Molecular mechanisms of sound amplification in the mammalian cochlea

Mammalian hearing depends on the enhanced mechanical properties of the basilar membrane within the cochlear duct. The enhancement arises through the action of outer hair cells that act like force generators within the organ of Corti. Simple considerations show that underlying mechanism of somatic motility depends on local area changes within the lateral membrane of the cell. The molecular basis for this phenomenon is a dense array of particles that are inserted into the basolateral membrane and that are capable of sensing membrane potential field. We show here that outer hair cells selectively take up fructose, at rates high enough to suggest that a sugar transporter may be part of the motor complex. The relation of these findings to a recent candidate for the molecular motor is also discussed.

Temporal fluctuations in coherence of brain waves.

As a measure of dynamical structure, short-term fluctuations of coherence between 0.3 and 100 Hz in the electroencephalogram (EEG) of humans were studied from recordings made by chronic subdural macroelectrodes 5-10 mm apart, on temporal, frontal, and parietal lobes, and from intracranial probes deep in the temporal lobe, including the hippocampus, during sleep, alert, and seizure states. The time series of coherence between adjacent sites calculated every second or less often varies widely in stability over time; sometimes it is stable for half a minute or more. Within 2-min samples, coherence commonly fluctuates by a factor up to 2-3, in all bands, within the time scale of seconds to tens of seconds. The power spectrum of the time series of these fluctuations is broad, extending to 0.02 Hz or slower, and is weighted toward the slower frequencies; little power is faster than 0.5 Hz. Some records show conspicuous swings with a preferred duration of 5-15s, either irregularly or quasirhythmically with a broad peak around 0.1 Hz. Periodicity is not statistically significant in most records. In our sampling, we have not found a consistent difference between lobes of the brain, subdural and depth electrodes, or sleeping and waking states. Seizures generally raise the mean coherence in all frequencies and may reduce the fluctuations by a ceiling effect. The coherence time series of different bands is positively correlated (0.45 overall); significant nonindependence extends for at least two octaves. Coherence fluctuations are quite local; the time series of adjacent electrodes is correlated with that of the nearest neighbor pairs (10 mm) to a coefficient averaging approximately 0.4, falling to approximately 0.2 for neighbors-but-one (20 mm) and to < 0.1 for neighbors-but-two (30 mm). The evidence indicates fine structure in time and space, a dynamic and local determination of this measure of cooperativity. Widely separated frequencies tending to fluctuate together exclude independent oscillators as the general or usual basis of the EEG, although a few rhythms are well known under special conditions. Broad-band events may be the more usual generators. Loci only a few millimeters apart can fluctuate widely in seconds, either in parallel or independently. Scalp EEG coherence cannot be predicted from subdural or deep recordings, or vice versa, and intracortical microelectrodes show still greater coherence fluctuation in space and time. Widely used computations of chaos and dimensionality made upon data from scalp or even subdural or depth electrodes, even when reproducible in successive samples, cannot be considered representative of the brain or the given structure or brain state but only of the scale or view (receptive field) of the electrodes used. Relevant to the evolution of more complex brains, which is an outstanding fact of animal evolution, we believe that measures of cooperativity are likely to be among the dynamic features by which major evolutionary grades of brains differ.

Estudo de metodologias de controle de qualidade do Mo-99 utilizado no preparo de geradores de Mo-99/Tc-99m

O 99mTc é o radionuclídeo mais utilizado em medicina nuclear. No Brasil os geradores de 99Mo/99mTc são produzidos exclusivamente pelo Centro de Radiofarmácia do IPEN-CNEN/SP, com 99Mo importado de diferentes fornecedores. O 99Mo (t1/2 = 66 h), por ser um produto de fissão do 235U, pode conter impurezas radionuclídicas prejudiciais à saúde humana. Dessa forma, para que o gerador seja utilizado de forma segura, é necessário que o 99Mo seja avaliado por ensaios de controle de qualidade e atenda à alguma especificação descrita em farmacopeia. A Farmacopeia Europeia (FE) apresenta monografia, com parâmetros (identificação, pureza radioquímica e pureza radionuclídica), métodos de análise, e limites, para avaliação da qualidade da solução de [99Mo] na forma de molibdato de sódio, que é utilizada como matéria-prima no preparo dos geradores de 99Mo/99mTc. No entanto, observa-se uma dificuldade na implementação e execução dos métodos por parte dos produtores de geradores, com pouca literatura sobre o assunto, provavelmente devido à falta de praticidade dos métodos propostos e à extensa lista de reagentes utilizados. Nesse trabalho foram avaliados vários parâmetros de qualidade do 99Mo descritos na monografia da FE. Foram estudados métodos de separação do 99Mo de suas impurezas radionuclídicas por extração em fase sólida (SPE) e por TLC. Após separação por SPE, foi proposta a quantificação de metais por ICP-OES para avaliar a porcentagem de retenção de Mo e a porcentagem de recuperação de Ru e Te e Sr em diversos tipos de cartuchos, em substituição ao uso de radiotraçadores. Observou-se que a marca de cartucho de SPE para separação do 99Mo recomendada pela FE apresentou baixa recuperação para Ru, quando comparado aos outros cartuchos de troca aniônica disponíveis no mercado. Amostras de 99Mo de diferentes fornecedores mundiais foram analisadas. Observou-se que é possível realizar a quantificação de 103Ru em amostras de 99Mo mesmo com tempos de decaimento acima de 4 semanas. Um método alternativo de separação do 99Mo do 131I por TLC apresentou resultados promissores. Não foi feita a quantificação das impurezas radionuclídicas emissoras beta e alfa. Todas as amostras analisadas apresentaram resultados dentro das especificações da FE para pureza radioquímica (>95%) e pureza radionuclídica.

Mean-value identities as an opportunity for Monte Carlo error reduction

In the Monte Carlo simulation of both lattice field theories and of models of statistical mechanics, identities verified by exact mean values, such as Schwinger-Dyson equations, Guerra relations, Callen identities, etc., provide well-known and sensitive tests of thermalization bias as well as checks of pseudo-random-number generators. We point out that they can be further exploited as control variates to reduce statistical errors. The strategy is general, very simple, and almost costless in CPU time. The method is demonstrated in the twodimensional Ising model at criticality, where the CPU gain factor lies between 2 and 4.

Aplicações híbridas entre sistemas multiagentes e técnicas de inteligência artificial para redes inteligentes de distribuição de energia elétrica

Os smart grids representam a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas de comunicação, processos distribuídos e inteligência artificial para prover novas funcionalidades quanto ao acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta estrutura modifica profundamente a maneira como se realiza o planejamento e a operação de sistemas elétricos nos dias de hoje, em especial os de distribuição, e há interessantes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca da implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem baseada no uso de sistemas multiagentes para simular esse tipo de sistema de distribuição de energia elétrica, considerando opções de controle distintas. A utilização da tecnologia de sistemas multiagentes para a simulação é baseada na conceituação de smart grids como um sistema distribuído, algo também realizado nesse trabalho. Para validar a proposta, foram simuladas três funcionalidades esperadas dessas redes elétricas: classificação de cargas não-lineares; gerenciamento de perfil de tensão; e reconfiguração topológica com a finalidade de reduzir as perdas elétricas. Todas as modelagens e desenvolvimentos destes estudos estão aqui relatados. Por fim, o trabalho se propõe a identificar os sistemas multiagentes como uma tecnologia a ser empregada tanto para a pesquisa, quanto para implementação dessas redes elétricas.

Ajuste e ensaio de sistemas de proteção de geradores síncronos.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta.

Intensificação da transferência de calor e otimização de trocadores de calor compactos tipo venezianas com geradores de vórtices tipo delta-winglets.

Esta pesquisa visa a análise da contribuição de cinco variáveis de entrada e a otimização do desempenho termo-hidráulico de trocadores de calor com venezianas combinados com geradores de vórtices delta-winglets. O desempenho termohidráulico de duas geometrias distintas, aqui nomeadas por GEO1 e GEO2, foram avaliadas. Smoothing Spline ANOVA foi usado para avaliar a contribuição dos parâmetros de entrada na transferência de calor e perda de carga. Considerando aplicação automotiva, foram investigados números de Reynolds iguais a 120 e 240, baseados no diâmetro hidráulico. Os resultados indicaram que o ângulo de venezianas é o maior contribuidor para o aumento do fator de atrito para GEO1 e GEO2, para ambos os números de Reynolds. Para o número de Reynolds menor, o parâmetro mais importante em termos de transferência de calor foi o ângulo das venezianas para ambas as geometrias. Para o número de Reynolds maior, o ângulo de ataque dos geradores de vórtices posicionados na primeira fileira é o maior contribuidor para a tranfesferência de calor, no caso da geometria GEO1, enquanto que o ângulo de ataque dos geradores de vórtices na primeira fileira foi tão importante quanto os ângulos das venezianas para a geometria GEO2. Embora as geometrias analisadas possam ser consideradas como técnicas compostas de intensificação da transferência de calor, não foram observadas interações relevantes entre ângulo de venezianas e parâmetros dos geradores de vórtices. O processo de otimização usa NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm) combinado com redes neurais artificiais. Os resultados mostraram que a adição dos geradores de vórtices em GEO1 aumentaram a transferência de calor em 21% e 23% com aumentos na perda de carga iguais a 24,66% e 36,67% para o menor e maior números de Reynolds, respectivamente. Para GEO2, a transferência de calor aumentou 13% e 15% com aumento na perda de carga de 20,33% e 23,70%, para o menor e maior número de Reynolds, respectivamente. As soluções otimizadas para o fator de Colburn mostraram que a transferência de calor atrás da primeira e da segunda fileiras de geradores de vórtices tem a mesma ordem de magnitude para ambos os números de Reynolds. Os padrões de escoamento e as características de transferência de calor das soluções otimizadas apresentaram comportamentos vi particulares, diferentemente daqueles encontrados quando as duas técnicas de intensificação de transferência de calor são aplicadas separadamente.

Estratégias de comercialização e investimento, com ênfase em energias renováveis, suportadas por modelos de otimização especializados para avaliação estocástica de risco x retorno.

A comercialização de energia elétrica de fontes renováveis, ordinariamente, constitui-se uma atividade em que as operações são estruturadas sob condições de incerteza, por exemplo, em relação ao preço \"spot\" no mercado de curto prazo e a geração de energia dos empreendimentos. Deriva desse fato a busca dos agentes pela formulação de estratégias e utilização de ferramentais para auxiliá-los em suas tomadas de decisão, visando não somente o retorno financeiro, mas também à mitigação dos riscos envolvidos. Análises de investimentos em fontes renováveis compartilham de desafios similares. Na literatura, o estudo da tomada de decisão considerada ótima sob condições de incerteza se dá por meio da aplicação de técnicas de programação estocástica, que viabiliza a modelagem de problemas com variáveis randômicas e a obtenção de soluções racionais, de interesse para o investidor. Esses modelos permitem a incorporação de métricas de risco, como por exemplo, o Conditional Value-at-Risk, a fim de se obter soluções ótimas que ponderem a expectativa de resultado financeiro e o risco associado da operação, onde a aversão ao risco do agente torna-se um condicionante fundamental. O objetivo principal da Tese - sob a ótica dos agentes geradores, consumidores e comercializadores - é: (i) desenvolver e implementar modelos de otimização em programação linear estocástica com métrica CVaR associada, customizados para cada um desses agentes; e (ii) aplicá-los na análise estratégica de operações como forma de apresentar alternativas factíveis à gestão das atividades desses agentes e contribuir com a proposição de um instrumento conceitualmente robusto e amigável ao usuário, para utilização por parte das empresas. Nesse contexto, como antes frisado, dá-se ênfase na análise do risco financeiro dessas operações por meio da aplicação do CVaR e com base na aversão ao risco do agente. Considera-se as fontes renováveis hídrica e eólica como opções de ativos de geração, de forma a estudar o efeito de complementaridade entre fontes distintas e entre sites distintos da mesma fonte, avaliando-se os rebatimentos nas operações.

An integral security kernel

As the user base of the Internet has grown tremendously, the need for secure services has increased accordingly. Most secure protocols, in digital business and other fields, use a combination of symmetric and asymmetric cryptography, random generators and hash functions in order to achieve confidentiality, integrity, and authentication. Our proposal is an integral security kernel based on a powerful mathematical scheme from which all of these cryptographic facilities can be derived. The kernel requires very little resources and has the flexibility of being able to trade off speed, memory or security; therefore, it can be efficiently implemented in a wide spectrum of platforms and applications, either software, hardware or low cost devices. Additionally, the primitives are comparable in security and speed to well known standards.

Fast pseudorandom generator based on packed matrices

Pseudorandom generators are a basic foundation of many cryptographic services and information security protocols. We propose a modification of a previously published matricial pseudorandom generator that significantly improves performance and security. The resulting generator is successfully compared to world class standards.

An optimized pseudorandom generator using packed matrices

Most cryptographic services and information security protocols require a dependable source of random data; pseudorandom generators are convenient and efficient for this application working as one of the basic foundation blocks on which to build the required security infrastructure. We propose a modification of a previously published matricial pseudorandom generator that significantly improves performance and security by using word packed matrices and modifying key scheduling and bit extraction schemes. The resulting generator is then successfully compared to world class standards.

Simultaneous synthesis of work exchange networks with heat integration

The optimal integration of work and its interaction with heat can represent large energy savings in industrial plants. This paper introduces a new optimization model for the simultaneous synthesis of work exchange networks (WENs), with heat integration for the optimal pressure recovery of process gaseous streams. The proposed approach for the WEN synthesis is analogous to the well-known problem of synthesis of heat exchanger networks (HENs). Thus, there is work exchange between high-pressure (HP) and low-pressure (LP) streams, achieved by pressure manipulation equipment running on common axes. The model allows the use of several units of single-shaft-turbine-compressor (SSTC), as well as stand-alone compressors, turbines and valves. Helper motors and generators are used to respond to any demand and excess of energy. Moreover, between the WEN stages the streams are sent to the HEN to promote thermal recovery, aiming to enhance the work integration. A multi-stage superstructure is proposed to represent the process. The WEN superstructure is optimized in a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) formulation and solved with the GAMS software, with the goal of minimizing the total annualized cost. Three examples are conducted to verify the accuracy of the proposed method. In all case studies, the heat integration between WEN stages is essential to improve the pressure recovery, and to reduce the total costs involved in the process.

Construction of Intelligent Virtual Worlds Using a Grammatical Framework

The potential of integrating multiagent systems and virtual environments has not been exploited to its whole extent. This paper proposes a model based on grammars, called Minerva, to construct complex virtual environments that integrate the features of agents. A virtual world is described as a set of dynamic and static elements. The static part is represented by a sequence of primitives and transformations and the dynamic elements by a series of agents. Agent activation and communication is achieved using events, created by the so-called event generators. The grammar defines a descriptive language with a simple syntax and a semantics, defined by functions. The semantics functions allow the scene to be displayed in a graphics device, and the description of the activities of the agents, including artificial intelligence algorithms and reactions to physical phenomena. To illustrate the use of Minerva, a practical example is presented: a simple robot simulator that considers the basic features of a typical robot. The result is a functional simple simulator. Minerva is a reusable, integral, and generic system, which can be easily scaled, adapted, and improved. The description of the virtual scene is independent from its representation and the elements that it interacts with.

A Matrix PRNG with S-Box Output Filtering

We describe a modification to a previously published pseudorandom number generator improving security while maintaining high performance. The proposed generator is based on the powers of a word-packed block upper triangular matrix and it is designed to be fast and easy to implement in software since it mainly involves bitwise operations between machine registers and, in our tests, it presents excellent security and statistical characteristics. The modifications include a new, key-derived s-box based nonlinear output filter and improved seeding and extraction mechanisms. This output filter can also be applied to other generators.

MINLP Optimization Algorithm for the Synthesis of Heat and Work Exchange Networks

This paper introduces a new optimization model for the simultaneous synthesis of heat and work exchange networks. The work integration is performed in the work exchange network (WEN), while the heat integration is carried out in the heat exchanger network (HEN). In the WEN synthesis, streams at high-pressure (HP) and low-pressure (LP) are subjected to pressure manipulation stages, via turbines and compressors running on common shafts and stand-alone equipment. The model allows the use of several units of single-shaft-turbine-compressor (SSTC), as well as helper motors and generators to respond to any shortage and/or excess of energy, respectively, in the SSTC axes. The heat integration of the streams occurs in the HEN between each WEN stage. Thus, as the inlet and outlet streams temperatures in the HEN are dependent of the WEN design, they must be considered as optimization variables. The proposed multi-stage superstructure is formulated in mixed-integer nonlinear programming (MINLP), in order to minimize the total annualized cost composed by capital and operational expenses. A case study is conducted to verify the accuracy of the proposed approach. The results indicate that the heat integration between the WEN stages is essential to enhance the work integration, and to reduce the total cost of process due the need of a smaller amount of hot and cold utilities.