Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones dinámicas entre sólidos y líquidos viscosos con superficie libre

En esta tesis se investiga la interacción entre un fluido viscoso y un cuerpo sólido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa teóricamente poniendo especial atención a los aspectos de conservación de energía y de la interacción del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monofásico, y un desarrollo matemático permite una descomposición de los términos disipativos en términos relacionados con la superficie libre y términos relacionados con la enstrofía. El modelo numérico utilizado en la tesis se basa en el método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera análoga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservación se estudian en la tesis con el sistema discreto de partículas. Se tratan también las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el método ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo explícito de interacción fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipación de energía y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuación de una onda estacionaria, comparando la simulación numérica con predicciones teóricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipación de energía para flujos más violentos que implican la fragmentación de la superficie libre. La cantidad de energía disipada con los diferentes términos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo numérico. Se han realizado otras pruebas numéricas para verificar la técnica de modelización de la interacción fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo numérico ha sido validado, se han realizado simulaciones numéricas para obtener una comprensión más completa de la física implicada en casos (casi) realistas sobre los había aspectos que no se conocían suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un número de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y números de Froude. La solución numérica permite una investigación de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interactúa con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades características. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como numéricamente. El análisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilación horizontal, pero se ha estudiado un gran número de condiciones, lo que lleva a una comprensión bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La última parte de la tesis trata también sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque está oscilando con rotación y hay acoplamiento con un sistema mecánico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con líquido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguación de las estructuras civiles. El análisis se ha realizado analíticamente, numéricamente y experimentalmente utilizando líquidos con viscosidades diferentes, centrándose en características no lineales y mecanismos de disipación. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.

Vision-Based Tracking, Odometry and Control for UAV Autonomy

El principal objetivo de este trabajo es proporcionar una solución en tiempo real basada en visión estéreo o monocular precisa y robusta para que un vehículo aéreo no tripulado (UAV) sea autónomo en varios tipos de aplicaciones UAV, especialmente en entornos abarrotados sin señal GPS. Este trabajo principalmente consiste en tres temas de investigación de UAV basados en técnicas de visión por computador: (I) visual tracking, proporciona soluciones efectivas para localizar visualmente objetos de interés estáticos o en movimiento durante el tiempo que dura el vuelo del UAV mediante una aproximación adaptativa online y una estrategia de múltiple resolución, de este modo superamos los problemas generados por las diferentes situaciones desafiantes, tales como cambios significativos de aspecto, iluminación del entorno variante, fondo del tracking embarullado, oclusión parcial o total de objetos, variaciones rápidas de posición y vibraciones mecánicas a bordo. La solución ha sido utilizada en aterrizajes autónomos, inspección de plataformas mar adentro o tracking de aviones en pleno vuelo para su detección y evasión; (II) odometría visual: proporciona una solución eficiente al UAV para estimar la posición con 6 grados de libertad (6D) usando únicamente la entrada de una cámara estéreo a bordo del UAV. Un método Semi-Global Blocking Matching (SGBM) eficiente basado en una estrategia grueso-a-fino ha sido implementada para una rápida y profunda estimación del plano. Además, la solución toma provecho eficazmente de la información 2D y 3D para estimar la posición 6D, resolviendo de esta manera la limitación de un punto de referencia fijo en la cámara estéreo. Una robusta aproximación volumétrica de mapping basada en el framework Octomap ha sido utilizada para reconstruir entornos cerrados y al aire libre bastante abarrotados en 3D con memoria y errores correlacionados espacialmente o temporalmente; (III) visual control, ofrece soluciones de control prácticas para la navegación de un UAV usando Fuzzy Logic Controller (FLC) con la estimación visual. Y el framework de Cross-Entropy Optimization (CEO) ha sido usado para optimizar el factor de escala y la función de pertenencia en FLC. Todas las soluciones basadas en visión en este trabajo han sido probadas en test reales. Y los conjuntos de datos de imágenes reales grabados en estos test o disponibles para la comunidad pública han sido utilizados para evaluar el rendimiento de estas soluciones basadas en visión con ground truth. Además, las soluciones de visión presentadas han sido comparadas con algoritmos de visión del estado del arte. Los test reales y los resultados de evaluación muestran que las soluciones basadas en visión proporcionadas han obtenido rendimientos en tiempo real precisos y robustos, o han alcanzado un mejor rendimiento que aquellos algoritmos del estado del arte. La estimación basada en visión ha ganado un rol muy importante en controlar un UAV típico para alcanzar autonomía en aplicaciones UAV. ABSTRACT The main objective of this dissertation is providing real-time accurate robust monocular or stereo vision-based solution for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to achieve the autonomy in various types of UAV applications, especially in GPS-denied dynamic cluttered environments. This dissertation mainly consists of three UAV research topics based on computer vision technique: (I) visual tracking, it supplys effective solutions to visually locate interesting static or moving object over time during UAV flight with on-line adaptivity approach and multiple-resolution strategy, thereby overcoming the problems generated by the different challenging situations, such as significant appearance change, variant surrounding illumination, cluttered tracking background, partial or full object occlusion, rapid pose variation and onboard mechanical vibration. The solutions have been utilized in autonomous landing, offshore floating platform inspection and midair aircraft tracking for sense-and-avoid; (II) visual odometry: it provides the efficient solution for UAV to estimate the 6 Degree-of-freedom (6D) pose using only the input of stereo camera onboard UAV. An efficient Semi-Global Blocking Matching (SGBM) method based on a coarse-to-fine strategy has been implemented for fast depth map estimation. In addition, the solution effectively takes advantage of both 2D and 3D information to estimate the 6D pose, thereby solving the limitation of a fixed small baseline in the stereo camera. A robust volumetric occupancy mapping approach based on the Octomap framework has been utilized to reconstruct indoor and outdoor large-scale cluttered environments in 3D with less temporally or spatially correlated measurement errors and memory; (III) visual control, it offers practical control solutions to navigate UAV using Fuzzy Logic Controller (FLC) with the visual estimation. And the Cross-Entropy Optimization (CEO) framework has been used to optimize the scaling factor and the membership function in FLC. All the vision-based solutions in this dissertation have been tested in real tests. And the real image datasets recorded from these tests or available from public community have been utilized to evaluate the performance of these vision-based solutions with ground truth. Additionally, the presented vision solutions have compared with the state-of-art visual algorithms. Real tests and evaluation results show that the provided vision-based solutions have obtained real-time accurate robust performances, or gained better performance than those state-of-art visual algorithms. The vision-based estimation has played a critically important role for controlling a typical UAV to achieve autonomy in the UAV application.

Simulación eficiente de mecanismos flexibles mediante formulaciones topológicas

El objetivo de esta Tesis es presentar un método eficiente para la evaluación de sistemas multi-cuerpo con elementos flexibles con pequeñas deformaciones, basado en métodos topológicos para la simulación de sistemas tan complejos como los que se utilizan en la práctica y en tiempo real o próximo al real. Se ha puesto un especial énfasis en la resolución eficiente de aquellos aspectos que conllevan mayor coste computacional, tales como la evaluación de las ecuaciones dinámicas y el cálculo de los términos de inercia. Las ecuaciones dinámicas se establecen en función de las variables independientes del sistema, y la integración de las mismas se realiza mediante formulaciones implícitas de index-3. Esta Tesis se articula en seis Capítulos. En el Capítulo 1 se realiza una revisión bibliográfica de la simulación de sistemas flexibles y los métodos más relevantes de integración de las ecuaciones diferenciales del movimiento. Asimismo, se presentan los objetivos de esta Tesis. En el Capítulo 2 se presenta un método semi-recursivo para la evaluación de las ecuaciones de los sistemas multi-cuerpo con elementos flexibles basado en formulaciones topológicas y síntesis modal. Esta Tesis determina la posición de cada punto del cuerpo flexible en función de un sistema de referencia flotante que se mueve con dicho cuerpo y de las amplitudes de ciertos modos de deformación calculados a partir de un mallado obtenido mediante el Método de Elementos Finitos. Se presta especial atención en las condiciones de contorno que se han de tener en cuenta a la hora de establecer las variables que definen la deformación del cuerpo flexible. El Capítulo 3 se centra en la evaluación de los términos de inercia de los sistemas flexibles que generalmente conllevan un alto coste computacional. Se presenta un método que permite el cálculo de dichos términos basado en el uso de 24 matrices constantes que pueden ser calculadas previamente al proceso de integración. Estas matrices permiten evaluar la matriz de masas y el vector de fuerzas de inercia dependientes de la velocidad sin que sea necesario evaluar la posición deformada de todos los puntos del cuerpo flexible. Se realiza un análisis pormenorizado de dichas matrices con el objetivo de optimizar su cálculo estableciendo aproximaciones que permitan reducir el número de dichos términos y optimizar aún más su evaluación. Se analizan dos posibles simplificaciones: la primera utiliza una discretización no-consistente basada en elementos finitos en los que se definen únicamente los desplazamientos axiales de los nodos; en la segunda propuesta se hace uso de una matriz de masas concentradas (Lumped Mass). Basándose en la formulación presentada, el Capítulo 4 aborda la integración eficiente de las ecuaciones dinámicas. Se presenta un método iterativo para la integración con fórmulas de index-3 basado en la proyección de las ecuaciones dinámicas según las variables independientes del sistema multi-cuerpo. El cálculo del residuo del sistema de ecuaciones no lineales que se ha de resolver de modo iterativo se realiza mediante un proceso recursivo muy eficiente que aprovecha la estructura topológica del sistema. Se analizan tres formas de evaluar la matriz tangente del citado sistema no lineal: evaluación aproximada, numérica y recursiva. El método de integración presentado permite el uso de distintas fórmulas. En esta Tesis se analizan la Regla Trapezoidal, la fórmula BDF de segundo orden y un método híbrido TR-BDF2. Para este último caso se presenta un algoritmo de paso variable. En el Capítulo 5 plantea la implementación del método propuesto en un programa general de simulación de mecanismos que permita la resolución de cualquier sistema multi-cuerpo definiéndolo mediante un fichero de datos. La implementación de este programa se ha realizado tanto en C++ como en Java. Se muestran los resultados de las formulaciones presentadas en esta Tesis mediante la simulación de cuatro ejemplos de distinta complejidad. Mediante análisis concretos se comparan la formulación presentada con otras existentes. También se analiza el efecto del lenguaje de programación utilizado en la implementación y los efectos de las posibles simplificaciones planteadas. Por último, el Capítulo 6 resume las principales conclusiones alcanzadas en la Tesis y las futuras líneas de investigación que con ella se abren. ABSTRACT This Thesis presents an efficient method for solving the forward dynamics of a multi-body sys-tem formed by rigid and flexible bodies with small strains for real-time simulation of real-life models. It is based on topological formulations. The presented work focuses on the efficient solution of the most time-consuming tasks of the simulation process, such as the numerical integration of the motion differential equations and in particular the evaluation of the inertia terms corresponding to the flexible bodies. The dynamic equations are formulated in terms of independent variables of the muti-body system, and they are integrated by means of implicit index-3 formulae. The Thesis is arranged in six chapters. Chapter 1 presents a review of the most relevant and recent contributions related to the modelization of flexible multi-body systems and the integration of the corresponding dynamic equations. The main objectives of the Thesis are also presented in detail. Chapter 2 presents a semi-recursive method for solving the equations of a multi-body system with flexible bodies based on topological formulations and modal synthesis. This Thesis uses the floating frame approach and the modal amplitudes to define the position of any point at the flexible body. These modal deformed shapes are obtained by means of the Finite Element Method. Particular attention has been taken to the boundary conditions used to define the deformation of the flexible bodies. Chapter 3 focuses on the evaluation of the inertia terms, which is usually a very time-consuming task. A new method based on the use of 24 constant matrices is presented. These matrices are evaluated during the set-up step, before the integration process. They allow the calculation of the inertia terms in terms of the position and orientation of the local coordinate system and the deformation variables, and there is no need to evaluate the position and velocities of all the nodes of the FEM mesh. A deep analysis of the inertia terms is performed in order to optimize the evaluation process, reducing both the terms used and the number of arithmetic operations. Two possible simplifications are presented: the first one uses a non-consistent approach in order to define the inertia terms respect to the Cartesian coordinates of the FEM mesh, rejecting those corresponding to the angular rotations; the second approach makes use of lumped mass matrices. Based on the previously presented formulation, Chapter 4 is focused on the numerical integration of the motion differential equations. A new predictor-corrector method based on index-3 formulae and on the use of multi-body independent variables is presented. The evaluation of the dynamic equations in a new time step needs the solution of a set on nonlinear equations by a Newton-Raphson iterative process. The computation of the corresponding residual vector is performed efficiently by taking advantage of the system’s topological structure. Three methods to compute the tangent matrix are presented: an approximated evaluation that considers only the most relevant terms, a numerical approach based on finite differences and a recursive method that uses the topological structure. The method presented for integrating the dynamic equations can use a variety of integration formulae. This Thesis analyses the use of the trapezoidal rule, the 2nd order BDF formula and the hybrid TR-BDF2 method. A variable-time step strategy is presented for the last one. Chapter 5 describes the implementation of the proposed method in a general purpose pro-gram for solving any multibody defined by a data file. This program is implemented both in C++ and Java. Four examples are used to check the validity of the formulation and to compare this method with other methods commonly used to solve the dynamic equations of multi-body systems containing flexible bodies. The efficiency of the programming methodology used and the effect of the possible simplifications proposed are also analyzed. Chapter 6 summarizes the main Conclusions obtained in this Thesis and the new lines of research that have been opened.

Estabilidad de puentes líquidos bajo el efecto de una rotación no axilsimétrica

El estudio de la influencia de perturbaciones de distinta naturaleza en configuraciones de puentes líquidos apoyados en dos discos coaxiales en rotación encuentra una importante motivación en el uso de dicha configuración en la fabricación de cristales semiconductores ultra-puros por la denominada técnica de zona flotante, en la que la rotación de los discos se utiliza para alcanzar temperaturas uniformes. El presente estudio muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de un método numérico en el análisis de la estabilidad de puentes líquidos en isorrotación sometidos al efecto de una fuerza axial uniforme (gravedad axial) y una excentricidad entre el eje de giro y el eje de los discos. Se analiza el efecto de la aplicación de estos factores tanto de forma conjunta como por separado. Aunque existen numerosos estudios previos sobre puentes líquidos sometidos a diversos efectos, el análisis del efecto combinado de la rotación con excentricidad y gravedad axial no ha sido realizado con anterioridad. Este estudio permite además entender los resultados del experimento a bordo de la misión TEXUS-23, en el que un puente líquido sujeto entre dos discos circulares y coaxiales es sometido al efecto de una rotación creciente en torno a un eje desplazado respecto al eje de los discos. Aunque en el experimento no se impone una fuerza axial controlada, la desestabilización y rotura del puente se produce de forma notablemente asimétrica, lo que no puede ser explicado con los estudios precedentes y sugiere una posible presencia de una aceleración axial residual. Se ha desarrollado por tanto un método de análisis de imágenes que permite comparar las formas obtenidas en el experimento con las calculadas numéricamente. En este estudio se muestran los detalles del procesado realizado en las imágenes de la misión TEXUS-23, y los resultados de su comparación con el análisis numérico, que permiten determinar el valor de la gravedad axial que mejor reproduce los resultados del experimento. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia del conocimiento y la modelización de efectos cuya presencia (intencionada o no) afectan de forma visible a la estabilidad y la morfología de los puentes líquidos. ABSTRACT The study of the influence of various disturbances in configurations consisting of a liquid bridge supported by two co-axial disks in rotation has an important motivation in the use of this configuration in the fabrication of ultrapure semiconductor crystals via the so-called floating zone technique, in which the rotation of the disks is used to achieve a uniform temperature field. The present study shows the results obtained through the application of a numerical method in the analysis of the stability of liquid bridges in isorotation under the effect of a uniform axial force field (axial gravity) and an offset between the rotation axis and the axis of the supporting disks (eccentricity). The analysis studies the effect of both the combined and separate application of these factors. Although there are numerous studies on liquid bridges subject to various effects, the analysis of the combined effect of rotation with eccentricity and axial gravity has not been done before. Furthermore, this study allows us to understand the results from the experiment aboard the TEXUS-23 mission, in which a liquid bridge supported between two circular-shaped, co-axial disks is subject to the effect of an increasing rotation around an axis with an offset with respect to the axis of the disks. Although the experiment conditions do not include a controlled axial force field, the instability and breakage of the bridge occurs with a marked asymmetry, which cannot be explained by previous studies and suggests the possible presence of a residual axial gravity. Therefore, an image analysis method has been developed which allows to compare the shapes obtained in the experiment with those calculated with the numerical method. This study shows the details of the processing performed on the images from the TEXUS-23 mission and the results from their comparison with the numerical analysis, which allow to determine the axial gravity value which best recovers the experimental results. These results highlight the importance of the understanding and modelling of effects which, when present (intentionally or not), noticeably affect the stability and shape of the liquid bridges.

Posibilidades de cultivo de nuevas especies marinas en el área mediterránea

La acuicultura, el cultivo y cría de animales y plantas acuáticas, representa en la actualidad una fuente esencial de proteína animal y vegetal altamente saludable y nutritiva, proporcionando un sistema de vida y de ingresos en todo el mundo. La acuicultura además de ser un motor para el desarrollo social y económico de las áreas costeras marinas y fluviales mundiales, supone en muchas regiones subdesarrolladas una garantía de alimento de alta calidad y es clave en la seguridad alimentaria de sus poblaciones. El desarrollo de la acuicultura se ha realizado fundamentalmente en los últimos 50 años, y ha sido sobre todo en la década de los años 80, cuando la acuicultura ha experimentado un fuerte crecimiento con tasas anuales que superan el 6%. Con el estancamiento de la producción pesquera y el incremento de la población mundial, la acuicultura se presenta como la única fuente posible de suministro de proteínas (vegetales y animales) de alta calidad, ricas en aceites omega 3 (EPA y DHA) de origen acuático. En la actualidad la producción procedente de la acuicultura supera los 95 millones de toneladas anuales, siendo ligeramente superior a los 94 millones de toneladas anuales provenientes de la pesca extractiva. De este total mundial acuícola, la producción asiática representa el 89%, mientras que la europea el 4,2% Aunque el 46% de la producción mundial acuícola se concentra únicamente en solo 10 especies, una de las principales características de la acuicultura es la gran diversidad de especies cultivadas, más de 500, realizándose su cría bajo diferentes tecnologías y sistemas productivos. El ámbito de esta tesis, es únicamente la acuicultura marina que se desarrolla en las aguas del mar mediterráneo, indistintamente de los sistemas y tecnología de producción utilizados. Los principales grupos de cultivo que se realizan en las aguas del Mediterráneo son los moluscos y los peces, siendo muy escasos los cultivos de otros grupos como crustáceos y macroalgas. La piscicultura marina mediterránea está dominada por el cultivo en jaulas flotantes de dos especies, la dorada (Sparus auratus) y la lubina (Dicentrarchus labrax). Estas dos especies y tras 30 años de experiencia de cultivo, mantienen todavía una ineficiencia productiva alta (reducida selección genética, lento crecimiento hasta talla comercial, alto factor de conversón del pienso…) y además ocupan un estrecho nicho de mercado, ya que prácticamente toda la comercialización de la dorada y lubina se realiza en fresco y sin elaborar ni transformar, a una talla media de 500 g. Para dar respuesta desde la acuicultura mediterránea al alto consumo y a la creciente demanda que en la Unión Europea existe de los productos acuícolas, y en especial los productos elaborados y transformados, es necesario de manera urgente, un aumento de la producción de las especies ya cultivadas (dorada y lubina) mediante la mejora de su eficiencia productiva, al mismo tiempo que se debe iniciar la producción industrial de nuevas especies piscícolas, mediante la diversificación de los cultivos. Para llevar a cabo esta diversificación, se hace necesario el establecimiento de una metodología clara, que asegure una selección de especies apropiadas y rentables para la industria acuícola mediterránea, cuyo cultivo sostenible debiera cumplir con los desafíos que el sector tiene. Nuevas especies que complementen y cubran las demandas actuales y futuras del mercado Europeo e Internacional de productos acuícolas. Nuevas especies con parámetros productivos eficientes, que garanticen unos costes productivos competitivos. Nuevas especies que puedan ser cultivadas utilizando como base la tecnología de producción ya existente en el sector. El objetivo de esta tesis es la definición y desarrollo de una metodología sencilla para la selección de nuevas especies piscícolas marinas para su cultivo eficiente y sostenible Y bajo la aplicación de esta metodología, la selección de un grupo de especies piscícolas para su cultivo rentable a corto y medio plazo (6-8 años) en el Mediterráneo. Para ello se ha definido y aplicado una metodología con la que se han evaluado diez especies candidatas, previamente escogidas de una serie de listas previas originadas en los distintos estudios y trabajos de diversificación realizados con anterioridad por otros equipos de investigación. Estas especies candidatas han sido: Seriola dumerili. (Seriola) , Argyrosomus regius (Corvina), Polyprion americanus (Cherna), Ephinephelus marginatus (Mero), Dentex dentex (Dentón), Pagrus pagrus (Pargo), Solea senegalensis (Lenguado del Senegal), Thunnus thynnus (Atún rojo), Mugil cephalus (Lisa), Coryphaena hippurus (Lampuga). El conjunto de estas especies ocupa un amplio y variado espectro dentro de las distintas áreas de mercado, productiva, tecnológica, y medioambiental . Y en todas ellas existe una experiencia mínima en sus diferentes fases de cultivo. En el desarrollo de la metodología de selección, en esta tesis se han definido diversos parámetros de evaluación, considerados como los más significativos y sencillos de aplicar. Los parámetros se han agrupado en tres bloques, el comercial, el productivo y el medioambiental. El Bloque de Mercado, comprende aquellos criterios que están relacionados con la comercialización de la especie. Calidad de la carne del pescado. Competencia con otras especies en el mercado. Potencial de Transformado. Precio de venta del pescado. El bloque Medioambiental incluye criterios del grado de idoneidad de la especie en la región y del grado de impacto ambiental de su cultivo. Rango de temperaturas del agua óptimo para el cultivo. Potencial impacto ambiental de su cultivo. Eslabón trófico de la especie.. El bloque Productivo, engloba los criterios y parámetros relacionados con el nivel de conocimiento y control que sobre su cultivo existen ( larvario, engorde, tecnología) Grado de control de la fase larvaria. Disponibilidad de alevines en el sector Crecimiento. Factor de conversión Aprovechamiento de la capacidad productiva instalada, Coste de inversión. Previa a la evaluación se han descrito las principales características de las especies candidatas en función del estado y experiencia actual sus cultivos. En la aplicación de estos criterios se han establecido matrices de evaluación y a cada criterio se le ha asignado un valor diferente en función de sus características y propiedades selectivas. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de la metodología de evaluación propuesta, han señalado la seriola y la corvina como especies más recomendadas para su puesta en cultivo en el Mediterráneo a corto y medio plazo. Las otras dos especies seleccionadas han sido la lisa y la lampuga. Como conclusión final podemos señalar que el cultivo de nuevas especies es fundamentalmente para el desarrollo sostenible de la acuicultura mediterránea. Esta diversificación debe basarse en la aplicación de una metodología sencilla y práctica, que garantice una selección de especies cuyo cultivo sea rentable y abarquen nuevos segmentos de mercado. ABSTRACT Aquaculture, the cultivation and breeding of aquatic animals and plants, currently represents an essential source of highly nutritious and healthy protein that provides a way of life and income all over the world. Apart from being a social and economic driver in coastal and marine areas, it also entails a guaranteed high quality nourishment in many undeveloped areas being key to the alimentary safety of their population. Aquaculture has developed mainly in the last 50 years and experienced a high growth especially during the Eighties when the annual rates were above 6%. With fishing production stagnating and the global population increasing, aquaculture emerges as the only possible animal and vegetable protein source of aquatic origin, high in quality and omega 3 oils (EPA and DHA). Here and now, aquaculture production is over 95 million tons per year, which is slightly higher than the 94 million tons per year that come from extractive fisheries. From this aquaculture total, Asiatic production represents 89% while Europe´s is only 4.2%. Even though 46% of the global aquaculture production focuses just on 10 species, one of the main characteristics of aquaculture is the wide diversity of cultivated species –over 500– using different technologies and production systems. This PhD’s scope is only marine aquaculture in Mediterranean water, regardless of the technology or systems used. The main crop groups in the Mediterranean sea are molluscs and finfish, while crustacean and macroalgae cultivations are very limited. Mediterranean fish culture is dominated by the cultivation in floating cages of two species: Bream (Sparus auratus) and Bass (Dicentrarchus labrax). After 30 years of farming, these two species still keep a high productive inefficiency –reduced genetic selection, slow growth to marketable size, high feed conversion rate– and fill a narrow niche market as practically all bream and bass is sold fresh and whole, unprocessed and untransformed, with an average size of 500 grams. To meet the high consumption and growing demand of aquaculture products, in the European Union (especially those prepared and transformed), Mediterranean aquaculture needs to urgently increase the production of the species already under cultivation (Bass and Bream) by means of improving its productive efficiency and at the same time begin initiating industrial production of new species by diversifying the cultivation. To carry out this diversification it is necessary to establish a clear methodology that ensures the selection of adapted and profitable species for the Mediterranean aquaculture industry. The sustainable farming of these new species needs to meet the challenges this sector faces: New species that complement and meet the current and future needs of the European and International markets for aquaculture products. New species with efficient production parameters that ensure competitive production costs. New species that can be cultivated using already existing production technologies. The aim of this PhD is to define and develop a simple methodology for the selection of new marine fish species for their efficient and sustainable cultivation. And by applying this methodology, to select a group of fish species for its profitable crop in the short and medium term (6-8 years) in the Mediterranean. For this, a methodology has been defined and applied evaluating ten candidate species selected from a series of lists originated from different studies and from diversification works previously conducted by other research teams. These candidate species are: Seriola dumerili. (Greater amberjack), Argyrosomus regius (Meagre), Polyprion americanus (Wreckfish), Ephinephelus marginatus (Dusky grouper), Dentex dentex (Common dentex), Pagrus pagrus (Red porgy), Solea senegalensis (Senegal sole), Thunnus thynnus (Bluefin tuna), Mugil cephalus (Grey mullet), Coryphaena hippurus (Dolphinfish). All these species occupy a broad and varied spectrum within different productive, technological and environmental market areas. There is minimal experience in their different stages of cultivation for all of them. While developing the selection methodology several evaluation parameters have been defined in this PhD, considered the most significant and simple to apply. The parameters are grouped in three blocks: commercial, productivity and environmental. Market block comprises criteria related to the marketing of the species. Quality of the fish meatCompetition with other species in the marketTransformation potentialFish selling price Environment block includes criteria related to the degree of suitability of the species in the region and the degree of environmental impact of their cultivation. Optimal water temperature range for cultivationPotential environmental impact of their cultivationTrophic chain level. Productivity block includes criteria and parameters related to the level of knowledge and control over their cultivation (larval, ongrowing, technology) Degree of control of the larval stageAvailability of alevin in the sector GrowthFeed conversion rate. Exploitation of installed capacityInvestment cost Prior to the evaluation, the main characteristics of the candidate species have been described based on the current status and experience of their cultivations. When applying these criteria evaluation matrices have been established assigning to each criteria a different value depending on their characteristics and selective properties. The results obtained by applying the proposed assessment methodology have identified the Greater Amberjack and Meagre as the most recommended species for farming in the Mediterranean in the short and medium term. The other two selected species were the Grey Mullet and the Dolphinfish. In conclusion, the cultivation of new species is crucial for the sustainable development of Mediterranean aquaculture. This diversification has to be based on the application of a simple and practical methodology that guarantees a selection of species whose cultivation is profitable and covers new market segments.

Minimum volume for a liquid bridge between equal disks

The lower stability limit for axisymmetric floating zones at rest between equal coaxial disks has been experimentally verified for several disk-separation/disk-diameter ratios by using the neutral buoyancy technique. Results show a close agre ment with theory in the case of bridge disruption and a wide scatter in the case of bridge etachment.

Transient thermal analysis during the ascent phase of a balloon-borne payload. Comparison with SUNRISE test flight measurements

The thermal design of stratospheric balloon payloads usually focuses on the cruise phase of the missions, that is, the floating altitude conditions. The ascent phase usually takes between 2 and 4 h, a very small period compared to the duration of the whole mission, which can last up to 4 weeks. However, during this phase payloads are subjected to very harsh conditions due mainly to the convective cooling that occurs as the balloon passes through the cold atmosphere, with minimum temperatures in the tropopause. The aim of this work is to study the thermal behaviour of a payload carried by a long duration balloon during the ascent phase. Its temperature has been calculated as a function of the altitude from sea level to floating conditions. To perform this analysis it has been assumed that the thermal interactions (convection and radiation) depend on the altitude, on the environmental conditions (which in turn depend also on the altitude) and on the temperature of the system itself. The results have been compared with the measurements taken during the SUNRISE test flight, launched in October 2007 by CSBF from Fort Sumner (New Mexico).

A time-domain finite element method for seakeeping and wave resistance problems

El objetivo de la tesis es la investigación de algoritmos numéricos para el desarrollo de herramientas numéricas para la simulación de problemas tanto de comportamiento en la mar como de resistencia al avance de buques y estructuras flotantes. La primera herramienta desarrollada resuelve el problema de difracción y radiación de olas. Se basan en el método de los elementos finitos (MEF) para la resolución de la ecuación de Laplace, así como en esquemas basados en MEF, integración a lo largo de líneas de corriente, y en diferencias finitas desarrollados para la condición de superficie libre. Se han desarrollado herramientas numéricas para la resolución de la dinámica de sólido rígido en sistemas multicuerpos con ligaduras. Estas herramientas han sido integradas junto con la herramienta de resolución de olas difractadas y radiadas para la resolución de problemas de interacción de cuerpos con olas. También se han diseñado algoritmos de acoplamientos con otras herramientas numéricas para la resolución de problemas multifísica. En particular, se han realizado acoplamientos con una herramienta numérica basada de cálculo de estructuras con MEF para problemas de interacción fluido-estructura, otra de cálculo de líneas de fondeo, y con una herramienta numérica de cálculo de flujos en tanques internos para problemas acoplados de comportamiento en la mar con “sloshing”. Se han realizado simulaciones numéricas para la validación y verificación de los algoritmos desarrollados, así como para el análisis de diferentes casos de estudio con aplicaciones diversas en los campos de la ingeniería naval, oceánica, y energías renovables marinas. ABSTRACT The objective of this thesis is the research on numerical algorithms to develop numerical tools to simulate seakeeping problems as well as wave resistance problems of ships and floating structures. The first tool developed is a wave diffraction-radiation solver. It is based on the finite element method (FEM) in order to solve the Laplace equation, as well as numerical schemes based on FEM, streamline integration, and finite difference method tailored for solving the free surface boundary condition. It has been developed numerical tools to solve solid body dynamics of multibody systems with body links across them. This tool has been integrated with the wave diffraction-radiation solver to solve wave-body interaction problems. Also it has been tailored coupling algorithms with other numerical tools in order to solve multi-physics problems. In particular, it has been performed coupling with a MEF structural solver to solve fluid-structure interaction problems, with a mooring solver, and with a solver capable of simulating internal flows in tanks to solve couple seakeeping-sloshing problems. Numerical simulations have been carried out to validate and verify the developed algorithms, as well as to analyze case studies in the areas of marine engineering, offshore engineering, and offshore renewable energy.

Understanding how to reduce road transport emissions : modelling the impact of eco-driving

Entre los problemas medioambientales más trascendentales para la sociedad, se encuentra el del cambio climático así como el de la calidad del aire en nuestras áreas metropolitanas. El transporte por carretera es uno de los principales causantes, y como tal, las administraciones públicas se enfrentan a estos problemas desde varios ángulos: Cambios a modos de transporte más limpios, nuevas tecnologías y combustibles en los vehículos, gestión de la demanda y el uso de tecnologías de la información y la comunicación (ICT) aplicadas al transporte. En esta tesis doctoral se plantea como primer objetivo el profundizar en la comprensión de cómo ciertas medidas ICT afectan al tráfico, las emisiones y la propia dinámica de los vehículos. El estudio se basa en una campaña de recogida de datos con vehículos flotantes para evaluar los impactos de cuatro medidas concretas: Control de velocidad por tramo, límites variables de velocidad, limitador de velocidad (control de crucero) y conducción eficiente (eco‐driving). Como segundo objetivo, el estudio se centra en la conducción eficiente, ya que es una de las medidas que más ahorros de combustible presenta a nivel individual. Aunque estas reducciones están suficientemente documentadas en la literatura, muy pocos estudios se centran en estudiar el efecto que los conductores eficientes pueden tener en el flujo de tráfico, y cuál sería el impacto si se fuera aumentando el porcentaje de este tipo de conductores. A través de una herramienta de microsimulación de tráfico, se han construido cuatro modelos de vías urbanas que se corresponden con una autopista urbana, una arteria, un colector y una vía local. Gracias a los datos recogidos en la campaña de vehículos flotantes, se ha calibrado el modelo, tanto el escenario base como el ajuste de parámetros de conducción para simular la conducción eficiente. En total se han simulado 72 escenarios, variando el tipo de vía, la demanda de tráfico y el porcentaje de conductores eficientes. A continuación se han calculado las emisiones de CO2 and NOx mediante un modelo de emisiones a nivel microscópico. Los resultados muestran que en escenarios con alto porcentaje de conductores eficientes y altas demandas de tráfico las emisiones aumentan. Esto se debe a que las mayores distancias de seguridad y las aceleraciones y frenadas suaves hacen que aumente la congestión, produciendo así mayores emisiones a nivel global. Climate change and the reduced air quality in our metropolitan areas are two of the main environmental problems that the society is addressing currently. Being road transportation one of the main contributors, public administrations are facing these problems from different points of view: shift to cleaner modes, new fuels and vehicle technologies, demand management and the use of information and communication technologies (ICT) applied to transportation. The first objective of this thesis is to understand how certain ICT measures affect traffic, emissions and vehicle dynamics. The study is based on a data collection campaign with floating vehicles to evaluate the impact of four specific measures: section speed control, variable speed limits, cruise control and eco‐driving. The second objective of the study focuses on eco‐driving, as it is one of the measures that present the largest fuel savings at an individual level. Although these savings are well documented in the literature, few studies focus on how ecodrivers affect the surrounding vehicles and the traffic, and what would be the impact in case of different eco‐drivers percentage. Using a traffic micro‐simulation tool, four models in urban context have been built, corresponding to urban motorway, urban arterial, urban collector and a local street. Both the base‐case and the parameters setting to simulate eco‐driving have been calibrated with the data collected through floating vehicles. In total 72 scenarios were simulated, varying the type of road, traffic demand and the percentage of eco‐drivers. Then, the CO2 and NOx emissions have been estimated through the use of an emission model at microscopic level. The results show that in scenarios with high percentage of co‐drivers and high traffic demand the emissions rise. Higher headways and smooth acceleration and decelerations increase congestion, producing higher emissions globally.

Development of a sensorimotor algorithm able to deal with unforeseen pushes and its implementation based on VHDL

Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL is the title of my thesis which concludes my Bachelor Degree in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. It encloses the overall work I did in the Neurorobotics Research Laboratory from the Beuth Hochschule für Technik Berlin during my ERASMUS year in 2015. This thesis is focused on the field of robotics, specifically an electronic circuit called Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) and its control algorithm based on VHDL hardware description language. The reason that makes the CSL special resides in its ability to operate a motor both as a sensor and an actuator. This way, it is possible to achieve a balanced position in any of the robot joints (e.g. the robot manages to stand) without needing any conventional sensor. In other words, the back electromotive force (EMF) induced by the motor coils is measured and the control algorithm responds depending on its magnitude. The CSL circuit contains mainly an analog-to-digital converter (ADC) and a driver. The ADC consists on a delta-sigma modulation which generates a series of bits with a certain percentage of 1's and 0's, proportional to the back EMF. The control algorithm, running in a FPGA, processes the bit frame and outputs a signal for the driver. This driver, which has an H bridge topology, gives the motor the ability to rotate in both directions while it's supplied with the power needed. The objective of this thesis is to document the experiments and overall work done on push ignoring contractive sensorimotor algorithms, meaning sensorimotor algorithms that ignore large magnitude forces (compared to gravity) applied in a short time interval on a pendulum system. This main objective is divided in two sub-objectives: (1) developing a system based on parameterized thresholds and (2) developing a system based on a push bypassing filter. System (1) contains a module that outputs a signal which blocks the main Sensorimotor algorithm when a push is detected. This module has several different parameters as inputs e.g. the back EMF increment to consider a force as a push or the time interval between samples. System (2) consists on a low-pass Infinite Impulse Response digital filter. It cuts any frequency considered faster than a certain push oscillation. This filter required an intensive study on how to implement some functions and data types (fixed or floating point data) not supported by standard VHDL packages. Once this was achieved, the next challenge was to simplify the solution as much as possible, without using non-official user made packages. Both systems behaved with a series of interesting advantages and disadvantages for the elaboration of the document. Stability, reaction time, simplicity or computational load are one of the many factors to be studied in the designed systems. RESUMEN. Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL es un Proyecto de Fin de Grado (PFG) que concluye mis estudios en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. En él se documenta el trabajo de investigación que realicé en el Neurorobotics Research Laboratory de la Beuth Hochschule für Technik Berlin durante el año 2015 mediante el programa de intercambio ERASMUS. Este PFG se centra en el campo de la robótica y en concreto en un circuito electrónico llamado Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) y su algoritmo de control basado en lenguaje de modelado hardware VHDL. La particularidad del CSL reside en que se consigue que un motor haga las veces tanto de sensor como de actuador. De esta manera es posible que las articulaciones de un robot alcancen una posición de equilibrio (p.ej. el robot se coloca erguido) sin la necesidad de sensores en el sentido estricto de la palabra. Es decir, se mide la propia fuerza electromotriz (FEM) inducida sobre el motor y el algoritmo responde de acuerdo a su magnitud. El circuito CSL se compone de un convertidor analógico-digital (ADC) y un driver. El ADC consiste en un modulador sigma-delta, que genera una serie de bits con un porcentaje de 1's y 0's determinado, en proporción a la magnitud de la FEM inducida. El algoritmo de control, que se ejecuta en una FPGA, procesa esta cadena de bits y genera una señal para el driver. El driver, que posee una topología en puente H, provee al motor de la potencia necesaria y le otorga la capacidad de rotar en cualquiera de las dos direcciones. El objetivo de este PFG es documentar los experimentos y en general el trabajo realizado en algoritmos Sensorimotor que puedan ignorar fuerzas de gran magnitud (en comparación con la gravedad) y aplicadas en una corta ventana de tiempo. En otras palabras, ignorar empujones conservando el comportamiento original frente a la gravedad. Para ello se han desarrollado dos sistemas: uno basado en umbrales parametrizados (1) y otro basado en un filtro de corte ajustable (2). El sistema (1) contiene un módulo que, en el caso de detectar un empujón, genera una señal que bloquea el algoritmo Sensorimotor. Este módulo recibe diferentes parámetros como el incremento necesario de la FEM para que se considere un empujón o la ventana de tiempo para que se considere la existencia de un empujón. El sistema (2) consiste en un filtro digital paso-bajo de respuesta infinita que corta cualquier variación que considere un empujón. Para crear este filtro se requirió un estudio sobre como implementar ciertas funciones y tipos de datos (coma fija o flotante) no soportados por las librerías básicas de VHDL. Tras esto, el objetivo fue simplificar al máximo la solución del problema, sin utilizar paquetes de librerías añadidos. En ambos sistemas aparecen una serie de ventajas e inconvenientes de interés para el documento. La estabilidad, el tiempo de reacción, la simplicidad o la carga computacional son algunas de las muchos factores a estudiar en los sistemas diseñados. Para concluir, también han sido documentadas algunas incorporaciones a los sistemas: una interfaz visual en VGA, un módulo que compensa el offset del ADC o la implementación de una batería de faders MIDI entre otras.

ANALISANDO A RELAÇÃO DOS VOLUMES DE EXPORTAÇÃO E DE IMPORTAÇÃO, PIB, TAXAS DE CÂMBIO E INFLAÇÃO NO PERÍODO DE 2004 A 2014.

Esta dissertação visa deslumbrar uma análise macroeconômica do Brasil, especialmente no que se refere à relação dos índices mensais dos volumes das exportações e das importações com os volumes mensais do PIB, da Taxa SELIC e as Taxas de Câmbio, conforme dados coletados no período de janeiro de 2004 a dezembro de 2014, através de pesquisa literária referente aos históricos sobre cada conceito envolvido no âmbito da macroeconomia das varáveis estudadas. Foi realizado um estudo de caso embasado em dados de sites governamentais, no período delimitado, empregando-se o método de regressão linear, com base na Teoria da correlação de Pearson, demonstrando os resultados obtidos no período do estudo para as varáveis estudadas. Desta maneira, conseguiu-se estudar e analisar como as variáveis dependentes (resposta): volume das exportações e volume das importações estão relacionadas com as varáveis independentes (explicativas): PIB, Taxa Selic e taxa de Câmbio. Os resultados apurados no presente estudo permitem identificar que existe correlação moderada e negativa, quando analisadas a Taxa Selic e a Taxa de Câmbio com os volumes das exportações e das importações, enquanto o PIB apresenta correlação forte e positiva na análise com os volumes das exportações e das importações

Minimum size limit for useful locomotion by free-swimming microbes

Formulas are derived for the effect of size on a free-swimming microbe’s ability to follow chemical, light, or temperature stimuli or to disperse in random directions. The four main assumptions are as follows: (i) the organisms can be modeled as spheres, (ii) the power available to the organism for swimming is proportional to its volume, (iii) the noise in measuring a signal limits determination of the direction of a stimulus, and (iv) the time available to determine stimulus direction or to swim a straight path is limited by rotational diffusion caused by Brownian motion. In all cases, it is found that there is a sharp size limit below which locomotion has no apparent benefit. This size limit is estimated to most probably be about 0.6 μm diameter and is relatively insensitive to assumed values of the other parameters. A review of existing descriptions of free-floating bacteria reveals that the smallest of 97 motile genera has a mean length of 0.8 μm, whereas 18 of 94 nonmotile genera are smaller. Similar calculations have led to the conclusion that a minimum size also exists for use of pheromones in mate location, although this size limit is about three orders of magnitude larger. In both cases, the application of well-established physical laws and biological generalities has demonstrated that a common feature of animal behavior is of no use to small free-swimming organisms.

Isolation and Contraction of the Stress Fiber

Stress fibers were isolated from cultured human foreskin fibroblasts and bovine endothelial cells, and their contraction was demonstrated in vitro. Cells in culture dishes were first treated with a low-ionic-strength extraction solution and then further extracted using detergents. With gentle washes by pipetting, the nucleus and the apical part of cells were removed. The material on the culture dish was scraped, and the freed material was forced through a hypodermic needle and fractionated by sucrose gradient centrifugation. Isolated, free-floating stress fibers stained brightly with fluorescently labeled phalloidin. When stained with anti-α-actinin or anti-myosin, isolated stress fibers showed banded staining patterns. By electron microscopy, they consisted of bundles of microfilaments, and electron-dense areas were associated with them in a semiperiodic manner. By negative staining, isolated stress fibers often exhibited gentle twisting of microfilament bundles. Focal adhesion–associated proteins were also detected in the isolated stress fiber by both immunocytochemical and biochemical means. In the presence of Mg-ATP, isolated stress fibers shortened, on the average, to 23% of the initial length. The maximum velocity of shortening was several micrometers per second. Polystyrene beads on shortening isolated stress fibers rotated, indicating spiral contraction of stress fibers. Myosin regulatory light chain phosphorylation was detected in contracting stress fibers, and a myosin light chain kinase inhibitor, KT5926, inhibited isolated stress fiber contraction. Our study demonstrates that stress fibers can be isolated with no apparent loss of morphological features and that they are truly contractile organelle.

cut11+: A Gene Required for Cell Cycle-dependent Spindle Pole Body Anchoring in the Nuclear Envelope and Bipolar Spindle Formation in Schizosaccharomyces pombe

The “cut” mutants of Schizosaccharomyces pombe are defective in spindle formation and/or chromosome segregation, but they proceed through the cell cycle, resulting in lethality. Analysis of temperature-sensitive alleles of cut11+ suggests that this gene is required for the formation of a functional bipolar spindle. Defective spindle structure was revealed with fluorescent probes for tubulin and DNA. Three-dimensional reconstruction of mutant spindles by serial sectioning and electron microscopy showed that the spindle pole bodies (SPBs) either failed to complete normal duplication or were free floating in the nucleoplasm. Localization of Cut11p tagged with the green fluorescent protein showed punctate nuclear envelope staining throughout the cell cycle and SPBs staining from early prophase to mid anaphase. This SPB localization correlates with the time in the cell cycle when SPBs are inserted into the nuclear envelope. Immunoelectron microscopy confirmed the localization of Cut11p to mitotic SPBs and nuclear pore complexes. Cloning and sequencing showed that cut11+ encodes a novel protein with seven putative membrane-spanning domains and homology to the Saccharomyces cerevisiae gene NDC1. These data suggest that Cut11p associates with nuclear pore complexes and mitotic SPBs as an anchor in the nuclear envelope; this role is essential for mitosis.

Selective binding of perfringolysin O derivative to cholesterol-rich membrane microdomains (rafts)

There is increasing evidence that sphingolipid- and cholesterol-rich microdomains (rafts) exist in the plasma membrane. Specific proteins assemble in these membrane domains and play a role in signal transduction and many other cellular events. Cholesterol depletion causes disassembly of the raft-associated proteins, suggesting an essential role of cholesterol in the structural maintenance and function of rafts. However, no tool has been available for the detection and monitoring of raft cholesterol in living cells. Here we show that a protease-nicked and biotinylated derivative (BCθ) of perfringolysin O (θ-toxin) binds selectively to cholesterol-rich microdomains of intact cells, the domains that fulfill the criteria of rafts. We fractionated the homogenates of nontreated and Triton X-100-treated platelets after incubation with BCθ on a sucrose gradient. BCθ was predominantly localized in the floating low-density fractions (FLDF) where cholesterol, sphingomyelin, and Src family kinases are enriched. Immunoelectron microscopy demonstrated that BCθ binds to a subpopulation of vesicles in FLDF. Depletion of 35% cholesterol from platelets with cyclodextrin, which accompanied 76% reduction in cholesterol from FLDF, almost completely abolished BCθ binding to FLDF. The staining patterns of BCθ and filipin in human epidermoid carcinoma A431 cells with and without cholesterol depletion suggest that BCθ binds to specific membrane domains on the cell surface, whereas filipin binding is indiscriminate to cell cholesterol. Furthermore, BCθ binding does not cause any damage to cell membranes, indicating that BCθ is a useful probe for the detection of membrane rafts in living cells.