquitectónicas. Las cuales permiten establecer los acuerdos y desacuerdos con el proceso de la arquitectura para proponer una nueva aproximación geométrica interdisciplinar. ABSTRACT This research investigates the relationship between the geometric method used by Palazuelo and the architectural design’s process. Choosing this Spanish painter and sculptor as thread of this thesis is not fortuitous, since the architecture has an essential influence on his work. An influx that arrives in part through his academic training, as he was an architecture student at the School of Arts and Crafts of the city of Oxford (1933-1936). Furthermore his proposals designed closely linked to a built place, therefore conditioned by its traces. The working hypothesis formulated from texts written by authors like Victor Nieto Alcaide and Juan Daniel Fullaondo suggested an interconnection with organic architecture. As a check on the degree of depth in other published reviews, articles that explore the process that the artist developed during the production of his work, and penetrate into structural issues beyond formal domain have been selected. Following this pattern, along with a temporal dimension, assays by Santiago Amón, Carme Bonell, Valerio Bozal, Manuel J. Borja-Villel, Francisco Calvo Serraller, Claude Esteban, Julián Gállego, Teresa Grandas, Max Hölzer, George Limbour, Kevin Power and Carlos Rodriguez-Spiteri have been selected. Oral sources within an inherently environment close to his achievements, as Pere Casanovas and Soledad Lorenzo, are also added. In addition to people coincided with his accomplishments, such as Ramón Ayerza, Mariano Bayón, José Antonio Corrales, Luis Gordillo, Rafael Moneo, José Rodríguez-Spiteri and Antonio Tornero. From obtained access to the writings, books, sketches and abundant graphic and sculptural work that holds the Foundation painter, it has been able to develop a theoretical and geometric framework that have served as the basis for confronting these premises. This dissertation has been structured in a narrative that ⎯in addition to the previously mentioned studies⎯, begins with the foundations of Palazuelo thought. A structure built from his writings, where he defended a syncretism that reconciles the views of Western and Eastern cultures. In the following sections, his main graphic and sculptural works have been analyzed with particular emphasis on the productive method. A process that resists mere chronological enumeration, so the classification proposed in this investigation tries to be as faithful as possible to the spirit expressed by Palazuelo, based on bloodlines and coherences, to uncover the tools he used and to compare them with the architectural design process. This tour is completed with a final chapter that gathers the sixteen proposals and sixteen works most representative projects that illustrate the more direct approach that Palazuelo worked between geometric investigations and a given locus. For nearly four years, a detailed inventory and cataloguing of documents and works on paper, canvas and metal made by Palazuelo was developed. This research brings to light a set consisting of nearly four thousand works, mostly unpublished, that constitute the current archive of the aforementioned institution. Ultimately, this research builds a graph and geometric fabric referred to one of the most important Spanish artists of the twentieth century, interspersed by his theoretical thinking and achievements in drawings, models, sculptures and architectural proposals. Which allow establishing agreements and disagreements with the process of architecture to propose a new geometric interdisciplinary approach.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Optimización multiobjetivo inteligente del dimensionamiento energético en sistemas ferroviarios señalizados y en plataformas software de tiempo real

La capacidad de transporte es uno de los baremos fundamentales para evaluar la progresión que puede llegar a tener un área económica y social. Es un sector de elevada importancia para la sociedad actual. Englobado en los distintos tipos de transporte, uno de los medios de transporte que se encuentra más en alza en la actualidad, es el ferroviario. Tanto para movilidad de pasajeros como para mercancías, el tren se ha convertido en un medio de transporte muy útil. Se encuentra dentro de las ciudades, entre ciudades con un radio pequeño entre ellas e incluso cada vez más, gracias a la alta velocidad, entre ciudades con gran distancia entre ellas. Esta Tesis pretende ayudar en el diseño de una de las etapas más importantes de los Proyectos de instalación de un sistema ferroviario: el sistema eléctrico de tracción. La fase de diseño de un sistema eléctrico de tracción ferroviaria se enfrenta a muchas dudas que deben ser resueltas con precisión. Del éxito de esta fase dependerá la capacidad de afrontar las demandas de energía de la explotación ferroviaria. También se debe atender a los costes de instalación y de operación, tanto costes directos como indirectos. Con la Metodología que se presenta en esta Tesis se ofrecerá al diseñador la opción de manejar un sistema experto que como soluciones le plantee un conjunto de escenarios de sistemas eléctricos correctos, comprobados por resolución de modelos de ecuaciones. Correctos desde el punto de vista de validez de distintos parámetros eléctrico, como de costes presupuestarios e impacto de costes indirectos. Por tanto, el diseñador al haber hecho uso de esta Metodología, tendría en un espacio de tiempo relativamente corto, un conjunto de soluciones factibles con las que poder elegir cuál convendría más según sus intereses finales. Esta Tesis se ha desarrollado en una vía de investigación integrada dentro del Centro de Investigaciones Ferroviarias CITEF-UPM. Entre otros proyectos y vías de investigación, en CITEF se ha venido trabajando en estudios de validación y dimensionamiento de sistemas eléctricos ferroviarios con diversos y variados clientes y sistemas ferroviarios. A lo largo de los proyectos realizados, el interés siempre ha girado mayoritariamente sobre los siguientes parámetros del sistema eléctrico: - Calcular número y posición de subestaciones de tracción. Potencia de cada subestación. - Tipo de catenaria a lo largo del recorrido. Conductores que componen la catenaria. Características. - Calcular número y posición de autotransformadores para sistemas funcionando en alterna bitensión o 2x25kV. - Posición Zonas Neutras. - Validación según normativa de: o Caídas de tensión en la línea o Tensiones máximas en el retorno de la línea o Sobrecalentamiento de conductores o Sobrecalentamiento de los transformadores de las subestaciones de tracción La idea es que las soluciones aportadas por la Metodología sugieran escenarios donde de estos parámetros estén dentro de los límites que marca la normativa. Tener la posibilidad de tener un repositorio de posibles escenarios donde los parámetros y elementos eléctricos estén calculados como correctos, aporta un avance en tiempos y en pruebas, que mejoraría ostensiblemente el proceso habitual de diseño para los sistemas eléctricos ferroviarios. Los costes directos referidos a elementos como subestaciones de tracción, autotransformadores, zonas neutras, ocupan un gran volumen dentro del presupuesto de un sistema ferroviario. En esta Tesis se ha querido profundizar también en el efecto de los costes indirectos provocados en la instalación y operación de sistemas eléctricos. Aquellos derivados del impacto medioambiental, los costes que se generan al mantener los equipos eléctricos y la instalación de la catenaria, los costes que implican la conexión entre las subestaciones de tracción con la red general o de distribución y por último, los costes de instalación propios de cada elemento compondrían los costes indirectos que, según experiencia, se han pensado relevantes para ejercer un cierto control sobre ellos. La Metodología cubrirá la posibilidad de que los diseños eléctricos propuestos tengan en cuenta variaciones de coste inasumibles o directamente, proponer en igualdad de condiciones de parámetros eléctricos, los más baratos en función de los costes comentados. Analizando los costes directos e indirectos, se ha pensado dividir su impacto entre los que se computan en la instalación y los que suceden posteriormente, durante la operación de la línea ferroviaria. Estos costes normalmente suelen ser contrapuestos, cuánto mejor es uno peor suele ser el otro y viceversa, por lo que hace falta un sistema que trate ambos objetivos por separado. Para conseguir los objetivos comentados, se ha construido la Metodología sobre tres pilares básicos: - Simulador ferroviario Hamlet: Este simulador integra módulos para construir esquemas de vías ferroviarios completos; módulo de simulación mecánica y de la tracción de material rodante; módulo de señalización ferroviaria; módulo de sistema eléctrico. Software realizado en C++ y Matlab. - Análisis y estudio de cómo focalizar los distintos posibles escenarios eléctricos, para que puedan ser examinados rápidamente. Pico de demanda máxima de potencia por el tráfico ferroviario. - Algoritmos de optimización: A partir de un estudio de los posibles algoritmos adaptables a un sistema tan complejo como el que se plantea, se decidió que los algoritmos genéticos serían los elegidos. Se han escogido 3 algoritmos genéticos, permitiendo recabar información acerca del comportamiento y resultados de cada uno de ellos. Los elegidos por motivos de tiempos de respuesta, multiobjetividad, facilidad de adaptación y buena y amplia aplicación en proyectos de ingeniería fueron: NSGA-II, AMGA-II y ɛ-MOEA. - Diseño de funciones y modelo preparado para trabajar con los costes directos e indirectos y las restricciones básicas que los escenarios eléctricos no deberían violar. Estas restricciones vigilan el comportamiento eléctrico y la estabilidad presupuestaria. Las pruebas realizadas utilizando el sistema han tratado o bien de copiar situaciones que se puedan dar en la realidad o directamente sistemas y problemas reales. Esto ha proporcionado además de la posibilidad de validar la Metodología, también se ha posibilitado la comparación entre los algoritmos genéticos, comparar sistemas eléctricos escogidos con los reales y llegar a conclusiones muy satisfactorias. La Metodología sugiere una vía de trabajo muy interesante, tanto por los resultados ya obtenidos como por las oportunidades que puede llegar a crear con la evolución de la misma. Esta Tesis se ha desarrollado con esta idea, por lo que se espera pueda servir como otro factor para trabajar con la validación y diseño de sistemas eléctricos ferroviarios. ABSTRACT Transport capacity is one of the critical points to evaluate the progress than a specific social and economical area is able to reach. This is a sector of high significance for the actual society. Included inside the most common types of transport, one of the means of transport which is elevating its use nowadays is the railway. Such as for passenger transport of weight movements, the train is being consolidated like a very useful mean of transport. Railways are installed in many geography areas. Everyone know train in cities, or connecting cities inside a surrounding area or even more often, taking into account the high-speed, there are railways infrastructure between cities separated with a long distance. This Ph.D work aims to help in the process to design one of the most essential steps in Installation Projects belonging to a railway system: Power Supply System. Design step of the railway power supply, usually confronts to several doubts and uncertainties, which must be solved with high accuracy. Capacity to supply power to the railway traffic depends on the success of this step. On the other hand is very important to manage the direct and indirect costs derived from Installation and Operation. With the Methodology is presented in this Thesis, it will be offered to the designer the possibility to handle an expert system that finally will fill a set of possible solutions. These solutions must be ready to work properly in the railway system, and they were tested using complex equation models. This Thesis has been developed through a research way, integrated inside Citef (Railway Research Centre of Technical University of Madrid). Among other projects and research ways, in Citef has been working in several validation studies and dimensioning of railway power supplies. It is been working by a large range of clients and railways systems. Along the accomplished Projects, the main goal has been rounded mostly about the next list of parameters of the electrical system: - Calculating number and location of traction substations. Power of each substation. - Type of Overhead contact line or catenary through the railway line. The wires which set up the catenary. Main Characteristics. - Calculating number and position of autotransformers for systems working in alternating current bi-voltage of called 2x25 kV. - Location of Neutral Zones. - Validating upon regulation of: o Drop voltages along the line o Maximum return voltages in the line o Overheating/overcurrent of the wires of the catenary o Avoiding overheating in the transformers of the traction substations. Main objective is that the solutions given by the Methodology, could be suggest scenarios where all of these parameters from above, would be between the limits established in the regulation. Having the choice to achieve a repository of possible good scenarios, where the parameters and electrical elements will be assigned like ready to work, that gives a great advance in terms of times and avoiding several tests. All of this would improve evidently the regular railway electrical systems process design. Direct costs referred to elements like traction substations, autotransformers, neutral zones, usually take up a great volume inside the general budget in railway systems. In this Thesis has been thought to bear in mind another kind of costs related to railway systems, also called indirect costs. These could be enveloped by those enmarked during installation and operation of electrical systems. Those derived from environmental impact; costs generated during the maintenance of the electrical elements and catenary; costs involved in the connection between traction substations and general electric grid; finally costs linked with the own installation of the whole electrical elements needed for the correct performance of the railway system. These are integrated inside the set has been collected taking into account own experience and research works. They are relevant to be controlled for our Methodology, just in case for the designers of this type of systems. The Methodology will cover the possibility that the final proposed power supply systems will be hold non-acceptable variations of costs, comparing with initial expected budgets, or directly assuming a threshold of budget for electrical elements in actual scenario, and achieving the cheapest in terms of commented costs from above. Analyzing direct and indirect costs, has been thought to divide their impact between two main categories. First one will be inside the Installation and the other category will comply with the costs often happens during Railway Operation time. These costs normally are opposed, that means when one is better the other turn into worse, in costs meaning. For this reason is necessary treating both objectives separately, in order to evaluate correctly the impact of each one into the final system. The objectives detailed before build the Methodology under three basic pillars: - Railway simulator Hamlet: This software has modules to configure many railway type of lines; mechanical and traction module to simulate the movement of rolling stock; signaling module; power supply module. This software has been developed using C++ and Matlab R13a - Previously has been mandatory to study how would be possible to work properly with a great number of feasible electrical systems. The target comprised the quick examination of these set of scenarios in terms of time. This point is talking about Maximum power demand peaks by railway operation plans. - Optimization algorithms. A railway infrastructure is a very complex system. At the beginning it was necessary to search about techniques and optimization algorithms, which could be adaptable to this complex system. Finally three genetic multiobjective algorithms were the chosen. Final decision was taken attending to reasons such as time complexity, able to multiobjective, easy to integrate in our problem and with a large application in engineering tasks. They are: NSGA-II, AMGA-II and ɛ-MOEA. - Designing objectives functions and equation model ready to work with the direct and indirect costs. The basic restrictions are not able to avoid, like budgetary or electrical, connected hardly with the recommended performance of elements, catenary and safety in a electrical railway systems. The battery of tests launched to the Methodology has been designed to be as real as possible. In fact, due to our work in Citef and with real Projects, has been integrated and configured three real railway lines, in order to evaluate correctly the final results collected by the Methodology. Another topic of our tests has been the comparison between the performances of the three algorithms chosen. Final step has been the comparison again with different possible good solutions, it means power supply system designs, provided by the Methodology, testing the validity of them. Once this work has been finished, the conclusions have been very satisfactory. Therefore this Thesis suggest a very interesting way of research and work, in terms of the results obtained and for the future opportunities can be created with the evolution of this. This Thesis has been developed with this idea in mind, so is expected this work could adhere another factor to work in the difficult task of validation and design of railway power supply systems.

Improving flexible databases searches using machine learning

El objetivo principal de este proyecto ha sido introducir aprendizaje automático en la aplicación FleSe. FleSe es una aplicación web que permite realizar consultas borrosas sobre bases de datos nítidos. Para llevar a cabo esta función la aplicación utiliza unos criterios para definir los conceptos borrosos usados para llevar a cabo las consultas. FleSe además permite que el usuario cambie estas personalizaciones. Es aquí donde introduciremos el aprendizaje automático, de tal manera que los criterios por defecto cambien y aprendan en función de las personalizaciones que van realizando los usuarios. Los objetivos secundarios han sido familiarizarse con el desarrollo y diseño web, al igual que recordar y ampliar el conocimiento sobre lógica borrosa y el lenguaje de programación lógica Ciao-Prolog. A lo largo de la realización del proyecto y sobre todo después del estudio de los resultados se demuestra que la agrupación de los usuarios marca la diferencia con la última versión de la aplicación. Esto se basa en la siguiente idea, podemos usar un algoritmo de aprendizaje automático sobre las personalizaciones de los criterios de todos los usuarios, pero la gran diversidad de opiniones de los usuarios puede llevar al algoritmo a concluir criterios erróneos o no representativos. Para solucionar este problema agrupamos a los usuarios intentando que cada grupo tengan la misma opinión o mismo criterio sobre el concepto. Y después de haber realizado las agrupaciones usar el algoritmo de aprendizaje automático para precisar el criterio por defecto de cada grupo de usuarios. Como posibles mejoras para futuras versiones de la aplicación FleSe sería un mejor control y manejo del ejecutable plserver. Este archivo se encarga de permitir a la aplicación web usar el lenguaje de programación lógica Ciao-Prolog para llevar a cabo la lógica borrosa relacionada con las consultas. Uno de los problemas más importantes que ofrece plserver es que bloquea el hilo de ejecución al intentar cargar un archivo con errores y en caso de ocurrir repetidas veces bloquea todas las peticiones siguientes bloqueando la aplicación. Pensando en los usuarios y posibles clientes, sería también importante permitir que FleSe trabajase con bases de datos de SQL en vez de almacenar la base de datos en los archivos de Prolog. Otra posible mejora basarse en distintas características a la hora de agrupar los usuarios dependiendo de los conceptos borrosos que se van ha utilizar en las consultas. Con esto se conseguiría que para cada concepto borroso, se generasen distintos grupos de usuarios, los cuales tendrían opiniones distintas sobre el concepto en cuestión. Así se generarían criterios por defecto más precisos para cada usuario y cada concepto borroso.---ABSTRACT---The main objective of this project has been to introduce machine learning in the application FleSe. FleSe is a web application that makes fuzzy queries over databases with precise information, using defined criteria to define the fuzzy concepts used by the queries. The application allows the users to change and custom these criteria. On this point is where the machine learning would be introduced, so FleSe learn from every new user customization of the criteria in order to generate a new default value of it. The secondary objectives of this project were get familiar with web development and web design in order to understand the how the application works, as well as refresh and improve the knowledge about fuzzy logic and logic programing. During the realization of the project and after the study of the results, I realized that clustering the users in different groups makes the difference between this new version of the application and the previous. This conclusion follows the next idea, we can use an algorithm to introduce machine learning over the criteria that people have, but the problem is the diversity of opinions and judgements that exists, making impossible to generate a unique correct criteria for all the users. In order to solve this problem, before using the machine learning methods, we cluster the users in order to make groups that have the same opinion, and afterwards, use the machine learning methods to precise the default criteria of each users group. The future improvements that could be important for the next versions of FleSe will be to control better the behaviour of the plserver file, that cost many troubles at the beginning of this project and it also generate important errors in the previous version. The file plserver allows the web application to use Ciao-Prolog, a logic programming language that control and manage all the fuzzy logic. One of the main problems with plserver is that when the user uploads a file with errors, it will block the thread and when this happens multiple times it will start blocking all the requests. Oriented to the customer, would be important as well to allow FleSe to manage and work with SQL databases instead of store the data in the Prolog files. Another possible improvement would that the cluster algorithm would be based on different criteria depending on the fuzzy concepts that the selected Prolog file have. This will generate more meaningful clusters, and therefore, the default criteria offered to the users will be more precise.

Sistemas radiolarios: geometrías y arquitecturas derivadas

Uno de los temas más importantes dentro del debate contemporáneo, es el que se refiere a la sostenibilidad a largo plazo de la sociedad tal y como la entendemos hoy. El ser humano está recuperando la sensibilidad perdida que le concebía como una pieza más dentro del ciclo natural de la vida. Por fin hemos entendido que no podemos ser auto suficientes e independientes del entorno natural que nos rodea. Más allá del respeto y del cuidado, está abierta la puerta del conocimiento infinito que nos brinda la naturaleza a todos los niveles y a todas las escalas. Dentro de la disciplina arquitectónica han existido ejemplos como Antoni Gaudí o Frei Otto que han referenciado su obra en el mundo Natural, encontrando en él las estrategias y bases para el diseño arquitectónico. Sin embargo han sido una minoría dentro del enorme elenco de arquitectos defensores del ángulo recto. En las últimas décadas, la tendencia está cambiando. No nos referimos tanto a la sensibilidad creciente por conseguir una mayor eficiencia energética que ha llevado a una puesta en valor de la arquitectura vernácula, trasladando su sabiduría a las estrategias bioclimáticas. Nos referimos a un caso específico dentro del amplio abanico de formas arquitectónicas que han aparecido gracias a la incorporación de las herramientas computacionales en el diseño y la producción. Las arquitecturas que nos interesan son las que aprovechan estas técnicas para analizar e interpretar las estrategias complejas y altamente eficientes que encontramos en la naturaleza, y trasladarlas a la disciplina arquitectónica. Esta tendencia que se enmarca dentro de la Biomímesis o Biomimética es conocida con el nombre de Bioarquitectura. La presente tesis trata de morfología y sobre todo de morfogénesis. El término morfología se refiere al estudio de una forma concreta que nos permite entender un caso específico, nuestro foco de atención se centra sin embargo en la morfogénesis, es decir, en el estudio de los procesos de generación de esas formas, para poder reproducir patrones y generar abanicos de casos adaptables y reconfigurables. El hecho de estudiar la forma no quiere decir que ésta sea una tesis “formalista” con la connotación peyorativa y gestual que se le suele atribuir a este término. La investigación concibe el concepto de forma como lo hace el mundo natural: forma como síntesis de eficiencia. No hay ninguna forma natural gratuita, que no cumpla una función determinada y que no se desarrolle con el mínimo material y gaste la mínima energía posible. Este afán por encontrar la “forma eficaz” es lo que nos hace traspasar la frontera de la arquitectura formalista. El camino de investigación morfológica se traza, como el título de la tesis indica, siguiendo el hilo conductor concreto de los radiolarios. Estos microorganismos unicelulares poseen unos esqueletos tan complejos que para poder entender su morfología es necesario establecer un amplio recorrido que abarca más de 4.000 años de conocimiento humano. Desde el descubrimiento de los sólidos platónicos, poliedros que configuran muchas de las formas globales de estos esqueletos; hasta la aplicación de los algoritmos generativos, que permiten entender y reproducir los patrones de comportamiento que existen detrás de los sistemas de compactación y teselación irregular de los esqueletos radiolarios. La tesis no pretende plantear el problema desde un punto de vista biológico, ni paleontológico, aunque inevitablemente en el primer capítulo se realiza un análisis referenciado del estado del conocimiento científico actual. Sí se analizan en mayor profundidad cuestiones morfológicas y se tratan los diferentes posicionamientos desde los cuales estos microorganismos han servido de referencia en la disciplina arquitectónica. Además encontramos necesario analizar otros patrones naturales que comparten estrategias generativas con los esqueletos radiolarios. Como ya hemos apuntado, en el segundo capítulo se aborda un recorrido desde las geometrías más básicas a las más complejas, que tienen relación con las estrategias de generación de las formas detectadas en los microorganismos. A su vez, el análisis de estas geometrías se intercala con ejemplos de aplicaciones dentro de la arquitectura, el diseño y el arte. Finalizando con un cronograma que sintetiza y relaciona las tres vías de investigación abordadas: natural, geométrica y arquitectónica. Tras los dos capítulos centrales, el capítulo final recapitula las estrategias analizadas y aplica el conocimiento adquirido en la tesis, mediante la realización de diferentes prototipos que abarcan desde el dibujo analítico tradicional, a la fabricación digital y el diseño paramétrico, pasando por modelos analógicos de escayola, barras metálicas, resina, silicona, látex, etc. ABSTRACT One of the most important issues in the contemporary debate, is the one concerning the long-term sustainability of society as we understand it today. The human being is recovering the lost sensitivity that conceived us as part of the natural cycle of life. We have finally understood that we cannot be self-sufficient and independent of the natural environment which surrounds us. Beyond respect and care, we’ll find that the gateway to the infinite knowledge that nature provides us at all levels and at all scales is open. Within the architectural discipline, there have been remarkable examples such as Antoni Gaudí or Frei Otto who have inspired their work in the natural world. Both, found in nature the strategies and basis of their architectural designs. However, they have been a minority within the huge cast of architects defenders of the right angle. In recent decades, the trend is changing. We are not referring to the growing sensitivity in trying to achieve energy efficiency that has led to an enhancement of vernacular architecture, transferring its wisdom to bioclimatic strategies. We refer to a specific case within the wide range of architectural forms that have appeared thanks to the integration of computer tools in both design and production processes. We are interested in architectures that exploit these techniques to analyse and interpret the complex and highly efficient strategies found in nature, and shift them to the discipline of architecture. This trend, which is being implemented in the framework of the Biomimicry or biomimetics, is called Bioarchitecture. This thesis deals with morphology and more specifically with morphogenesis. Morphology is the study of a concrete form that allows us to understand a specific case. However, our focus is centered in morphogenesis or, in other words, the study of the processes of generation of these forms, in order to replicate patterns and generate a range of adaptable and reconfigurable cases. The fact of studying shapes does not mean that this is a “formalistic” thesis with the pejorative connotation that is often attributed to this term. This study conceives the concept of shape as Nature does: as a synthesis of efficiency. There is no meaningless form in nature. Furthermore, forms and shapes in nature play a particular role and are developed with minimum energetic consumption. This quest to find the efficient shape is what makes us go beyond formalistic architecture. The road of morphological investigation is traced, as the title of the thesis suggests, following the thread of radiolaria. These single-cell microorganisms possess very complex skeletons, so to be able to understand their morphology we must establish a wide spectrum which spans throughout more than 4.000 years of human knowledge. From the discovery of the platonic solids, polyhedrons which configure a huge range of global shapes of these skeletons, through the application of generative algorithms which allow us to understand and recreate the behavioral patterns behind the systems of compression and irregular tessellation of the radiolarian skeletons. The thesis does not pretend to lay out the problem from a biological, paleontological standpoint, although inevitably the first chapter is developed through an analysis in reference to the current state of the science. A deeper analysis of morphological aspects and different positionings is taken into account where these microorganisms have served as reference in the architectonic discipline. In addition we find necessary to analyse other natural patterns which share generative strategies with radiolarian skeletons. Aforementioned, in the second chapter an itinerary of the most basic geometries to the more complex ones is addressed. These are related, in this chapter, to the generative strategies of the shapes found in microorganisms. At the same time, the analysis of these geometries is placed among examples of applications inside the fields of architecture, design and the arts. To come to an end, a time chart synthesizes and relates the three investigation paths addressed: natural, geometrical and architectonic. After the two central chapters, the final chapter summarises the strategies analysed and applies the knowledge acquired throughout the thesis. This final chapter is shaped by the realization of different prototypes which range from traditional analytical drawings, to digital fabrication and parametric design, going through plaster analogical models, metal bars, resin, silicone, latex, etc.

Diseño arquitectónico y protección en caso de incendio: desarrollo normativo español en materia de evacuación en los siglos XIX y XX

Esta es la búsqueda de respuestas a esa duda constante: De dónde venimos y que hemos ido dejando por el camino. ¿Está todo claro en este recorrido o hemos actuado por acumulación de errores heredados de procesos anteriores? Es la investigación a través del descubrimiento de nuestro pasado, de nuestros orígenes en materia de seguridad de protección contra incendios, y sobre todo de ejecución de una arquitectura pensada para ser recorrida con mayor seguridad y ser evacuada en un tiempo razonable. El trabajo investiga, a nivel nacional, la evolución de la sociedad y sus efectos sobre la manera de interpretar el problema de la seguridad contra incendios en los edificios. El interés fundamentalmente es poner en claro todos aquellos aspectos que afectan a la evacuación de las personas. Para ello se han estudiado los principales hitos de actuación, las preocupaciones principales surgidas en cada momento y las soluciones adoptadas. Se ha comprobado su aplicación o su demora hasta que se ha producido el siguiente gran suceso que ha motivado una nueva revisión de los procedimientos de diseño y control. En primer lugar, tratando de relacionar los incendios fundamentales que han influido en nuestra forma de abordar el problema en distintos momentos de la historia de España. En segundo lugar, haciendo un recorrido sobre la figura del arquitecto y su participación en los medios de control y legislación sobre la manera de intervenir en el servicio de incendios o de resolver los edificios en materia de protección contra incendios o evacuación de sus ocupantes. En definitiva, descubriendo los escritos de algunos especialistas, fundamentales para entender nuestra manera de abordar el problema de la protección en los edificios, a lo largo de la historia. Se ha revisado como se han producido los siniestros más importantes en teatros y otros locales públicos .Analizando la forma en que los arquitectos implicados han tratado de resolver las posibles deficiencias ante el riesgo. Se trata de la tipología edificatoria donde, por primera vez, surge la preocupación por adoptar medidas y procedimientos de seguridad en caso de incendio. Resultan locales con una importante siniestralidad, donde se desarrolla la principal actividad lúdica del momento, y que por el importante número de personas que albergan, son fuente de preocupación entre el público y las autoridades. Otras cuestiones en un tema tan amplio, que quedan simplemente esbozadas en este trabajo de investigación, son los procedimientos de los sistemas de extinción, la estructura organizativa de la ciudad, las primeras sociedades de seguros de incendios, la aparición de patentes a partir del desarrollo industrial del siglo XIX. Todo ello, con el hilo conductor de la reglamentación que se ha ido elaborando al respecto. Al principio, sobre espectáculos públicos, acotando el punto de partida en la materia de nuestra reglamentación. Anticipando sistemas constructivos y datos dimensionales de la evacuación. Llegados a mediados del siglo XX, abordando otros usos. Haciendo seguimiento de la modernización de los procesos edificatorios y la reglamentación sectorial. Recabando información de las organizaciones profesionales que comienzan a reclamar una coordinación nacional de los sistemas preventivos y que desemboca en el Proyecto de Reglamento de prevención contra el fuego que nunca será publicado. Toda esta etapa, plagada de documentos de carácter voluntario u obligatorio, local y nacional, van definiendo los criterios dimensionales con los que debe resolverse los elementos arquitectónicos susceptibles de servir para la evacuación. Se trata de una etapa intensa en documentación, cambiante, sujeta a los criterios que establecen los países del entorno más avanzados en la materia. Las dos últimas décadas del siglo, acotadas por la transición política y varios siniestros de graves consecuencias, definen el proceso normativo que culmina con el código técnico de la edificación que hoy conocemos. Es un periodo de aprendizaje y asimilación del capítulo de la seguridad, donde los métodos son variados. Donde la intencionalidad última es trasladar un sistema prescriptivo a un modelo prestacional propio de la madurez en el análisis del tema y en las corrientes de los países del entorno. ABSTRACT This is the search for answers to that constant question: Where do we come from and what have left along the way? Has everything been clear on this journey, or have we acted as a result of a collection of errors learned from prior processes? This has been research through exploration of our past, of our origins regarding fire protection safety, and, above all, of the endeavour to utilize architecture aimed at offering the highest level of safety and evacuation in a reasonable time. This project has researched society’s change nationwide and its effects on how to interpret the difficulty of fire protection safety in buildings. Its focus has fundamentally been to clarify those aspects that affect the evacuation of people. To this end, the main milestones of action, the principal concerns that have arisen at each step, and the solutions taken have all been studied. A check was performed on their application; or their delay until a significant event occurred that prompted a new revision of design and control procedures. Firstly, this was done by attempting to connect the main fires that have influenced how we handle the problem at different times in Spain’s history. Secondly, an examination was done on the figure of the architect and his participation in the means of control and legislation on how to intercede in fire services, or how the architect finds solutions for buildings in terms of fire protection, or the evacuation of their occupants. In short, the written works of certain specialists, who are essential to our understanding of how to deal with the problem of protection in buildings, were explored throughout history. A study was done on the most significant disasters in theatres and other public establishments. This was done by analysing the way the architects involved have aimed to solve possible points liable to risk. It is a classification of building where, for the first time, the concern arose to adopt safety measures and procedures in the event of fires. Public establishments with considerable accident rates emerged. Here the main entertainment activities of the time took place. These spaces were a source of worry among the public and authorities due to the high number of persons they accommodated. Other issues in such an extensive subject, which are only outlined in this research study, are procedures in extinguishing systems, the organizational structure of cities, the first fire insurance companies, and the appearance of patents after the industrial development of the 19th century. All of these aspects are joined by the common thread of regulations that have been created in this matter. At the beginning, these regulations were for public shows, thus defining the starting point for our regulations. This was done in anticipation of structural systems and size data of evacuations. With the arrival of the mid-20th century, different uses were addressed. A modernization of construction processes and the industry regulations were tracked. Information was gathered from professional organizations that began to demand a national coordination of prevention systems which led to the Regulation Project on fire prevention which will never be published. Throughout this stage, replete with voluntary and compulsory documents, both on the local and national level, the dimensional criteria to be used in the resolution of architectural elements open to use in evacuation were defined. This was a period that was filled with documentation, change, and subject to the criteria that the most advanced countries in the field established in this regard. The final two decades of the century, marked by political transition and several accidents with grave consequences, defined the regulation process that culminated with the building technical code known today. This was a period of learning and understanding in the chapter of safety, where the methods are varied. In this chapter, the ultimate goal is to insert a prescriptive-based standard into a performance-based code suitable for cultivated experience in analysis of the subject and the tendencies in countries dealing with this field.

Estudio de una metodología de software para la predicción y análisis del balance paramétrico de buques para su aplicación en los criterios de estabilidad de segunda generación

El objetivo de ésta tesis es estudiar cómo desarrollar una aplicación informática que implemente algoritmos numéricos de evaluación de características hidrodinámicas de modelos geométricos representativos de carenas de buques. Se trata de especificar los requisitos necesarios que debe cumplir un programa para informático orientado a dar solución a un determinado problema hidródinámico, como es simular el comportamiento en balance de un buque sometido a oleaje, de popa o proa. una vez especificada la aplicación se realizará un diseño del programa; se estudiarán alternativas para implementar la aplicación; se explicará el proceso que ha de seguirse para obtener la aplicación en funcionamiento y se contrastarán los resultados obtenidos en la medida que sea posible. Se pretende sistematizar y sintetizar todo el proceso de desarrollo de software, orientado a la simulación del comportamiento hidrodinámico de un buque, en una metodología que se pondrá a disposición de la comunidad académica y científica en la forma que se considere más adecuada. Se trata, por tanto, de proponer una metodología de desarrollo de software para obetener una aplicación que facilite la evaluación de diferentes alternativas de estudio variando parámetros relativos al problema en estudio y que sea capaz de proporcionar resultados para su análisis. Así mismo se incide en cómo ha de conducirse en el proceso para que dicha aplicación pueda crecer, incorporando soluciones existentes no implementadas o nuevas soluciones que aparezcan en este ámbito de conocimiento. Como aplicación concreta de la aplicación se ha elegido implementar los algoritmos necesarios para evaluar la aparición del balance paramétrico en un buque. En el análisis de éste problema se considera de interés la representación geométrica que se hace de la carena del buque. Además de la carena aparecen otros elementos que tienen influencia determinante en éste estudio, como son las situación de mar y las situaciones de carga. Idealmente, el problema sería resuelto si se consiguiera determinar el ángulo de balance que se produce al enfrentar un buque a las diferentes condiciones de mar. Se pretende preparar un programa utilizando el paradigma de la orientación a objetos. Considero que es la más adecuada forma de modularizar el programa para poder utilizar diferentes modelos de una misma carena y así comparar los resultados de la evaluación del balance paramétrico entre sí. En una etapa posterior se podrían comparar los resultados con otros obtenidos empíricamente. Hablo de una nueva metodología porque pretendo indicar cómo se ha de construir una aplicación de software que sea usable y sobre la que se pueda seguir desarrollando. Esto justifica la selección del lenguaje de programación C++. Se seleccionará un núcleo geométrico de software que permita acoplar de forma versátil los distintos componentes de software que van a construir el programa. Este trabajo pretende aplicar el desarrollo de software a un aspecto concreto del área de conocimiento de la hidrodinámica. No se pretende aportar nuevos algoritmos para resolver problemas de hidrodinámica, sino diseñar un conjunto de objetos de software que implementen soluciones existentes a conocidas soluciones numéricas a dichos problemas. Se trata fundamentalmente de un trabajo de software, más que de hidrodinámica. Lo que aporta de novedad es una nueva forma de realizar un programa aplicado a los cálculos hidrodinámicos relativos a la determinación del balance paramétrico, que pueda crecer e incorporar cualquier novedad que pueda surgir más adelante. Esto será posible por la programación modular utilizada y los objetos que representan cada uno de los elementos que intervienen en la determinación del balance paramétrico. La elección de aplicar la metodología a la predicción del balance paramétrico se debe a que este concepto es uno de los elementos que intervienen en la evaluación de criterios de estabilidad de segunda generación que estan en estudio para su futura aplicación en el ámbito de la construcción naval. Es por tanto un estudio que despierta interés por su próxima utilidad. ABSTRACT The aim of this thesis is to study how to develop a computer application implementing numerical algorithms to assess hydrodynamic features of geometrical models of vessels. It is therefore to propose a methodology for software development applied to an hydrodynamic problem, in order to evaluate different study alternatives by varying different parameters related to the problem and to be capable of providing results for analysis. As a concrete application of the program it has been chosen to implement the algorithms necessary for evaluating the appearance of parametric rolling in a vessel. In the analysis of this problem it is considered of interest the geometrical representation of the hull of the ship and other elements which have decisive influence in this phenomena, such as the sea situation and the loading condition. Ideally, the application would determine the roll angle that occurs when a ship is on waves of different characteristics. It aims to prepare a program by using the paradigm of object oriented programming. I think it is the best methodology to modularize the program. My intention is to show how face the global process of developing an application from the initial specification until the final release of the program. The process will keep in mind the spefici objetives of usability and the possibility of growing in the scope of the software. This work intends to apply software development to a particular aspect the area of knowledge of hydrodynamics. It is not intended to provide new algorithms for solving problems of hydrodynamics, but designing a set of software objects that implement existing solutions to these problems. This is essentially a job software rather than hydrodynamic. The novelty of this thesis stands in this work focuses in describing how to apply the whole proccess of software engineering to hydrodinamics problems. The choice of the prediction of parametric balance as the main objetive to be applied to is because this concept is one of the elements involved in the evaluation of the intact stability criteria of second generation. Therefore, I consider this study as relevant usefull for the future application in the field of shipbuilding.

La representación de la arquitectura moderna : la villa Stein-de Monzie en "L'Oeuvre Complète" de Le Corbusier y Pierre Jeanneret : influencia de la visión cinematográfica

Esta tesis doctoral trata de investigar cuánto hubo de presencia del cine en el pensamiento de Le Corbusier y Pierre Jeanneret, a la hora de acometer la publicación y maquetación de las páginas dedicadas a la Villa Stein-de Monzie en Garches, en “Le Corbusier et Pierre Jeanneret. Oeuvre Complète 1910-1929”. Qué mecanismos cinematográficos pusieron en juego, cuando montaban las páginas de L´Oeuvre Complète. Más que encontrar elementos cinematográficos utilizados de manera directa; el objetivo de esta tesis es profundizar en los mecanismos, procedimientos, sistemas de generación de ideas a lo largo del proceso de proyecto; en las maneras de percibir y experimentar los espacios, o de observar las formas. El armazón lo compone por lo tanto el análisis del modo en que Le Corbusier representa la villa en L´Oeuvre Complète, sus intenciones y la función pedagógica de este modo de representar; así como sus diferencias con respecto a lo realmente construido. Una realidad elaborada sobre un tablero; maquetando su representación, eligiendo los fragmentos, y componiendo las láminas (cercana a la de un director de cine). La justificación del objeto a estudiar se plantea en el primer capítulo: L´Oeuvre Complète (1937), la reedición en francés, alemán e inglés de la primera edición en alemán, Ihr Gesamtes Werk (1929).Se establecen las intenciones de Le Corbusier de que se convierta en un modelo de Tratado de Arquitectura Moderna, eminentemente visual. Se estudian los mecanismos formales y geométricos de composición del libro, y el modo en el que L´Oeuvre Complète debe ser leída. El desarrollo de los siguientes capítulos (del 2 al 9) recoge el método principal de investigación de esta tesis, basado en una lectura longitudinal, crítica y sistemática, a partir de la observación atenta de la representación de la villa Stein-de Monzie en Garches, en las páginas nº 140 a 149 de L´Oeuvre Complète. Se efectúa mediante un desarrollo lineal y secuenciado, como si de un guión cinematográfico se tratara. Cada capítulo describe y analiza cada uno de los diferentes fragmentos, permitiendo al mismo tiempo enlazar temas de interés que ayudan a comprender aspectos de la villa de Garches, de su concepción en la intensa labor de proyecto (con numerosas variantes y propuestas), e incluso de su aparición en el cine. Además, la tesis arroja luz sobre unos documentos bastante desconocidos: las láminas de la colección del Museo Cooper-Hewitt de nueva York, para la villa de Garches. El análisis de la presentación de la villa de Garches en L´Oeuvre Complète, constata que para Le Corbusier, el fragmento, per se, ha de ser perfecto, produciendo la máxima emoción. Como un prestidigitador, Le Corbusier los manipula, o le niega información al espectador mediante el uso de la elipsis en el relato. Los textos concatenan las imágenes, soportan el hilo de la narración. Los bocetos quieren siempre seducir al espectador: son dibujos que rezuman vitalidad, con una técnica muy cercana a la ligne claire del cómic. Las plantas son un laboratorio para demostrar su jerarquía y su libertad de composición; eliminando elementos, distorsionando la valoración de líneas y apareciendo algún elemento no ejecutado. Los alzados, esquemáticos y abstractos, demuestran el control de la geometría para garantizar la emoción. Las fotografías son controladas en su fase de captura (elección del punto de vista, cuidada puesta en escena de los objetos, composición con la luz, uso de las sombras para la aparición del fuera de campo); pero también en la fase de postproducción y edición, donde son cortadas, alisadas superficies, borrando o dibujando elementos sobre ellas. El montaje compone asimismo una representación dinámica, fragmentada y múltiple de la villa. Como sucede en el cine, los fragmentos sólo encuentran su razón de ser una vez son re-creados y montados en la cabeza del espectador. La falta de raccord es un mecanismo buscado por Le Corbusier, trasladando a la representación una de las primordiales características de la villa de Garches: su permanente dualidad simultánea. Todos estos mecanismos son desplegados por Le Corbusier, para ofrecer una versión idealizada de la villa, que recoja todas las virtudes de los distintos proyectos e incorpore el factor tiempo. ABSTRACT This doctoral thesis tries to investigate how much the cinema affected Le Corbusier and Pierre Jeanneret´s thoughts, at the moment of undertaking the publication and layout of the pages dedicated to the villa Stein-de Monzie in Garches, in the book “Le Corbusier et Pierre Jeanneret. Oeuvre Complète 1910-1929”. Which cinematographic mechanisms they brought into play, when they were mounting those pages. Instead of finding cinematographic elements, used directly; the aim of this thesis is to go deeply into the mechanisms, methods, systems of generation of ideas along the project process; into the ways of seeing and feeling the spaces, or of watching the forms. The body is composed therefore by the analysis of the way in which Le Corbusier represents the villa in L'Oeuvre Complète, his intentions and the pedagogic function of that way of representation; as well as its differences with the real built villa. One reality elaborated on a board; laying out its representation, choosing the fragments, and composing the sheets (near to the work of a director of cinema). The justification of the object to studying appears in the first chapter: L'Oeuvre Complète (1937), the reissue in French, German and English of the first edition in German, Ihr Gesamtes Werk (1929). This chapter shows the intentions of Le Corbusier of turning the book into a model of modern architecture, highly visual. The formal and geometric mechanisms of composition of the book are studied, and the way in which L'Oeuvre Complète must be read. The development of the following chapters (from 2 to 9) gathers the principal method of investigation of this thesis, based on a longitudinal, critical and systematic reading; from the watching of the representation of the villa Stein-de Monzie in Garches, in the pages nr. 140 to 149 of L'Oeuvre Complète. It is carried out by a linear and sequenced development, as a cinematographic script. Every chapter describes and analyzes each of the different fragments, allowing at the same time to connect interesting issues that help to understand aspects of the villa in Garches, of its conception in the intense project process (with numerous variants and designs), and even of its appearance in films. Also, the thesis throws light on some unknown documents: the sheets of the collection of the Museum Cooper-Hewitt in New York, for the villa in Garches. The analysis of the presentation of the villa in Garches in L'Oeuvre Complète, proves that for Le Corbusier, the fragment, itself, has to be perfect, getting the maximum emotion. As a prestidigitator, Le Corbusier manipulates them, or denies information to the spectator by means of the use of the ellipsis in the story. The texts concatenate the images, support the thread of the story. The sketches always attempt to seduce the spectator: they are drawings that leak vitality, with lines very near to the ligne claire of the cómic. The plans are a laboratory to demonstrate their hierarchy and their freedom of composition; deleting elements, distorting the thickness of lines and showing some not executed elements. The elevations, schematic and abstract, shows the control of the geometry to guarantee the emotion in architecture. The pictures are controlled in their instant of capture (choice of the point of view, elegant mise-en-scène of the objects, composition with light, use of the shadows for the appearance of out of vision); but also in the postproduction and edition time, when surfaces are cut, smoothing, erasing or drawing elements in them. The montage composes in the same way a dynamic, fragmented and multiple representation of the villa. As in the films, the fragments only find their raison d'être once they have been re-created and mounted into the mind of the viewer. The continuity error is a mechanism allowed by Le Corbusier, transfering to the representation in the book one of the basic characteristics of the villa in Garches: its constant simultaneous duality. All these methods are displayed by Le Corbusier, to offer an idealized version of the villa, which gathers all the virtues of the different projects, and incorporates the time factor.

Static and dynamic lengths of neutrophil microvilli

Containing most of the L-selectin and P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1) on their tips, microvilli are believed to promote the initial arrest of neutrophils on endothelium. At the rolling stage following arrest, the lifetimes of the involved molecular bonds depend on the pulling force imposed by the shear stress of blood flow. With two different methods, electron microscopy and micropipette manipulation, we have obtained two comparable neutrophil microvillus lengths, both ≈0.3 μm in average. We have found also that, under a pulling force, a microvillus can be extended (microvillus extension) or a long thin membrane cylinder (a tether) can be formed from it (tether formation). If the force is ≤34 pN (± 3 pN), the length of the microvillus will be extended; if the force is >61 pN (± 5 pN), a tether will be formed from the microvillus at a constant velocity, which depends linearly on the force. When the force is between 34 pN and 61 pN (transition zone), the degree of association between membrane and cytoskeleton in individual microvilli will dictate whether microvillus extension or tether formation occurs. When a microvillus is extended, it acts like a spring with a spring constant of ≈43 pN/μm. In contrast to a rigid or nonextendible microvillus, both microvillus extension and tether formation can decrease the pulling force imposed on the adhesive bonds, and thus prolonging the persistence of the bonds at high physiological shear stresses.

Force-mediated kinetics of single P-selectin/ligand complexes observed by atomic force microscopy

Leukocytes roll along the endothelium of postcapillary venules in response to inflammatory signals. Rolling under the hydrodynamic drag forces of blood flow is mediated by the interaction between selectins and their ligands across the leukocyte and endothelial cell surfaces. Here we present force-spectroscopy experiments on single complexes of P-selectin and P-selectin glycoprotein ligand-1 by atomic force microscopy to determine the intrinsic molecular properties of this dynamic adhesion process. By modeling intermolecular and intramolecular forces as well as the adhesion probability in atomic force microscopy experiments we gain information on rupture forces, elasticity, and kinetics of the P-selectin/P-selectin glycoprotein ligand-1 interaction. The complexes are able to withstand forces up to 165 pN and show a chain-like elasticity with a molecular spring constant of 5.3 pN nm−1 and a persistence length of 0.35 nm. The dissociation constant (off-rate) varies over three orders of magnitude from 0.02 s−1 under zero force up to 15 s−1 under external applied forces. Rupture force and lifetime of the complexes are not constant, but directly depend on the applied force per unit time, which is a product of the intrinsic molecular elasticity and the external pulling velocity. The high strength of binding combined with force-dependent rate constants and high molecular elasticity are tailored to support physiological leukocyte rolling.

Severe reduction in leukocyte adhesion and monocyte extravasation in mice deficient in CC chemokine receptor 2

CC chemokine receptor 2 (CCR2) is a prominent receptor for the monocyte chemoattractant protein (MCP) group of CC chemokines. Mice generated by gene targeting to lack CCR2 exhibit normal leukocyte rolling but have a pronounced defect in MCP-1-induced leukocyte firm adhesion to microvascular endothelium and reduced leukocyte extravasation. Constitutive macrophage trafficking into the peritoneal cavity was not significantly different between CCR2-deficient and wild-type mice. However, after intraperitoneal thioglycollate injection, the number of peritoneal macrophages in CCR2-deficient mice did not rise above basal levels, whereas in wild-type mice the number of macrophages at 36 h was ≈3.5 times the basal level. The CCR2-deficient mice showed enhanced early accumulation and delayed clearance of neutrophils and eosinophils. However, by 5 days neutrophils and eosinophils in both CCR2-deficient and wild-type mice had returned to near basal levels, indicating that resolution of this inflammatory response can occur in the absence of macrophage influx and CCR2-mediated activation of the resident peritoneal macrophages. After intravenous injection with yeast β-glucan, wild-type mice formed numerous large, well-defined granulomas throughout the liver parenchyma, whereas CCR2-deficient mice had much fewer and smaller granulomas. These results demonstrate that CCR2 is a major regulator of induced macrophage trafficking in vivo.

Tyrosine replacement in P-selectin glycoprotein ligand-1 affects distinct kinetic and mechanical properties of bonds with P- and L-selectin

Selectins are adhesion molecules that initiate tethering and rolling of leukocytes on the vessel wall. Rolling requires rapid formation and breakage of selectin–ligand bonds that must have mechanical strength to resist premature dissociation by the forces applied in shear flow. P- and L-selectin bind to the N-terminal region of P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1), a mucin on leukocytes. To define determinants on PSGL-1 that contribute to the kinetic and mechanical properties of bonds with selectins, we compared rolling of transfected preB cells expressing P- or L-selectin on transfected cell monolayers expressing wild-type PSGL-1 or PSGL-1 constructs with substitutions in targeted N-terminal residues. Rolling through P- or L-selectin required a Thr or Ser at a specific position on PSGL-1, the attachment site for an essential O-glycan, but required only one of three nearby Tyr residues, which are sites for Tyr-SO3 formation. The adhesive strengths and numbers of cells rolling through P- or L-selectin were similar on wild-type PSGL-1 and on each of the three PSGL-1 constructs containing only a single Tyr. However, the cells rolled more irregularly on the single-Tyr forms of PSGL-1. Analysis of the lifetimes of transient tethers on limiting densities of PSGL-1 revealed that L-selectin dissociated faster from single-Tyr than wild-type PSGL-1 at all shears examined. In sharp contrast, P-selectin dissociated faster from single-Tyr than wild-type PSGL-1 at higher shear but not at lower shear. Thus, tyrosine replacements in PSGL-1 affect distinct kinetic and mechanical properties of bonds with P- and L-selectin.

Promoting detachment of neutrophils adherent to murine postcapillary venules to control inflammation: Effect of lipocortin 1

In this study we investigated, using intravital microscopy, how neutrophil extravasation across mouse mesenteric postcapillary venules is inhibited by the glucocorticoid-regulated protein lipocortin (LC; also termed annexin) 1. Intraperitoneal injection of 1 mg of zymosan into mice induced neutrophil rolling on the activated mesenteric endothelium followed by adhesion (maximal at 2 hr: 5–6 cells per 100-μm of vessel length) and emigration (maximal at 4 hr: 8–10 cells per high-powered field). Treatment of mice with human recombinant LC1 (2 mg/kg s.c.) or its mimetic peptide Ac2–26 (13 mg/kg s.c.) did not modify cell rolling but markedly reduced (≥50%) the degree of neutrophil adhesion and emigration (P < 0.05). Intravenous treatment with peptide Ac2–26 (13 mg/kg) or recombinant human LC1 (0.7–2 mg/kg) promoted detachment of neutrophils adherent to the endothelium 2 hr after zymosan administration, with adherent cells detaching within 4.12 ± 0.75 min and 2.36 ± 0.31 min, respectively (n = 20–25 cells). Recruitment of newly adherent cells to the endothelium was unaffected. The structurally related protein LC5 was inactive in this assay, whereas a chimeric molecule constructed from the N terminus of LC1 (49 aa) attached to the core region of LC5 produced cell detachment with kinetics similar to LC1. Removal of adherent neutrophils from activated postcapillary endothelium is a novel pharmacological action, and it is at this site where LC1 and its mimetics operate to down-regulate this aspect of the host inflammatory response.

l-Selectin activates the Ras pathway via the tyrosine kinase p56lck

Selectins mediate rolling, the initial step of leukocyte adhesion to endothelial cells [Springer, T. A. (1995) Annu. Rev. Physiol. 57, 827–872 and Butcher, E. C. (1991) Cell 67, 1033–1036]. In this study we show that l-selectin triggering of Jurkat cells using different antibodies or glycomimetics resulted in activation of the src-tyrosine kinase p56lck; tyrosine phosphorylation of intracellular proteins, in particular mitogen-activating protein kinase and l-selectin; and association of Grb2/Sos with l-selectin. This association correlated with an activation of p21Ras, mitogen-activating protein kinase, Rac2, and a transient increase of O2− synthesis. Stimulation of the Ras pathway by l-selectin requires functional p56lck, since p56lck-deficient Jurkat cells (JCaM1.6) do not show tyrosine phosphorylation, association of l-selectin with Grb2/Sos, and activation of Ras upon l-selectin triggering. Transfection of JCaM1.6 cells with p56lck reconstitutes the observed signaling events. Genetic inhibition of Ras or Rac2 prevented Rac2 stimulation and O2− synthesis, respectively. The specificity and the physiological significance of the observed signaling cascade is indicated by stimulation of l-selectin-transfected P815, l-selectin-positive CEM or peripheral blood lymphocytes resulting in the same activation events as in Jurkat cells. Our results point to a signaling cascade from l-selectin via p56lck, Grb2/Sos, Ras, and Rac2 to O2− .

A host-specific function is required for ligation of a wide variety of ribozyme-processed RNAs

Hepatitis δ virus (HDV) replicates its circular RNA genome via a rolling circle mechanism. During this process, cis-acting ribozymes cleave adjacent upstream sequences and thereby resolve replication intermediates to unit-length RNA. The subsequent ligation of these 5′OH and 2′,3′-cyclic phosphate termini to form circular RNA is an essential step in the life cycle of the virus. Here we present evidence for the involvement of a host activity in the ligation of HDV RNA. We used both HDV and hammerhead ribozymes to generate a panel of HDV and non-HDV RNA substrates that bear 5′ hydroxyl and 2′,3′- cyclic phosphate termini. We found that ligation of these substrates occurred in host cells, but not in vitro or in Escherichia coli. The host-specific ligation activity was capable of joining RNA in both bimolecular and intramolecular reactions and functioned in a sequence-independent manner. We conclude that mammalian cells contain a default pathway that efficiently circularizes ribozyme processed RNAs. This pathway could be exploited in the delivery of stable antisense and decoy RNA to the nucleus.