Engineering the synthesis of lantibiotics in e. Coli by combining the cynnamicin and nisin modification systems.

I lantibiotici sono molecole peptidiche prodotte da un gran numero di batteri Gram-positivi, posseggono attività antibatterica contro un ampio spettro di germi, e rappresentano una potenziale soluzione alla crescente problematica dei patogeni multi-resistenti. La loro attività consiste nel legame alla membrana del bersaglio, che viene quindi destabilizzata mediante l’induzione di pori che determinano la morte del patogeno. Tipicamente i lantibiotici sono formati da un “leader-peptide” e da un “core-peptide”. Il primo è necessario per il riconoscimento della molecola da parte di enzimi che effettuano modifiche post-traduzionali del secondo - che sarà la regione con attività battericida una volta scissa dal “leader-peptide”. Le modifiche post-traduzionali anticipate determinano il contenuto di amminoacidi lantionina (Lan) e metil-lantionina (MeLan), caratterizzati dalla presenza di ponti-tioetere che conferiscono maggior resistenza contro le proteasi, e permettono di aggirare la principale limitazione all’uso dei peptidi in ambito terapeutico. La nisina è il lantibiotico più studiato e caratterizzato, prodotto dal batterio L. lactis che è stato utilizzato per oltre venti anni nell’industria alimentare. La nisina è un peptide lungo 34 amminoacidi, che contiene anelli di lantionina e metil-lantionina, introdotti dall’azione degli enzimi nisB e nisC, mentre il taglio del “leader-peptide” è svolto dall’enzima nisP. Questo elaborato affronta l’ingegnerizzazione della sintesi e della modifica di lantibiotici nel batterio E.coli. In particolare si affronta l’implementazione dell’espressione eterologa in E.coli del lantibiotico cinnamicina, prodotto in natura dal batterio Streptomyces cinnamoneus. Questo particolare lantibiotico, lungo diciannove amminoacidi dopo il taglio del leader, subisce modifiche da parte dell’enzima CinM, responsabile dell’introduzione degli aminoacidi Lan e MeLan, dell’enzima CinX responsabile dell’idrossilazione dell’acido aspartico (Asp), e infine dell’enzima cinorf7 deputato all’introduzione del ponte di lisinoalanina (Lal). Una volta confermata l’attività della cinnamicina e di conseguenza quella dell’enzima CinM, si è deciso di tentare la modifica della nisina da parte di CinM. A tal proposito è stato necessario progettare un gene sintetico che codifica nisina con un leader chimerico, formato cioè dalla fusione del leader della cinnamicina e del leader della nisina. Il prodotto finale, dopo il taglio del leader da parte di nisP, è una nisina completamente modificata. Questo risultato ne permette però la modifica utilizzando un solo enzima invece di due, riducendo il carico metabolico sul batterio che la produce, e inoltre apre la strada all’utilizzo di CinM per la modifica di altri lantibiotici seguendo lo stesso approccio, nonché all’introduzione del ponte di lisinoalanina, in quanto l’enzima cinorf7 necessita della presenza di CinM per svolgere la sua funzione.

Criticità nel trasferimento di grafene prodotto da CVD su rame

Il grafene è un cristallo bidimensionale composto da uno strato monoatomico planare di atomi di carbonio ibridizzati sp2. In ogni modo, il perfezionamento delle tecniche di produzione e di trasferimento del materiale è a tutt’oggi una attività di ricerca alla frontiera, e in questo contesto si è inserito il mio lavoro di tesi. Svolto nella sede di Bologna dell’Istituto per la Microelettronica ed i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IMM-CNR), ha avuto un duplice obiettivo. Il primo è stato quello di studiare la procedura di trasferimento su un wafer di ossido di silicio (SiO2) del grafene cresciuto per deposizione chimica da fase vapore (chemical vapor deposition) su rame normalmente impiegata in laboratorio. Il secondo è stato invece quello di proporre e verificare possibili modifiche con lo scopo di provare a risolvere uno dei problemi che ci si è trovati ad affrontare, nello specifico l’elevato numero di danni strutturali e di rotture indotti nella membrana trasferita. Dopo un capitolo iniziale di introduzione alla teoria ed alle proprietà fisiche del grafene, nel secondo verranno illustrate le tecniche principali con le quali attualmente si produce il materiale, con un focus particolare sulla chemical vapor deposition, tecnica impiegata all’IMM, e da me seguita per la produzione dei campioni da studiare. Il terzo capitolo tratterà nel dettaglio il processo di trasferimento dal substrato di crescita a quello finale, realizzato attraverso uno strato sacrificale di PMMA. Dopo una descrizione approfondita dei singoli passaggi, verrà mostrato il confronto tra i risultati ottenuti su campioni di grafene traferiti su ossido di silicio, con la tecnica inizialmente adottata e quella modificata. Come verrà discusso, nonostante non tutti problemi siano stati risolti, le modifiche apportante al processo di trasferimento hanno permesso di raggiungere l’obiettivo iniziale, cioè di migliorare in modo apprezzabile la qualità della pellicola dal punto di vista dell’integrità strutturale.

Studio di profili di espressione di geni coinvolti nello sviluppo larvale del Mitilo Mytilus galloprovincialis.

La presente ricerca si focalizza su alcuni processi chiave dello sviluppo larvale del mitili M. galloprovincialis: la biomineralizzazione, in quanto elemento fondamentale per la formazione della conchiglia; lo sviluppo ed il mantenimento della struttura cellulare, in quanto il progredire dello sviluppo comporta molteplici cambiamenti a tutti i livelli; la detossificazione, in quanto capace di fornire l’adeguata protezione. Lo studio ha visto l’impiego di tecniche molecolari (RT-qPCR) al fine di valutare l’espressione di geni codificanti per l’enzima anidrasi carbonica, la proteina extrapalliale, il recettore 5-HT1, la proteina actina, i trasportatori di membrana P-gp e Mrp, e gli enzimi catalasi e glutatione S-transferasi. È stata poi esaminata l’attività dell’enzima protein-chinasi A e si è caratterizzato il sistema MXR. Inoltre si è cercato di valutare il coinvolgimento di meccanismi cAMP/PKA-dipendenti nella regolazione dell’espressione di geni sopra menzionati. A tale scopo, sono stati utilizzati i composti farmaceutici propranololo e carbamazepina, che, da studi precedenti, sono noti interferire nella regolazione della via di trasduzione cAMP/PKA dipendente nel mitilo. I risultati di questa ricerca permettono di affermare che lo sviluppo larvale è un processo continuo in cui vi sono costanti cambiamenti fisiologici. L’espressione basale dei trascritti studiati ha mostrato evidenti variazioni nel tempo tra uova fertilizzate, trocofore e veliger, con un trend generale di sovraregolazione. E’ emerso anche che durante il suo sviluppo, il mitilo mediterraneo non presenta lo stesso tipo di regolazione della trascrizione riscontrabile nell’esemplare adulto. La modulazione dell’espressione da parte dei farmaci utilizzati ha comportato sovra- o sotto-espressione dei geni esaminati, indicando il possibile coinvolgimento di vie di regolazione della trascrizione affidate alla trasduzione del segnale neuroendocrino e del pathway cAMP/PKA dipendente

Sviluppo di un sistema integrato innovativo per la contemporanea produzione e separazione di H2 ultrapuro, attraverso oxy-reforming, water-gas shift e membrane al Pd

Il presente lavoro di tesi si è focalizzato sullo studio e sulla ottimizzazione di un sistema integrato, che utilizzi la reazione di oxy-reforming del metano al fine di produrre syngas che venga trattato attraverso la water-gas shift al fine di abbattere il contenuto di CO e al tempo stesso aumentare la resa in H2. Con l’obiettivo di ottenere H2 ad elevata purezza (>99%) da poter essere inviato direttamente a celle a combustible ed in impianti di piccola taglia con possibile delocalizzazione della produzione industriale di energia elettrica e termica “pulita”, la miscela reale uscente dal processo di oxy-reforming è stata processata tramite successiva water-gas shift direttamente all’interno di una membrana ceramica al Pd selettiva nella separazione di H2. L’innovativià di questo progetto di studio è data da diversi parametri quali: 1) l’impiego dell’oxy-reforming in alternativa al normale steam-reforming del CH4, che permette di condurre il processo a temperature decisamente inferiori (700-750°C), utilizzando un minor quantitativo di vapore (S/C = 0.7); 2) l’utilizzo di due nuove formulazioni di catalizzatore di WGS per alte temperature, capace di operare in un unico stadio conversioni di CO ottenibili industrialmente solo attraverso i convenzionali due due stadi di reazione (e due diverse formulazioni di catalizzatori a base di Fe/Cr e Cu); 3) l’utilizzo di supporti ceramici con membrana a base di Pd, capaci di ospitare al loro interno un catalizzatore eterogeneo per la reazione di WGS a 400°C, rendendo quindi possibile la produzione e contemporanea separazione di H2 con un ulteriore effetto positivo poiché la membrana rimuovendo H2 dalla zona di reazione favorisce il superamento dell’equilibrio termodinamico per la conversione del CO, abbassandone il contenuto nel flusso uscente dei gas reazione e rendendo non più necessari sistemi aggiuntivi di separazione quali PSA o PROXY.

Effetto di componenti di oli essenziali sul rischio di Listeria monocytogenes in germogli ad uso alimentare

Lo scopo di questo elaborato è stato determinare una modalità per ridurre il rischio di Listeria monocytogenes in semi di ravanello utilizzati per produrre germogli ad uso alimentare. Per fare ciò è stato utilizzato il timolo, un composto fenolico la cui attività antimicrobica è nota. In primo luogo sono state eseguite prove preliminari in vitro per verificare gli effetti di diverse concentrazioni di questo terpene su L. monocytogenes mediante l’uso di un citofluorimetro. I risultati hanno mostrato che 30 minuti di esposizione a 500 ppm di timolo in acqua peptonata determinano un danneggiamento della membrana cellulare in metà della popolazione microbica. Quando l’esposizione avviene in tampone fosfato, l’effetto è evidente già a 250 ppm (82% di cellule danneggiate). Successivamente, è stato valutato l’effetto di diverse concentrazioni di timolo su cellule di L. monocytogenes preventivamente inoculate su semi di ravanello. La prova è stata condotta in due modalità: la prima in contenitori sterili, la seconda in germogliatori per riprodurre fedelmente le tecniche utilizzate nel processo industriale o casalingo. Sono stati effettuati sia campionamenti microbiologici (su semi, germogli e acqua degli ammolli) sia prove di germinabilità per individuare un’eventuale riduzione della capacità germinativa dei semi a seguito del contatto con timolo. Dai dati ottenuti è emerso che il timolo riesce a contenere entro certi limiti la crescita di L. monocytogenes nell’acqua usata per l’ammollo, ma non ha un effetto significativo sul suo destino nei semi durante la germinazione. La presenza di timolo non compromette la capacità germinativa ma rallenta il processo di germinazione. In conclusione, il processo produttivo di germogli lascia spazio a molti rischi microbiologici nel caso siano già presenti nella matrice delle specie patogene. Ciò nonostante l’impiego di trattamenti preliminari sui semi prima del germogliamento, può essere una strada importante per ridurne i rischi.

Posibles roles de los receptores a manosa-6-fosfato durante la organogénesis

Los receptores a manosa-6-fosfato (MPRs) son glicoproteínas que presentan como función principal el transporte de las hidrolasas lisosomales al lisosoma. Se conocen hasta el momento dos formas de MPRs: el receptor catión dependiente de 46 kDa (CD-MPR), que necesita iones bivalentes como Ca+2, Mg+2 o Mn+2 en muy bajas concentraciones para interactuar con sus ligandos; y el receptor catión independiente de 300 kDa (CI-MPR) que actúa aún en ausencia de los iones. Estos receptores son los dos únicos miembros de la familia de lectinas de tipo P, puesto que son las únicas lectinas que reconocen los residuos de manosa fosforilada. Como ambos MPRs coexisten en la mayoría de los tipos celulares y presentan similar distribución subcelular, aún se discute el verdadero rol de estos receptores y la razón de su coexistencia en la mayoría de las células. En esta tesis hemos estudiado algunas propiedades de los MPRs durante el desarrollo perinatal de órganos de rata y observamos que ambos receptores poseen diferentes comportamientos en este período. El CI-MPR disminuye su expresión mientras que el número de sitios activos (Bmax) permanece constante y la afinidad se incrementa para ligandos fosfomanosilados durante la maduración, tanto en hígado como en cerebro. Este receptor se presenta en mayor proporción en la membrana plasmática fetal comparado con adultos. Desde nuestros hallazgos postulamos que la función del CI-MPR en los primeros estadíos del desarrollo podría estar orientada al crecimiento y diferenciación celular y que posteriormente su afinidad por las enzimas lisosomales aumenta debido a modificaciones en su estructura. De este modo, en los adultos funciona como transportador de enzimas lisosomales. El CD-MPR en cambio, aumenta su expresión, su número de sitios activos y su afinidad a partir de los 10 días postnatales en hígado, estas propiedades se correlacionan con la mayor expresión de enzimas lisosomales y con una mayor interacción de las enzimas con CD-MPR en este período. Por ello postulamos que este receptor es fundamental en la biogénesis del aparato lisosomal entre los 10 y 20 días de desarrollo. En cerebro, el CD-MPR tiene algunas propiedades diferentes, mientras que la expresión es constante, el número de sitios activos disminuye y la afinidad se incrementa durante el desarrollo. Esto indicaría que en cerebro existe una maduración lisosomal diferente, iniciándose en una etapa temprana del desarrollo y terminando su desarrollo total hacia los 20 días postnatales.

Fundamentos biológicos para el uso de la mucosa oral como vía de aplicación de métodos inmunoterápicos

El transporte de medicamentos a través de la mucosa oral ha sido objeto de particular atención, especialmente en las ultimas dos décadas. Entre las distintas regiones de la mucosa oral, la mucosa sublingual es el sitio primario utilizado para la administración de diferentes sustancias incluidos algunos tipos de antígenos. La estructura histológica de esta área muestra la existencia de numerosas células inmunocompetentes capaces de activar el sistema inmunológico. Previo a la descripción de las diferentes rutas de absorción de fármacos y experiencias sobre permeabilidad de la región sublingual, se realiza una breve reseña de la histología y anatomía del área sublingual. En este trabajo también se tratan las ventajas y desventajas de la vía sublingual y el potencial aprovechamiento de la inmunoterapia sublingual para el tratamiento de patologías sistémicas y orales.

Nivel de conocimiento de la comunidad sobre celiaquía y su influencia en el diagnóstico

La enfermedad celiaca, es un trastorno producido por una alteración genética a nivel del cromosoma 14; pero para que la enfermedad se manifieste deben estar presentes, en forma simultanea, dos componentes fundamentales: el hereditario por un lado y por otro un externo que se da por el consumo de proteínas tóxicas que se encuentran en algunos alimentos y que son atrofiantes de la mucosa intestinal. Su incidencia varía entre 1 en 300 (Irlanda occidental) y 1 en 5000 nacidos vivos en Suecia. Es una enfermedad en la cual la membrana del intestino delgado o mucosa intestinal, se ha dañado por causa del consumo de alimentos que contienen cereales en su composición como el trigo, la cebada el centeno y posiblemente en la avena por cuestiones de contaminación cruzada, por eso se hace referencia a los alimentos sin TACC, sigla formada por las iniciales de los nombres de estos cereales. En caso de la avena se discute sobre su toxicidad, por que se cree que es menos potente que los demás cereales, cabe destacar que el arroz y el maíz no presentan ningún grado de toxicidad. Los cereales identificados como tóxicos, para el resto de la población son inofensivos, en los celiacos dañan la mucosa intestinal y atrofian las vellosidades del intestino que son como pliegues agrupados en forma dedos que por su intermedio se produce la absorción de los nutrientes de los alimentos. No son los cereales en si los que producen la afección, si no ciertas proteínas que se encuentran en su composición las que se conocen con el nombre de pro láminas tóxicas, las que mencionaremos a continuación según su grado de toxicidad: • del trigo: gliadina • del centeno: secalina • de la cebada: hordeina • de la avena: avenina Lo que provoca estas toxinas, es la mala absorción de lípidos, hidratos de carbono, y en menor grado las proteínas. Esto lleva a una irritación a nivel del intestino, perdida de apetito, diarrea, y en especial esteatorrea que es una diarrea cuyo principal componente en la materia fecal, es la grasa. Una vez introducida la problemática y de acuerdo a los conceptos vertidos que intentan justificar el tema de estudio, se plantea el problema como sigue: ¿Cuál es el nivel de conocimiento sobre celiaquía de las personas que asisten al consultorio de pediatría del Centro de Salud Nº107 del distrito 25 de Mayo, San Rafael durante febrero de 2009, y qué puede aportar enfermería para la detección precoz?

Transporte electrogénico en el colon de ratas privadas de sodio : bloqueo de canales epiteliales versus inhibición de la NA, K-ATPASA

La privación dietaria de sodio estimula la secreción de aldosterona. En el colon de rata, la aldosterona elevada aumenta la absorción de Na+, pero además torna electrogénico el mecanismo de absorción (normalmente electroneutro). Dicho transporte electrogénico puede suprimirse mediante el bloqueo de los canales epiteliales de Na+ en la membrana apical o la inhibición de la Na, KATPasa de la membrana basolateral. La absorción electrogénica de sodio está estrechamente acoplada al metabolismo aerobio, pero se desconoce si el bloqueo de los canales de Na+ reduce el consumo de oxígeno en igual medida que la inhibición de la Na, K-ATPasa. Se obtuvieron preparados de mucosa aislada del colon distal de ratas alimentadas con una dieta hiposódica por 10 días. Se determinó simultáneamente la corriente de cortocircuito y el consumo de oxígeno en condición basal y luego del bloqueo de canales de Na+ con amilorida (n=12) o de la Na, K-ATPasa con uabaína (n=12). Ambos tratamientos redujeron la corriente de cortocircuito en igual medida (>80%), pero la reducción en el consumo de oxígeno fue mayor con uabaína que con amilorida (p<0.03). Esto se debe probablemente a que la Na, KATPasa cumple otras funciones, además del transporte transepitelial de Na+, que son suprimidas por la uabaína pero no por la amilorida.

Factores trombogénicos sistémicos en paciente con síndrome coronario agudo con cinecoronariografía normal y patológica

En la fisiopatología del síndrome coronario agudo (SCA) sin evidencia de lesión ateromatosa oclusiva, podría participar un estado de hipertrombogenicidad sanguínea, generado por factores trombogénicos sistémicos, como los factores de riesgo cardiovascular y los que intervienen en el balance coagulación-anticoagulación, fibrinolisis y formación de fibrina. Objetivo: Estudiar y comparar los factores trombogénicos sistémicos en pacientes con SCA y cinecoronariografía (CCG) normal y patológica.

Las analogías como modo de evaluación de las concepciones de los estudiantes : Un estudio en el nivel secundario

Las funciones que distintos autores han atribuido a las analogías son variadas: permitir la visualización de aspectos del contenido que de otro modo resultarían demasiado abstractos, provocar o aumentar el interés y la motivación para aprender de los estudiantes, abrir perspectivas para el cambio o el desarrollo conceptual en diferentes contenidos disciplinares, entre varias otras. De dichas funciones, tal vez la menos explorada es la de revelar errores de comprensión a través de una "terapia de analogía", tal la denominación dada en la literatura a esta actividad de indagación. En un estudio anterior se utilizaron analogías para identificar y caracterizar las representaciones de estudiantes secundarios sobre el tema transporte a través de membrana; en el presente se analizan algunas analogías generadas por los alumnos, representativas de las producidas por los grupos que participaron en el estudio, proponiendo lineamientos para el trabajo didáctico con ellas.

Las analogías como modo de evaluación de las concepciones de los estudiantes : Un estudio en el nivel secundario

Las funciones que distintos autores han atribuido a las analogías son variadas: permitir la visualización de aspectos del contenido que de otro modo resultarían demasiado abstractos, provocar o aumentar el interés y la motivación para aprender de los estudiantes, abrir perspectivas para el cambio o el desarrollo conceptual en diferentes contenidos disciplinares, entre varias otras. De dichas funciones, tal vez la menos explorada es la de revelar errores de comprensión a través de una "terapia de analogía", tal la denominación dada en la literatura a esta actividad de indagación. En un estudio anterior se utilizaron analogías para identificar y caracterizar las representaciones de estudiantes secundarios sobre el tema transporte a través de membrana; en el presente se analizan algunas analogías generadas por los alumnos, representativas de las producidas por los grupos que participaron en el estudio, proponiendo lineamientos para el trabajo didáctico con ellas.

Análisis estructural de algunas obras de Félix Candela mediante modelos de Elementos Finitos

Por su facilidad constructiva y la relativa sencillez de su análisis estructural, el paraboloide hiperbólico de hormigón armado es una forma profusamente utilizada por el arquitecto Félix Candela (1910-1997). En este artículo se analiza el comportamiento de varias de esas obras. Concretamente dos paralelogramos alabeados [1], el restaurante Los Manantiales (México) y la Iglesia de Guadalupe (Madrid). Se explica la geometría del paraboloide hiperbólico y se describe brevemente el análisis estructural presentado por Félix Candela. Los resultados presentados posteriormente confirman la distribución de esfuerzos descrita por Candela. En todos los casos estudiados las tensiones resultan ser admisibles para el hormigón. Se ha verificado también el comportamiento de membrana de las estructuras mediante un factor cuyo valor oscila entre 0 (flexión pura) y 1 (membrana pura). El comportamiento se aleja o acerca al de membrana pura en función de las condiciones de apoyo como ya recalcó el arquitecto madrileño

The effect of acoustic screens on orchestra musicians

La Directiva 2003/10/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, del 6 de febrero de 2003, específica con arreglo al apartado 1 del artículo 16 de la Directiva 89/391/CEE las disposiciones mínimas de seguridad y de salud relativas a la exposición de los trabajadores a los riesgos derivados de los agentes físicos (ruido). En la industria musical, y en concreto en los músicos de orquesta, una exposición de más de ocho horas al día a un nivel de presión sonora de 80dB(A) o más es algo muy común. Esta situación puede causar a los trabajadores daños auditivos como la hiperacusia, hipoacusia, tinitus o ruptura de la membrana basilar entre otros. Esto significa que deben tomarse medidas para implementar las regulaciones de la forma más razonable posible para que la interpretación del músico, la dinámica y el concepto musical que se quiere transmitir al público se vea lo menos afectada posible. Para reducir la carga auditiva de los músicos de orquesta frente a fuertes impactos sonoros provenientes de los instrumentos vecinos, se está investigando sobre el uso de unos paneles acústicos que colocados en puntos estratégicos de la orquesta pueden llegar a reducir el impacto sonoro sobre el oído hasta 20dB. Los instrumentos de viento metal y de percusión son los responsables de la mayor emisión de presión sonora. Para proteger el oído de los músicos frente a estos impactos, se colocan los paneles en forma de barrera entre dichos instrumentos y los músicos colocados frente a ellos. De esta forma se protege el oído de los músicos más afectados. Para ver el efecto práctico que producen estos paneles en un conjunto orquestal, se realizan varias grabaciones en los ensayos y conciertos de varias orquestas. Los micrófonos se sitúan a la altura del oído y a una distancia de no más de 10cm de la oreja de varios de los músicos más afectados y de los músicos responsables de la fuerte emisión sonora. De este modo se puede hacer una comparación de los niveles de presión sonora que percibe cada músico y evaluar las diferencias de nivel existentes entre ambos. Así mismo se utilizan configuraciones variables de los paneles para comparar las diferencias de presión sonora que existen entre las distintas posibilidades de colocarlos y decidir así sobre la mejor ubicación y configuración de los mismos. A continuación, una vez obtenidos las muestras de audio y los diferentes archivos de datos medidos con un analizador de audio en distintas posiciones de la orquesta, todo ello se calibra y analiza utilizando un programa desarrollado en Matlab, para evaluar el efecto de los paneles sobre la percepción auditiva de los músicos, haciendo especial hincapié en el análisis de las diferencias de nivel de presión sonora (SPL). Mediante el cálculo de la envolvente de las diferencias de nivel, se evalúa de un modo estadístico el efecto de atenuación de los paneles acústicos en los músicos de orquesta. El método está basado en la probabilidad estadística de varias muestras musicales ya que al tratarse de música tocada en directo, la dinámica y la sincronización entre los músicos varía según el momento en que se toque. Estos factores junto con el hecho de que la partitura de cada músico es diferente dificulta la comparación entre dos señales grabadas en diferentes puntos de la orquesta. Se necesita por lo tanto de varias muestras musicales para evaluar el efecto de atenuación de los paneles en las distintas configuraciones mencionadas anteriormente. El estudio completo del efecto de los paneles como entorno que influye en los músicos de orquesta cuando están sobre el escenario, tiene como objetivo la mejora de sus condiciones de trabajo. Abstract For several years, the European Union has been adopting many laws and regulations to protect and give more security to people who are exposed to some risk in their job. Being exposed to a loud sound pressure level during many hours in the job runs the risk of hearing damage. Particularly in the field of music, the ear is the most important working tool. Not taking care of the ear can cause some damage such as hearing loss, tinnitus, hyperacusis, diplacusis, etc. This could have an impact on the efficiency and satisfaction of the musicians when they are playing, which could also cause stress problems. Orchestra musicians, as many other workers in this sector, are usually exposed to a sound level of 80dB(A) or more during more than eight hours per day. It means that they must satisfy the law and their legal obligations to avoid health problems proceeding from their job. Putting into practice the new regulations is a challenge for orchestras. They must make sure that the repertoire, with its dynamic, balance and feeling, is not affected by the reduction of sound levels imposed by the law. This study tries to investigate the benefits and disadvantages of using shields as a hearing protector during rehearsals and orchestral concerts.

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

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