Multimodal integration of functional and structural brain connectivity. An application to the characterization of Mild Cognitive Impairment

La investigación para el conocimiento del cerebro es una ciencia joven, su inicio se remonta a Santiago Ramón y Cajal en 1888. Desde esta fecha a nuestro tiempo la neurociencia ha avanzado mucho en el desarrollo de técnicas que permiten su estudio. Desde la neurociencia cognitiva hoy se explican muchos modelos que nos permiten acercar a nuestro entendimiento a capacidades cognitivas complejas. Aun así hablamos de una ciencia casi en pañales que tiene un lago recorrido por delante. Una de las claves del éxito en los estudios de la función cerebral ha sido convertirse en una disciplina que combina conocimientos de diversas áreas: de la física, de las matemáticas, de la estadística y de la psicología. Esta es la razón por la que a lo largo de este trabajo se entremezclan conceptos de diferentes campos con el objetivo de avanzar en el conocimiento de un tema tan complejo como el que nos ocupa: el entendimiento de la mente humana. Concretamente, esta tesis ha estado dirigida a la integración multimodal de la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética ponderada en difusión (dMRI). Estas técnicas son sensibles, respectivamente, a los campos magnéticos emitidos por las corrientes neuronales, y a la microestructura de la materia blanca cerebral. A lo largo de este trabajo hemos visto que la combinación de estas técnicas permiten descubrir sinergias estructurofuncionales en el procesamiento de la información en el cerebro sano y en el curso de patologías neurológicas. Más específicamente en este trabajo se ha estudiado la relación entre la conectividad funcional y estructural y en cómo fusionarlas. Para ello, se ha cuantificado la conectividad funcional mediante el estudio de la sincronización de fase o la correlación de amplitudes entre series temporales, de esta forma se ha conseguido un índice que mide la similitud entre grupos neuronales o regiones cerebrales. Adicionalmente, la cuantificación de la conectividad estructural a partir de imágenes de resonancia magnética ponderadas en difusión, ha permitido hallar índices de la integridad de materia blanca o de la fuerza de las conexiones estructurales entre regiones. Estas medidas fueron combinadas en los capítulos 3, 4 y 5 de este trabajo siguiendo tres aproximaciones que iban desde el nivel más bajo al más alto de integración. Finalmente se utilizó la información fusionada de MEG y dMRI para la caracterización de grupos de sujetos con deterioro cognitivo leve, la detección de esta patología resulta relevante en la identificación precoz de la enfermedad de Alzheimer. Esta tesis está dividida en seis capítulos. En el capítulos 1 se establece un contexto para la introducción de la connectómica dentro de los campos de la neuroimagen y la neurociencia. Posteriormente en este capítulo se describen los objetivos de la tesis, y los objetivos específicos de cada una de las publicaciones científicas que resultaron de este trabajo. En el capítulo 2 se describen los métodos para cada técnica que fue empleada: conectividad estructural, conectividad funcional en resting state, redes cerebrales complejas y teoría de grafos y finalmente se describe la condición de deterioro cognitivo leve y el estado actual en la búsqueda de nuevos biomarcadores diagnósticos. En los capítulos 3, 4 y 5 se han incluido los artículos científicos que fueron producidos a lo largo de esta tesis. Estos han sido incluidos en el formato de la revista en que fueron publicados, estando divididos en introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. Todos los métodos que fueron empleados en los artículos están descritos en el capítulo 2 de la tesis. Finalmente, en el capítulo 6 se concluyen los resultados generales de la tesis y se discuten de forma específica los resultados de cada artículo. ABSTRACT In this thesis I apply concepts from mathematics, physics and statistics to the neurosciences. This field benefits from the collaborative work of multidisciplinary teams where physicians, psychologists, engineers and other specialists fight for a common well: the understanding of the brain. Research on this field is still in its early years, being its birth attributed to the neuronal theory of Santiago Ramo´n y Cajal in 1888. In more than one hundred years only a very little percentage of the brain functioning has been discovered, and still much more needs to be explored. Isolated techniques aim at unraveling the system that supports our cognition, nevertheless in order to provide solid evidence in such a field multimodal techniques have arisen, with them we will be able to improve current knowledge about human cognition. Here we focus on the multimodal integration of magnetoencephalography (MEG) and diffusion weighted magnetic resonance imaging. These techniques are sensitive to the magnetic fields emitted by the neuronal currents and to the white matter microstructure, respectively. The combination of such techniques could bring up evidences about structural-functional synergies in the brain information processing and which part of this synergy fails in specific neurological pathologies. In particular, we are interested in the relationship between functional and structural connectivity, and how two integrate this information. We quantify the functional connectivity by studying the phase synchronization or the amplitude correlation between time series obtained by MEG, and so we get an index indicating similarity between neuronal entities, i.e. brain regions. In addition we quantify structural connectivity by performing diffusion tensor estimation from the diffusion weighted images, thus obtaining an indicator of the integrity of the white matter or, if preferred, the strength of the structural connections between regions. These quantifications are then combined following three different approaches, from the lowest to the highest level of integration, in chapters 3, 4 and 5. We finally apply the fused information to the characterization or prediction of mild cognitive impairment, a clinical entity which is considered as an early step in the continuum pathological process of dementia. The dissertation is divided in six chapters. In chapter 1 I introduce connectomics within the fields of neuroimaging and neuroscience. Later in this chapter we describe the objectives of this thesis, and the specific objectives of each of the scientific publications that were produced as result of this work. In chapter 2 I describe the methods for each of the techniques that were employed, namely structural connectivity, resting state functional connectivity, complex brain networks and graph theory, and finally, I describe the clinical condition of mild cognitive impairment and the current state of the art in the search for early biomarkers. In chapters 3, 4 and 5 I have included the scientific publications that were generated along this work. They have been included in in their original format and they contain introduction, materials and methods, results and discussion. All methods that were employed in these papers have been described in chapter 2. Finally, in chapter 6 I summarize all the results from this thesis, both locally for each of the scientific publications and globally for the whole work.

Control de movimientos en presas de hormigón mediante DGPS. Comparación con otros métodos de auscultación e implicaciones para la seguridad. Estudio de caso en la presa de La Aceña (Ávila)

Las normativas que regulan la seguridad de las presas en España han recogido la necesidad de conocer los desplazamientos y deformaciones de sus estructuras y cimientos. A día de hoy, son muchas las presas en explotación que no cuentan con un sistema de auscultación adecuado para controlar este tipo de variables, ya que la instalación de métodos clásicos de precisión en las mismas podría no ser viable técnicamente y, de serlo, supondría un coste económico importante y una dudosa garantía del proceso de ejecución de la obra civil correspondiente. Con el desarrollo de las nuevas tecnologías, la informática y las telecomunicaciones, han surgido nuevos sistemas de auscultación de desplazamientos. Los sistemas GPS actuales, diseñados para el control de estructuras, guiado de maquinaria, navegación y topografía, estabilidad de taludes, subsidencias, etc. permiten alcanzar precisiones centimétricas. El sistema de control de movimientos basado en la tecnología DGPS (GPS diferencial) combinada con un filtro estadístico con el que se alcanzan sensibilidades de hasta ±1 mm en el sistema, suficientes para una auscultación normal de presas según los requerimientos de la normativa actual. Esta exactitud se adapta a los desplazamientos radiales de las presas, donde son muy comunes valores de amplitudes en coronación de hasta 15 mm en las de gravedad y de hasta 45 mm en el caso de las presas bóveda o arco. La presente investigación tiene por objetivo analizar la viabilidad del sistema DGPS en el control de movimientos de presas de hormigón comparando los diferentes sistemas de auscultación y su correlación con las variables físicas y las vinculadas al propio sistema GPS diferencial. Ante la necesidad de dar respuesta a estas preguntas y de validar e incorporar a la mencionada tecnología en la ingeniería civil en España, se ha llevado a cabo un estudio de caso en La Aceña (Ávila). Esta es una de las pocas presas españolas que se está controlando con dicha tecnología y de forma simultánea con los sistemas clásicos de auscultación y algunos otros de reciente aplicación La presente investigación se ha organizado con idea de dar respuesta a varias preguntas que el explotador de presas se plantea y que no se analizan en el estado del arte de la técnica: cómo hacer la configuración espacial del sistema y cuáles son los puntos necesarios que se deben controlar, qué sistemas de comunicaciones son los más fiables, cuáles son los costes asociados, calibración del software, vida útil y mantenimientos requeridos, así como la posibilidad de telecontrolar los datos. Entre las ventajas del sistema DGPS, podemos señalar su bajo coste de implantación y posibilidad de controlarlo de forma remota, así como la exactitud y carácter absoluto de los datos. Además, está especialmente indicado para presas aisladas o mal comunicadas y para aquellas otras en las que el explotador no tiene referencia alguna de la magnitud de los desplazamientos o deformaciones propias de la presa en toda su historia. Entre los inconvenientes de cualquier sistema apoyado en las nuevas tecnologías, destaca la importancia de las telecomunicaciones ya sea en el nivel local en la propia presao desde su ubicación hasta el centro de control de la explotación. Con la experiencia alcanzada en la gestión de la seguridad de presas y sobre la base de la reciente implantación de los nuevos métodos de auscultación descritos, se ha podido analizar cada una de sus ventajas e inconvenientes. En el capítulo 5, se presenta una tabla de decisión para el explotador que servirá como punto de partida para futuras inversiones. El impacto de esta investigación se ha visto reflejado en la publicación de varios artículos en revistas indexadas y en el debate suscitado entre gestores y profesionales del sector en los congresos nacionales e internacionales en los que se han presentado resultados preliminares. All regulations on the safety of dams in Spain have collected the need to know the displacements and deformations of the structure and its foundation. Today there are many dams holding not have an adequate system of auscultation to control variables such as the installation of classical methods of precision in the same might not be technically feasible, and if so, would cost important economic and guarantee the implementation process of the dubious civil works. With the development of new technologies, computing and telecommunications, new displacements auscultation systems have emerged. Current GPS systems designed to control structures, machine guidance, navigation and topography, slope stability, subsidence, etc, allow to reach centimeter-level accuracies. The motion control system based on DGPS technology applies a statistical filter that sensitivities are achieved in the system to ± 1 mm, sufficient for normal auscultation of dams as required by current regulations. This accuracy is adapted to the radial displacement of dams, which are common values in coronation amplitudes up to 15 mm in gravity dams and up to 45 mm in arch or arc dams. This research aims to analyze the feasibility of DGPS system in controlling movements of concrete dams, comparing the different systems auscultation and its correlation with physical variables and linked to differential GPS system itself. Given the need to answer this question and to validate and incorporate this technology to civil engineering in Spain, has conducted a case study in real time at the dam La Aceña (Ávila). This dam is one of the few Spanish companies, which are controlling with this technology and simultaneously with the classic auscultation systems and some other recent application. This research has been organized with a view to responding to questions that the dam operator arises and in the state of the art technique not discussed: how to make spatial configuration of the system and what are the necessary control points what communication systems are the most reliable, what are the associated costs, calibration software, service life and maintenance requirements, possibility of monitoring, etc. Among the advantages we can point to its low cost of implementation, the possibility of remote, high accuracy and absolute nature of the data. It could also be suitable for those isolated or poorly communicated dams and those in which the operator has no reference to the magnitude of displacements or deformations own prey in its history. The disadvantages of any system based on the new technologies we highlight the importance of telecommunications, either locally or from this dam control center of the farm. With the experience gained in the management of dam safety and based on the recent introduction of new methods of auscultation described, it has been possible to analyze each of their advantages and disadvantages. A decision table for the operator, which will serve as a starting point for future investments is presented. The impact of research, has been reflected in the publication of several articles in refereed journals and discussion among managers and professionals in national and international conferences in which they participated.

Modelling relativistic solitary wave interactions in over-dense plasmas: a perturbed nonlinear Schröndinger equation framework

We investigate the dynamics of localized solutions of the relativistic cold-fluid plasma model in the small but finite amplitude limit, for slightly overcritical plasma density. Adopting a multiple scale analysis, we derive a perturbed nonlinear Schrödinger equation that describes the evolution of the envelope of circularly polarized electromagnetic field. Retaining terms up to fifth order in the small perturbation parameter, we derive a self-consistent framework for the description of the plasma response in the presence of localized electromagnetic field. The formalism is applied to standing electromagnetic soliton interactions and the results are validated by simulations of the full cold-fluid model. To lowest order, a cubic nonlinear Schrödinger equation with a focusing nonlinearity is recovered. Classical quasiparticle theory is used to obtain analytical estimates for the collision time and minimum distance of approach between solitons. For larger soliton amplitudes the inclusion of the fifth-order terms is essential for a qualitatively correct description of soliton interactions. The defocusing quintic nonlinearity leads to inelastic soliton collisions, while bound states of solitons do not persist under perturbations in the initial phase or amplitude

Dynamics of gas bubbles encapsulated by a viscoelastic fluid shell under acoustic fields

The dynamics of a gas-filled microbubble encapsulated by a viscoelastic fluid shell immersed in a Newtonian liquid and subject to an external pressure field is theoretically studied. The problem is formulated by considering a nonlinear Oldroyd type constitutive equation to model the rheological behavior of the fluid shell. Heat and mass transfer across the surface bubble have been neglected but radiation losses due to the compressibility of the surrounding liquid have been taken into account. Bubble collapse under sudden increase of the external pressure as well as nonlinear radial oscillations under ultrasound fields are investigated. The numerical results obtained show that the elasticity of the fluid coating intensifies oscillatory collapse and produces a strong increase of the amplitudes of radial oscillations which may become chaotic even for moderate driving pressure amplitudes. The role played by the elongational viscosity has also been analyzed and its influence on both, bubble collapse and radial oscillations, has been recognized. According to the theoretical predictions provided in the present work, a microbubble coated by a viscoelastic fluid shell is an oscillating system that, under acoustic driving, may experience volume oscillations of large amplitude, being, however, more stable than a free bubble. Thus, it could be expected that such a system may have a suitable behavior as an echogenic agent.

Permanent deformation estimates of dynamic equipment foundations: Application to a gas turbine in granular soils

Permanent displacements of a gas turbine founded on a fine, poorly graded, and medium density sand are studied. The amplitudes and modes of vibration are computed using Barkan´s formulation, and the “High-Cycle Accumulation” (HCA) model is employed to account for accumulated deformations due to the high number of cycles. The methodology is simple: it can be easily incorporated into standard mathematical software, and HCA model parameters can be estimated based on granulometry and index properties. Special attention is devoted to ‘transient’ situations at equipment´s start-up, during which a range of frequencies – including frequencies that could be similar to the natural frequencies of the ground – is traversed. Results show that such transient situations could be more restrictive than stationary situations corresponding to normal operation. Therefore, checking the stationary situation only might not be enough, and studying the influence of transient situations on computed permanent displacements is needed to produce a proper foundation design

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

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.

Vortex-induced vibrations on bridges : the interaction mechanism in complex sections and a new proposed semi-empirical model

El presente trabajo de investigación se ocupa del estudio de las vibraciones verticales inducidas por vórtices (VIV) en aquellos puentes que, por sus características geométricas y propiedades dinámicas, muestran cierta sensibilidad este tipo de fenómeno aeroelástico. El objeto principal es el análisis del mecanismo de interacción viento-estructura sobre secciones no fuseladas de geometría simple, con objeto de realizar una adecuada caracterización del problema y poder abordar posteriormente el análisis de otras secciones de geometría más compleja, representativas de los principales elementos estructurales de los puentes, como arcos, tableros, torres y pilas. Este aspecto es fundamental durante la fase de diseño del puente, donde deberán tenerse en cuenta también una serie de detalles que pueden influir significativamente su sensibilidad ante problemas aerodinámicos, como la morfología y dimensiones principales de la sección transversal del tablero, la disposición de barreras de seguridad y barreras cortaviento, o las riostras que unen diferentes elementos estructurales. La configuración de dos elementos en tándem o la construcción de un puente en las inmediaciones de otro existente son otros aspectos a considerar respecto a la sensibilidad frente a efectos aeroelásticos. El estudio se ha llevado a cabo principalmente mediante la implementación de simulaciones numéricas que reproducen la interacción entre la corriente de aire y secciones representativas de modelos estructurales, a partir de un código CFD basado en el método de las partículas de vórtices (VPM), siguiendo por tanto un esquema Lagrangiano. Los resultados han sido validados con datos experimentales existentes, valores procedentes de ensayos en túnel de viento y registros reales a partir de diferentes casos de estudio: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans- Tokyo Bay (1995) y Volgogrado (2010). Finalmente, se propone un modelo semi-empírico para la estimación del rango de velocidades críticas y amplitudes de oscilación basado en la utilización de las derivadas de flameo de Scanlan, y la densidad espectral de las fuerzas aerodinámicas en el dominio de la frecuencia. The present research work concerns the study of vertical vortex-induced vibrations (VIV) in bridges which show certain sensitivity to this type of aeroelastic phenomenon. It focuses on the analysis of the wind-structure interaction mechanism on bluff sections, with the objective of making a good characterisation of the problem and subsequently addressing the analysis of sections with a complex geometry, which are representative of the bridge structural elements, such as arches, decks, towers and piers. This issue is of relative importance during the bridge design phase, since minor details of the aforementioned elements can significantly influence its sensitivity to aerodynamic problems. The shape and main dimensions of the deck cross section, the addition of safety barriers and windshields, the presence of braces to enhance the structure mechanical properties, the utilisation of cross sections in tandem arrangement, or the erection of a new bridge in the vicinity of another existing one are some of the aspects to be considered regarding the sensitivity to the aeroelastic effects. The study has been carried out mainly through the implementation of numerical simulations that reproduces the interaction between the airflow and the representative cross section of a structural bridge model, by the use of a CFD code based on the vortex particle method (VPM), thus following a Lagrangian scheme. The results have been validated with existing experimental data, values from wind tunnel tests and full scale observations from the different case studies: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans-Tokyo Bay (1995) and Volgograd (2010). Finally, a new semi-empirical model is proposed for the estimation of the critical wind velocity ranges and oscillation amplitudes based on the use of the Scanlan’s flutter derivatives and the power spectral density of aerodynamic force time history in the frequency domain.

Joule heating in ferromagnetic nanostripes with a notch

The temperature in a ferromagnetic nanostripe with a notch subject to Joule heating has been studied in detail. We first performed an experimental real-time calibration of the temperature versus time as a 100 ns current pulse was injected into a Permalloy nanostripe. This calibration was repeated for different pulse amplitudes and stripe dimensions and the set of experimental curves were fitted with a computer simulation using the Fourier thermal conduction equation. The best fit of these experimental curves was obtained by including the temperature-dependent behavior of the electrical resistivity of the Permalloy and of the thermal conductivity of thesubstrate(SiO2). Notably, a nonzero interface thermal resistance between the metallic nanostripe and thesubstrate was also necessary to fit the experimental curves. We found this parameter pivotal to understand ourresults and the results from previous works. The higher current density in the notch, together with the interface thermal resistance, allows a considerable increase of the temperature in the notch, creating a large horizontal thermal gradient. This gradient, together with the high temperature in the notch and the larger current density close to the edges of the notch, can be very influential in experiments studying the current assisted domain wall motion.

Alanine is helix-stabilizing in both template-nucleated and standard peptide helices

Alanine-based peptides of defined sequence and length show measurable helix contents, allowing them to be used as a model system both for analyzing the mechanism of helix formation and for investigating the contributions of side-chain interactions to protein stability. Extensive characterization of many peptide sequences with varying amino acid contents indicates that the favorable helicity of alanine-based peptides can be attributed to the large helix-stabilizing propensity of alanine. Based on their analysis of alanine-rich sequences N-terminally linked to a synthetic helix-inducing template, Kemp and coworkers [Kemp, D. S., Boyd, J. G. & Muendel, C. C. (1991) Nature (London) 352, 451–454; Kemp, D. S., Oslick, S. L. & Allen, T. J. (1996) J. Am. Chem. Soc. 118, 4249–4255] argue that alanine is helix-indifferent, however, and that the favorable helix contents of alanine-based peptides must have some other explanation. Here, we show that the helix contents of template-nucleated sequences are influenced strongly by properties of the template–helix junction. A model in which the helix propensities of residues at the template–peptide junction are treated separately brings the results from alanine-based peptides and template-nucleated helices into agreement. The resulting model provides a physically plausible resolution of the discrepancies between the two systems and allows the helix contents of both template-nucleated and standard peptide helices to be predicted by using a single set of helix propensities. Helix formation in both standard peptides and template–peptide conjugates can be attributed to the large intrinsic helix-forming tendency of alanine.

Nucleus reticularis neurons mediate diverse inhibitory effects in thalamus

Detailed information regarding the contribution of individual γ-aminobutyric acid (GABA)-containing inhibitory neurons to the overall synaptic activity of single postsynaptic cells is essential to our understanding of fundamental elements of synaptic integration and operation of neuronal circuits. For example, GABA-containing cells in the thalamic reticular nucleus (nRt) provide major inhibitory innervation of thalamic relay nuclei that is critical to thalamocortical rhythm generation. To investigate the contribution of individual nRt neurons to the strength of this internuclear inhibition, we obtained whole-cell recordings of unitary inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) evoked in ventrobasal thalamocortical (VB) neurons by stimulation of single nRt cells in rat thalamic slices, in conjunction with intracellular biocytin labeling. Two types of monosynaptic IPSCs could be distinguished. “Weak” inhibitory connections were characterized by a significant number of postsynaptic failures in response to presynaptic nRt action potentials and relatively small IPSCs. In contrast, “strong” inhibition was characterized by the absence of postsynaptic failures and significantly larger unitary IPSCs. By using miniature IPSC amplitudes to infer quantal size, we estimated that unitary IPSCs associated with weak inhibition resulted from activation of 1–3 release sites, whereas stronger inhibition would require simultaneous activation of 5–70 release sites. The inhibitory strengths were positively correlated with the density of axonal swellings of the presynaptic nRt neurons, an indicator that characterizes different nRt axonal arborization patterns. These results demonstrate that there is a heterogeneity of inhibitory interactions between nRt and VB neurons, and that variations in gross morphological features of axonal arbors in the central nervous system can be associated with significant differences in postsynaptic response characteristics.

A human intermediate conductance calcium-activated potassium channel

An intermediate conductance calcium-activated potassium channel, hIK1, was cloned from human pancreas. The predicted amino acid sequence is related to, but distinct from, the small conductance calcium-activated potassium channel subfamily, which is ≈50% conserved. hIK1 mRNA was detected in peripheral tissues but not in brain. Expression of hIK1 in Xenopus oocytes gave rise to inwardly rectifying potassium currents, which were activated by submicromolar concentrations of intracellular calcium (K0.5 = 0.3 μM). Although the K0.5 for calcium was similar to that of small conductance calcium-activated potassium channels, the slope factor derived from the Hill equation was significantly reduced (1.7 vs. 3.5). Single-channel current amplitudes reflected the macroscopic inward rectification and revealed a conductance level of 39 pS in the inward direction. hIK1 currents were reversibly blocked by charybdotoxin (Ki = 2.5 nM) and clotrimazole (Ki = 24.8 nM) but were minimally affected by apamin (100 nM), iberiotoxin (50 nM), or ketoconazole (10 μM). These biophysical and pharmacological properties are consistent with native intermediate conductance calcium-activated potassium channels, including the erythrocyte Gardos channel.

Active hair-bundle movements can amplify a hair cell’s response to oscillatory mechanical stimuli

To enhance their mechanical sensitivity and frequency selectivity, hair cells amplify the mechanical stimuli to which they respond. Although cell-body contractions of outer hair cells are thought to mediate the active process in the mammalian cochlea, vertebrates without outer hair cells display highly sensitive, sharply tuned hearing and spontaneous otoacoustic emissions. In these animals the amplifier must reside elsewhere. We report physiological evidence that amplification can stem from active movement of the hair bundle, the hair cell’s mechanosensitive organelle. We performed experiments on hair cells from the sacculus of the bullfrog. Using a two-compartment recording chamber that permits exposure of the hair cell’s apical and basolateral surfaces to different solutions, we examined active hair-bundle motion in circumstances similar to those in vivo. When the apical surface was bathed in artificial endolymph, many hair bundles exhibited spontaneous oscillations of amplitudes as great as 50 nm and frequencies in the range 5 to 40 Hz. We stimulated hair bundles with a flexible glass probe and recorded their mechanical responses with a photometric system. When the stimulus frequency lay within a band enclosing a hair cell’s frequency of spontaneous oscillation, mechanical stimuli as small as ±5 nm entrained the hair-bundle oscillations. For small stimuli, the bundle movement was larger than the stimulus. Because the energy dissipated by viscous drag exceeded the work provided by the stimulus probe, the hair bundles powered their motion and therefore amplified it.

Two-dimensional infrared spectroscopy of peptides by phase-controlled femtosecond vibrational photon echoes

Two-dimensional infrared spectra of peptides are introduced that are the direct analogues of two- and three-pulse multiple quantum NMR. Phase matching and heterodyning are used to isolate the phase and amplitudes of the electric fields of vibrational photon echoes as a function of multiple pulse delays. Structural information is made available on the time scale of a few picoseconds. Line narrowed spectra of acyl-proline-NH2 and cross peaks implying the coupling between its amide-I modes are obtained, as are the phases of the various contributions to the signals. Solvent-sensitive structural differences are seen for the dipeptide. The methods show great promise to measure structure changes in biology on a wide range of time scales.