Valutazione cimenatica di tre tecniche di ricostruzione di legamento crociato anteriore con sistema di navigazione intraoperatorio

In caso di una lesione del legamento crociato anteriore (ACL), l'approccio chirurgico gold standard è la tecnica di ricostruzione ACL Single-Bundle (SB). Recentemente, sono state proposte altre tecniche alternative per ridurre il rischio di lassità residua post-operatoria, come la ricostruzione del Single Bundle con aggiunta di palstica latearle (SBLP) e le procedure a doppio fascio (DB). Quarantadue pazienti sottoposti a ricostruzione ACL sono stati inclusi prospetticamente nello studio. È stata eseguita una randomizzazione per allocare i pazienti nei diversi gruppi di studio: Single-Bundle-Lateral-Plasty, Single-Bundle e Double-Bundle. Un sistema di navigazione intraoperatorio è stato utilizzato per valutare i valori di lassità. I valori di lassità pre e post-chirurgici sono stati valutati tramite i test Lachman test (AP30), Drawer test (AP90), Varus-Valgus stress test a 0° e 30° flessione del ginocchio (VV0, VV30), rotazione esterna interna (IE30, IE90), e il test del pivot shift (PS). . In tutti e tre i gruppi, i valori di lassità post-ricostruzione sono risultati statisticamente ridotti rispetto ai valori pre-ricostruzione (P < 0,05) per tutti i test analizzati. Considerando l'analisi del test del cassetto e della rotazione interna-esterna a 30 e 90 gradi di flessione del ginocchio, è stata identificata una differenza significativa tra le diverse ricostruzioni chirurgiche. La tecnica SBLP ha portato ad avere i valori di migliori rispetto alle tecniche SB (PIE90 - 0,001) e DB (PAP90 - 0.012; PIE30 - 0,021; PIE90 - 0,003). La tecnica SBLP ha ottenuto risultati significativamente migliori rispetto alle altre tecniche studiate in termini di riduzione della lassità antero-posteriore e interna-esterna a tempo zero dopo la ricostruzione del legamento crociato anteriore.

Studio delle risposte comportamentali, produttive e sanitarie di bovine in lattazione esposte a diversi regimi dietetici

L'unifeed a secco è il più diffuso nell'areale del Parmigiano Reggiano. In questa situazione, la peNDF deve essere ridotta per evitare selezione. Di conseguenza spesso presenta valori sotto la soglia minima. In più, spesso i fieni utilizzati sono di scarso valore nutritivo e si rendono necessari elevati livelli di concentrati nella razione. Tutto questo può portare alla diminuzione del tempo di ruminazione e produzione di saliva, aumentando il rischio di SARA. Dopo queste brevi premesse, due prove sono state effettuate presso la stalla sperimentale dell'università di Bologna. La prima con lo scopo di studiare il comportamento alimentare di vacche in lattazione sottoposte a regimi ad libitum/razionato con assenza/presenza di fieno lungo. La seconda si svolse con un improvviso cambio di stabulazione, dalla libera alla fissa, e quota di concentrati nell'unifeed. Da queste prove un grande mole di dati è stata registrata, grazie ai collari della ruminazione, boli reticolari e mangiatoie automatiche. I risultati ottenuti ci hanno permesso di confermare le interconnessioni tra comportamento alimentare, ruminazione e pH. Abbiamo anche verificato l'importanza di costanza di preparazione dell'unifeed e la grande capacità di adattamento delle bovine. Infatti la variabilità nelle gestione della mandria può provocare importanti sanitari. Quindi suggeriamo la supplementazione di fieno lungo in mangiatoia e lo sviluppo di tecnologia NIR in linea sul carro miscelatore. Infine sono state registrate importanti differenze individuali nel far fronte agli stati di stress alimentare. Uno studio più approfondito di questi aspetti sicuramente avrebbe risvolti positivi nella gestione della mandria e aprile la possibilità all'introduzione di nuovi indici di selezione.

Advanced Mission Synthesis Algorithms for Vibration-based Accelerated Life-testing

In the field of vibration qualification testing, with the popular Random Control mode of shakers, the specimen is excited by random vibrations typically set in the form of a Power Spectral Density (PSD). The corresponding signals are stationary and Gaussian, i.e. featuring a normal distribution. Conversely, real-life excitations are frequently non-Gaussian, exhibiting high peaks and/or burst signals and/or deterministic harmonic components. The so-called kurtosis is a parameter often used to statistically describe the occurrence and significance of high peak values in a random process. Since the similarity between test input profiles and real-life excitations is fundamental for qualification test reliability, some methods of kurtosis-control can be implemented to synthesize realistic (non-Gaussian) input signals. Durability tests are performed to check the resistance of a component to vibration-based fatigue damage. A procedure to synthesize test excitations which starts from measured data and preserves both the damage potential and the characteristics of the reference signals is desirable. The Fatigue Damage Spectrum (FDS) is generally used to quantify the fatigue damage potential associated with the excitation. The signal synthesized for accelerated durability tests (i.e. with a limited duration) must feature the same FDS as the reference vibration computed for the component’s expected lifetime. Current standard procedures are efficient in synthesizing signals in the form of a PSD, but prove inaccurate if reference data are non-Gaussian. This work presents novel algorithms for the synthesis of accelerated durability test profiles with prescribed FDS and a non-Gaussian distribution. An experimental campaign is conducted to validate the algorithms, by testing their accuracy, robustness, and practical effectiveness. Moreover, an original procedure is proposed for the estimation of the fatigue damage potential, aiming to minimize the computational time. The research is thus supposed to improve both the effectiveness and the efficiency of excitation profile synthesis for accelerated durability tests.

Employment of Real-Time/FPGA Architectures for Test and Control of Automotive Engines

Nowadays the production of increasingly complex and electrified vehicles requires the implementation of new control and monitoring systems. This reason, together with the tendency of moving rapidly from the test bench to the vehicle, leads to a landscape that requires the development of embedded hardware and software to face the application effectively and efficiently. The development of application-based software on real-time/FPGA hardware could be a good answer for these challenges: FPGA grants parallel low-level and high-speed calculation/timing, while the Real-Time processor can handle high-level calculation layers, logging and communication functions with determinism. Thanks to the software flexibility and small dimensions, these architectures can find a perfect collocation as engine RCP (Rapid Control Prototyping) units and as smart data logger/analyser, both for test bench and on vehicle application. Efforts have been done for building a base architecture with common functionalities capable of easily hosting application-specific control code. Several case studies originating in this scenario will be shown; dedicated solutions for protype applications have been developed exploiting a real-time/FPGA architecture as ECU (Engine Control Unit) and custom RCP functionalities, such as water injection and testing hydraulic brake control.

Development of 3D Cancer Cell Models to Test Metabolic Interventions as an Anticancer Strategy

In recent years, it has become evident that the role of mitochondria in the metabolic rewiring is essential for cancer development and progression. The metabolic profile during tumorigenesis has been performed mainly in traditional 2D cell models, including cell lines of various lineages and phenotypes. Although useful in many ways, their relevance can be often debatable, as they lack the interactions between different cells of the tumour microenvironment and/or interaction with the extracellular matrix 1,2. Improved models are now being developed using 3D cell culture technology, contributing with increased physiological relevance 3,4. In this work, we improved a method for the generation of 3D models from healthy and tumour colon tissue, based on organoid technology, and performed their molecular and biochemical characterization and validation. Further, in-plate cryopreservation was applied to these models, and optimal results were obtained in terms of cell viability and functionality of the cryopreserved models. We also cryopreserved colon fibroblasts with the aim to introduce them in a co-culture cryopreserved model with organoids. This technology allows the conversion of cell models into “plug and play” formats. Therefore, cryopreservation in-plate facilitates the accessibility of specialized cell models to cell-based research and application, in cases where otherwise such specialized models would be out of reach. Finally, we briefly explored the field of bioprinting, by testing a new matrix to support the growth of colon tumour organoids, which revealed promising preliminary results. To facilitate the reader, we organized this thesis into chapters, divided by the main points of work which include development, characterization and validation of the model, commercial output, and associated applications. Each chapter has a brief introduction, followed by results and discussion and a final conclusion. The thesis has also a general discussion and conclusion section in the end, which covers the main results obtained during this work.

Sviluppo di processi di comunicazione aptici tra uomo e macchina

La ricerca si focalizza sul rapporto tra tecnologie abilitanti e corpo umano. La miniaturizzazione delle tecnologie, unita alla loro maggiore diffusione negli ambienti, porta ad interrogarsi sull’efficacia dell’integrazione di esse con corpo e attività ad esso connesse. Il contesto problematico della ricerca riguarda i dispositivi indossabili e il progetto di soluzioni destinate a risolvere inediti bisogni o potenziare i sensi umani. La letteratura scientifica e i casi studio circoscrivono il piede come efficace piattaforma per la sperimentazione di interfacce aptiche di comunicazione uomo/macchina, atte a connettere il corpo con informazioni referenziate all’ambiente. Il piede, elemento motorio duplice e simmetrico, ha un’elevata qualità percettiva ed è morfologicamente adeguato all’applicazione di tecnologie emergenti. La posizione di soglia, tra spazio e corpo, consente la raccolta di stimoli da entrambe le aree. La bibliografia evidenzia quanto la pressione, rispetto alla vibrazione, sia preferibile nella comunicazione aptica in quanto componente naturale dei linguaggi relazionali del corpo. Dall’analisi multidisciplinare emerge infine l’opportunità di sviluppo del ritmo come componente strutturale dei messaggi. I legami relazionali tra ritmo, corpo e comportamenti umani sono evidenti in molteplici meccanismi: trascinamento ritmico, mimesi ritmica, sincronia. La messa in relazione di piede, pressione e ritmo diventa affordance dello spazio, capace di suggerire, enfatizzare o attivare determinati comportamenti. L’unione di questi elementi è qui definita ritmica podotattile ed esplicitata nella tesi della descrizione delle sue caratteristiche, dalla circoscrizione di campi e azioni applicative e dalla raccolta dati sui test effettuati con i prototipi costruiti. Le analisi quantitative e qualitative dei dati di lettura del movimento e delle emozioni dimostrano quanto l’utilizzo di un linguaggio ritmico aptico nel piede esprima elevate potenzialità di integrazione con il corpo nel rispetto del comfort e dell’equilibrio attentivo nei flussi di azione preesistenti. I risultati aprono riflessioni su nuove applicazioni progettuali nel campo museale, lavorativo e urbano.

Safe and Collaborative Navigation & Interaction With Mobile Manipulators in Domestic Appliance Test Labs

Safe collaboration between a robot and human operator forms a critical requirement for deploying a robotic system into a manufacturing and testing environment. In this dissertation, the safety requirement for is developed and implemented for the navigation system of the mobile manipulators. A methodology for human-robot co-existence through a 3d scene analysis is also investigated. The proposed approach exploits the advance in computing capability by relying on graphic processing units (GPU’s) for volumetric predictive human-robot contact checking. Apart from guaranteeing safety of operators, human-robot collaboration is also fundamental when cooperative activities are required, as in appliance test automation floor. To achieve this, a generalized hierarchical task controller scheme for collision avoidance is developed. This allows the robotic arm to safely approach and inspect the interior of the appliance without collision during the testing procedure. The unpredictable presence of the operators also forms dynamic obstacle that changes very fast, thereby requiring a quick reaction from the robot side. In this aspect, a GPU-accelarated distance field is computed to speed up reaction time to avoid collision between human operator and the robot. An automated appliance testing also involves robotized laundry loading and unloading during life cycle testing. This task involves Laundry detection, grasp pose estimation and manipulation in a container, inside the drum and during recovery grasping. A wrinkle and blob detection algorithms for grasp pose estimation are developed and grasp poses are calculated along the wrinkle and blobs to efficiently perform grasping task. By ranking the estimated laundry grasp poses according to a predefined cost function, the robotic arm attempt to grasp poses that are more comfortable from the robot kinematic side as well as collision free on the appliance side. This is achieved through appliance detection and full-model registration and collision free trajectory execution using online collision avoidance.

Analisi delle prestazioni di elettrolizzatori tipo PEM

Le fonti di energia rinnovabili rappresentano una forma di energia indispensabile al sostentamento dell’attuale sistema produttivo mondiale. L’energia eolica e fotovoltaica ricoprono un ruolo fondamentale nel panorama rinnovabile, e portano con se l’inevitabile svantaggio derivato dall’impossibilita di controllare la fonte primaria di energia. I sistemi di accumulo ed immagazzinamento di energia assumeranno un ruolo strategico nel prossimo scenario energetico, in particolare nell’elaborato viene posta l’attenzione sui sistemi Power-to-Gas. La tecnologia Power-to-Gas consente di produrre gas ad alta potenza specifica (idrogeno o metano sintetico), usando elettricità proveniente da fonti rinnovabili. L’elettrolisi è il metodo più efficiente per convertire energia elettrica in idrogeno. Tra le varie tecnologie, gli elettrolizzatori di tipologia PEM (Proton Exchange Membrane), sono considerati i più adatti all’accoppiamento con fonti di energia rinnovabile, per via della loro risposta alle variazioni di carico e dell’ampio campo di funzionamento. Il lavoro di tesi si concentra sull’analisi delle prestazioni di elettrolizzatori tipo PEM, ed in particolare sull’elettrolizzatore inserito all’interno del “Laboratorio di Microreti di Generazione ed Accumulo” del Tecnopolo di Ravenna. Il laboratorio ha lo scopo di studiare e testare sistemi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile e per l’accumulo. L’impianto è costituito principalmente da due pannelli fotovoltaici con il compito di produrre energia, due batterie per accumulare l’energia prodotta dai pannelli, un elettrolizzatore e tre bombole a idruri metallici per lo stoccaggio di idrogeno. Dai dati sperimentali ottenuti dalle prove in laboratorio si è ricavato un modello matematico black-box dell’elettrolizzatore. Il modello gestisce le equazioni della curva caratteristica (P;η). In seguito il modello ottenuto è stato confrontato con un caso analogo presente in letteratura.

Sintesi e proprietà fotovoltaiche di polimeri contenenti gruppi elettron donatori e accettori in catena principale

Negli ultimi anni è notevolmente aumentato l’interesse nei confronti dei materiali organici semiconduttori da utilizzare in diversi dispositivi, come, ad esempio, celle fotovoltaiche organiche (OPV). In questo campo si inseriscono i polimeri coniugati ed in particolar modo i polialchiltiofeni (PATs). In questa tesi di laurea magistrale vengono descritte sintesi di monomeri e polimeri tiofenici 3-alchil-sostituiti contenenti un'unità elettron accettrice di benzotiadiazolo. In particolar modo sono stati sintetizzati poli-4,7-bis-(3-esiltiofen-2-il)benzo [1,2,5]tiadiazolo e poli- 4,7 -bis-(3-metossiesiltiofene-2-il)benzo[1,2,5]tiadiazolo, studiando l’effetto dell’ossigeno presente in catena laterale sulle proprietà del materiale. È stata effettuata la caratterizzazione chimico fisica dei polimeri tramite analisi termiche DSC e TGA, cromatografia a permeazione su gel (GPC) e analisi UV-Vis e PL. Sono state inoltre effettuate prove di conducibilità testando i polimeri come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche SMOCs e BHJ, per valutare l’effetto dell’unità di benzotiadiazolo sul trasporto delle cariche.

Caratterizzazione sperimentale di cicli di cottura di un forno domestico ad incasso

L'obiettivo di questa tesi era caratterizzare il forno dell'Electrolux, andando a capire quali fossero i fenomeni di scambio termico presenti all'interno della cavità durante le diverse modalità di funzionamento (statico e ventilato) ed al variare del set-point. Tale obiettivo è stato raggiunto in maniera graduale: inizialmente si è caratterizzato il forno a vuoto e, successivamente, è stato utilizzato un "mattone standard" che simulasse la reale presenza del cibo. Quest'ultimo passo è stato realizzato seguendo la normativa "TM SP000003129 - EU Energy Consumption Test for Electric Ovens" relativa alla determinazione dell'indice di efficienza del forno. Mentre il primo obiettivo è stato raggiunto con successo, la determinazione dell'indice di efficienza è stata influenzata da parametri non controllabili, facendo si che i risultati ottenuti non corrispondessero a quelli dichiarati dalla casa costruttrice.

Membrane elettrofilate a base di miscele polimeriche per la modifica strutturale di compositi laminati

I compositi laminati presentano problematiche legate alla delaminazione, ovvero al distaccamento delle lamine costituenti, ed allo scarso smorzamento delle vibrazioni (damping). L’obiettivo del presente elaborato di tesi è lo sviluppo e la produzione di membrane nanofibrose prodotte mediante elettrofilatura di blend polimeriche per la modifica strutturale di compositi laminati al fine di migliorarne la proprietà di damping e la resistenza alla delaminazione. Particolare attenzione è stata posta all’ottimizzazione sia dei parametri della soluzione (principalmente concentrazione e sistema solvente) che dei parametri di processo (portata, voltaggio applicato e distanza ago-collettore). La morfologia delle nanofibre è stata osservata mediante microscopia a scansione elettronica (SEM), la quale ha confermato la presenza di nanofibre con diametro nanometrico (200-800 nm), e prive di difetti (beads). Inoltre, le membrane sono state caratterizzate termicamente (TGA e DSC) e meccanicamente (prove di trazione).

Studio del metodo di preparazione di elettrocatalizzatori 3D Ag/Cu nella riduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale

In questo lavoro di tesi sono stati preparati elettrocatalizzatori metallici 3D di argento supportato su schiume di rame a cella aperta, impiegandoli nella riduzione selettiva del 5-idrossimetilfurfurale (HMF) a 2,5-bisidrossimetilfurano (BHMF). L’utilizzo di questi supporti consente di incrementare l’area superficiale a disposizione, rispetto ai supporti 2D. La preparazione delle schiume è stata effettuata utilizzando due metodi di deposizione: spostamento galvanico ed elettrodeposizione. Lo scopo del lavoro è valutare l’influenza del metodo di deposizione sull’attività catalitica, per questo motivo le schiume bimetalliche ottenute sono state confrontate a quelle monometalliche di rame e argento. Inoltre è stato studiato l’effetto della concentrazione di HMF sulle prestazioni dei catalizzatori, con l’obiettivo finale di ottenere un sistema attivo a concentrazioni industriali. Le schiume sono state sottoposte a cicli di prove catalitiche a concentrazione di HMF crescente 0,02 M, 0,05 M e 0,10 M e caratterizzate prima e dopo la sequenza di prove con analisi SEM-EDS, XRD, spettroscopia raman. Le soluzioni sono state analizzate mediante ICP, GC-MS, ESI-MS. Con lo spostamento galvanico si ha la crescita di dendriti, formate prevalentemente sui bordi, e agglomerati di particelle nelle zone interne, mentre per elettrodeposizione si ottiene minore formazione di dendriti e particelle mediamente più piccole. La presenza di argento come fase attiva non migliora la conversione rispetto alle schiume monometalliche, ma causa un aumento di selettività ed efficienza faradica. Incrementando la concentrazione di HMF tutti i campioni presentano un aumento di conversione e un decremento di selettività ed efficienza faradica. Il catalizzatore ottenuto per spostamento galvanico, mostra prestazioni migliori a concentrazioni elevate e nelle prove di stabilità non dà segni di disattivazione, al contrario della schiuma preparata per elettrodeposizione che risulta leggermente disattivata.

Approccio spettroscopico mediante guida d'onda e analisi multivariata per la discriminazione della qualità di oli vergini di oliva

La determinazione della qualità dell’olio vergine di oliva e la definizione dell’appartenenza del prodotto ad una specifica categoria merceologica (extra vergine, vergine, lampante) può essere ottenuta mediante la valutazione organolettica effettuando il Panel test. Quest’ ultimo è attuato da un gruppo di assaggiatori esperti (panel), guidati da un capo-panel, e ha l’obiettivo di identificare e quantificare i principali attributi sensoriali (positivi e negativi) stabilendo, sulla base dei risultati, la categoria merceologica di appartenenza del prodotto. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare l’applicabilità di un metodo strumentale che, attraverso un approccio di screening rapido, possa supportare l’analisi sensoriale, fornendo una discriminazione degli oli analizzati in funzione della loro qualità (categoria merceologica). Per tale finalità, un set di 42 oli di oliva vergini provenienti dalla Spagna e dalla Croazia, classificati nelle tre categorie merceologiche sulla base del Panel test, è stato analizzato mediante guida d’onda che ha consentito di esaminare le forme d’onda, sia del guadagno che della fase, nell’intervallo di frequenza 1,6 -2,7 GHz. Dai risultati ottenuti, per diversi intervalli di frequenza gli spettri del guadagno sembrano essere influenzati dalla categoria merceologica. Inoltre, l’analisi delle componenti principali (PCA), condotta a partire da tale informazione spettrale, ha consentito, in linea generale, la discriminazione tra oli extra vergini, vergini e lampanti. Infine, la successiva Hierarchical Cluster Analysis ha permesso di identificare clusters distinti per i campioni lampanti e quelli extra vergini e vergini.

Messa a punto delle condizioni ottime di infusione di foglie di Ilex guayusa mediante disegno sperimentale Box-Behnken

Ilex guayusa, a tree native from the Amazon Rainforest, represents an important part of the culinary traditions and folk medicine of the indigenous tribes. In fact, infusions of different parts of the tree have been used as natural remedies. Particularly, the infusion obtained by the dry leaves of guayusa is a source of phenolic compounds, which are considered as antioxidant substances and have been associated with numerous benefits for human health. Currently, the growing interest of consumers towards healthy food and drinks has led to the rapid spread of this drink. However, the scientific literature about the content of polar compounds in infusion of guayusa leaves is scarce. Therefore, the aims of the present work were to enhance the extraction conditions of phenolic compounds from guayusa leaves by infusion and to characterize them via HPLC-ESI-TOF-MS. To reach these objectives, a Box-Behnken design (BBD) was applied to test the effect of different extraction conditions (time 2, 8 and 14 min), temperature (25, 62.5 and 100 °C) and solid ratio (0.25, 0.375 and 0.50 g) on the sum of phenolic content. On the one hand, the optimal conditions were 1 min infusion, 100 °C and 0.370 g of dry leaves. On the other hand, the 99% of the nine phenolic compounds identified were phenolic acids derivatives from hydroxycinnamic acid and the 1% belonged to the flavonoid family. The major compound was dicaffeoylquinic acid (68%). The difference between the results obtained and those of other researches is probably due to the stochastic nature of the vegetable matrix samples, since their chemical composition is susceptible to multiple factors. To sum up, the use of experimental design provided greater quantity of phenolic compounds than other extraction techniques such as blanching, or only to the oxidation process. Besides, the high resolution of the TOF spectrometer allowed the characterization of new isomers of the compounds previously described.

Progettazione e prototipazione di un dispositivo per ustionati pediatrici in contesti poveri di risorse

Ogni anno, circa il 95% delle morti per ustioni si verifica in contesti poveri di risorse e di queste più di un terzo sono rappresentate da bambini con meno di 4 anni. Per determinare le caratteristiche del dispositivo è stata necessaria una lunga fase preliminare alla progettazione, dove si è analizzata l’entità del problema delle ustioni e i trattamenti attualmente eseguiti. La principale causa di morte per ustioni è dovuta alle infezioni per cui la priorità è creare un ambiente pulito e disinfettato, dove il paziente può essere trattato o trasportato ad un ospedale specializzato. Successivamente a questa fase di analisi dei bisogni, si sono identificate le funzionalità del dispositivo: il controllo della temperatura e dell’umidità per contrastare l’ipotermia e l’ipermetabolismo, la ventilazione d’aria filtrata per prevenire le infezioni e il sistema di lavaggio per disinfettare le lesioni. Il dispositivo è stato progettato per bambini con statura inferiore ad un metro. Da qui si sono derivate le specifiche tecniche di progetto, su cui è stata svolta l’analisi dei rischi e progettato un sistema di mitigazione più o meno efficace per ottenere un rischio residuo accettabile. Terminata la progettazione generale, si è disegnato lo schema circuitale e si sono scelti i componenti elettronici per l’implementazione del prototipo. Il sistema deve esser fornito di sensori di temperatura, umidità, anidride carbonica, ed attuatori per regolare questi parametri, come l’elemento riscaldante, la ventola e la pompa idraulica. Per la realizzazione del prototipo si è utilizzata una schema Wemos e un sistema di comunicazione I2C. Successivamente alla costruzione della struttura e al cablaggio, si è implementato un modello in Simulink per testare i coefficienti del controllore PID per il sistema di termoregolazione. In fine, si sono eseguiti dei test per valutare il controllo della temperatura all’interno dello scompartimento del bambino, e si sono ottenuti buoni risultati.