Design and analysis of a lattice unit cell inspired by sea urchin structure

LAUREA MAGISTRALELe strutture reticolari o materiali cellulari hanno acquisito notevole attenzione nell’ambito ingegneristico, soprattutto per affrontare sfide quotidiane e complesse nei vari settori industriali. Queste strutture hanno geometrie intricate che forniscono proprietà meccaniche garantendo allo stesso tempo leggerezza. I recenti progressi nei processi di fabbricazione additiva hanno permesso di soddisfare adeguatamente le esigenze del mercato, consentendo la realizzazione di strutture geometricamente complesse. L'ampia gamma di strutture reticolari consente di identificare diversi tipi di materiali cellulari. Le strutture reticolari sono molto diffuse soprattutto nel mondo biologico, in particolare negli scheletri degli animali che spesso devono rispondere a requisiti di leggerezza ma anche robustezza. Tra le differenti strategie morfologiche di adattamento utilizzate in natura quella della teca del riccio di mare in particolare garantisce una grande resistenza comparata al suo peso. L'obiettivo di questa tesi è quella di progettare una cella reticolare ispirata alla struttura del riccio di mare. Il suo particolare modello biologico conferisce proprietà meccaniche uniche, utilizzate negli approcci biomimetici. Questa analisi si concentra sul tubercolo, sulla sua porosità e sulla distribuzione delle sollecitazioni meccaniche. Inoltre, per estrarre i principi chiave della progettazione, sono state esaminate le caratteristiche strutturali delle piastre e la composizione interna del tubercolo. Il processo di progettazione ha comportato lo studio di possibili configurazioni di celle unitarie ispirate alle proprietà geometriche e meccaniche del riccio di mare. Successivamente, le piastre di riccio sono state sottoposte a test di compressione per valutarne la capacità di carico, i meccanismi di rottura e il modulo elastico. Questi risultati hanno fornito la base per sviluppare un'analisi dettagliata del comportamento delle geometrie dei tubercoli interni. In particolare, i diversi tipi di piastre sono caratterizzati da geometrie diverse e da un diverso modulo elastico. Il progetto finale della cella unitaria utilizza diverse strategie di adattamento del riccio di mare, come la differenza di porosità, la distribuzione di forze localizzate migliorando le proprietà meccaniche della struttura. Questo studio propone una nuova struttura reticolare per potenziali applicazioni in dispositivi di protezione, come i crash pad, combinando materiali leggeri e ad alte prestazioni per migliorare l'assorbimento degli urti. Lo studio della struttura del riccio di mare apre la possibilità di molti studi biomimetici legati alle innovazioni nei materiali cellulari bioispirati.Lattice structures or cellular materials have gained significant attention in engineering research for addressing both daily and complex challenges in various industries. These structures provide adaptable mechanical properties to lightweight objects with intricate geometries. The recent advancements in additive manufacturing technologies have made it possible to respond to market needs, enabling the fabrication of geometrically complex structures. The wide range of lattice structures enables the identification of different types of cellular materials. Lattice structures are especially prevalent in the biological world, particularly in animal skeletons that often have to meet requirements for lightness but also robustness. This thesis’ aim is to analyze sea urchin skeletal structure to use it as an inspiration to design a lattice unit cell. Its particular biological model confers unique mechanical properties, already exploited in biomimetic approaches. This analysis focuses on the tubercle, its porosity and the distribution of mechanical stresses. Additionally, to extract key design principles, structural characteristics of the plates and skeletal trabeculae geometries were examined. The design process involved sketching possible unit cell configurations inspired by the sea urchin's geometric and mechanical properties. Then, the sea urchin plates were tested under compression to evaluate their load capacity, failure mechanisms, and elastic modulus. These results provided the basis for developing a detailed analysis of the behavior of internal tubercle geometries. In particular in different types of plates were characterized by different geometries and different elastic modulus. The final design of the unit cell incorporates tunnels with different orientation geometries, localized stress distribution, functional porosity, and configurations that emulate sea urchin adaptation strategies improving the mechanical properties of the structure. This study conclusion proposes the lattice structure for potential applications in protective devices, such as crash pads, combining the lightweight and high-performance materials to improve shock absorption. The study of the sea urchin's skeletal structure opens up the possibility for many biomimetic studies related to innovations in bioinspired cellular materials

A combinatorial bandit algorithm for supply-side platform curation in advertising

LAUREA MAGISTRALENel 2023, la pubblicità su Internet ha raggiunto ricavi per 225 miliardi di dollari, con un aumento del 7,3% rispetto all'anno precedente, secondo l'Interactive Advertising Bureau (IAB). Gran parte di questi ricavi proviene dalla pubblicità programmatic, in cui avviene il Real-Time Bidding (RTB): gli inserzionisti acquistano spazi pubblicitari sui siti o sulle app degli editori partecipando ad aste in competizione con altri attraverso le Demand-Side Platforms (DSP). Recentemente è emersa la curation lato sell-side, un servizio fornito dalle Sell-Side Platforms (SSP) che consente alle agenzie pubblicitarie di creare un pacchetto, chiamato anche deal, per gli inserzionisti. Questo pacchetto comprende un elenco di siti o app e altre caratteristiche, come la posizione geografica o il formato dell'annuncio, in base alle quali i clienti possono acquistare spazi pubblicitari. Si tratta di un metodo per limitare le aste a cui gli inserzionisti parteciperanno nelle DSP. In questo modo, gli inserzionisti hanno un maggiore controllo su dove appariranno i loro annunci, potendo escludere tutti i siti web di bassa qualità e pubblicizzare solo su editori affidabili che non danneggino la loro reputazione. Questi elenchi possono comprendere decine di migliaia di siti che i curator devono monitorare quotidianamente per soddisfare i requisiti degli inserzionisti in termini di prestazioni, come un CTR minimo ottenuto dal deal. In questa tesi, forniamo una soluzione al problema combinatorio online vincolato che i curator affrontano, utilizzando Multi-Armed Bandits combinatori con un Knapsack Solver, il cui obiettivo è massimizzare il numero totale di clic, rispettando un vincolo di soglia minima di CTR. Abbiamo testato le nostre soluzioni su dati simulati generati tramite un simulatore di aste pubblicitarie, Amazon AuctionGym, e su una campagna pubblicitaria reale. Abbiamo implementato il nostro approccio per essere utilizzato in una piattaforma SaaS e rilasciato in un ambiente reale.2023 Internet advertising reached revenues for $225 billion, an increase of 7.3% year-over-year between 2022 and 2023, according to the Interactive Advertising Bureau (IAB). Much of the revenues comes from programmatic advertising, where real-time bidding (RTB) occurs, in which advertisers buy ad spaces on publishers' sites or apps by participating in auctions in competition with others through Demand-Side Platforms (DSP). Recently, sell-side curation emerged. It is a service provided by Sell-Side Platforms (SSP) that lets advertising agencies create a package, also called a deal, for advertisers. The package comprises a list of sites or apps and other characteristics, such as the location or the ad format, according to which the clients can buy advertising space. It is a way to limit the auctions in which advertisers will participate in the DSPs. So, advertisers have more control over where their advertisements will appear, being able to exclude all low-quality websites and advertise only on reliable publishers that do not spoil their reputation. These lists can comprise tens of thousands of sites that curators must monitor daily to meet the advertiser's requirements in terms of performance, such as a minimum CTR obtained by the deal. In this thesis, we provide a solution to the online combinatorial constraint problem curators face by employing combinatorial Multi-Armed Bandits with a Knapsack Solver that has as an objective function the maximization of the overall number of clicks and, as a constraint, a minimum CTR threshold. We tested our solutions on simulated data generated using an advertising auction simulator, Amazon AuctionGym, and on a real advertising campaign. We implemented our approach to be used in a SaaS platform and released in a real environment

Enhancing quality and durability of bamboo-based shelter in humanitarian contexts: a shelter repair program in Myanmar

LAUREA MAGISTRALENel 2024 sono oltre 300 milioni le persone che necessitano assistenza umanitaria, costituendo un problema urgente e allarmante a livello mondiale. Conflitti, emergenze climatiche e instabilità politiche ed economiche, portano un numero crescente di persone a vivere in condizioni abitative inadeguate. Per supplire a queste necessità, ONG e organizzazioni internazionali, si impegnano in progetti di costruzione e riparazione di rifugi coinvolgendo le realtà locali. Durante questi interventi, a causa del tempo limitato e dell’imminenza dei bisogni, spesso i materiali vengono impiegati in modo improprio, specialmente quelli di origine naturale. Passaggi fondamentali per garantirne la durabilità, quali trattamenti e controlli di qualità, vengono tralasciati, privilegiando la velocità a scapito della qualità. È il caso del bambù che, se non adeguatamente gestito, essendo naturalmente incline a marcire e vulnerabile agli attacchi di insetti e muffe, vede drasticamente ridotta la propria vita utile. Questa tesi analizza un progetto di riparazione di rifugi in bambù di un’ONG operante in Myanmar, proponendo strategie per incrementarne la durabilità degli edifici, attraverso un impiego più consapevole e appropriato del materiale. Il lavoro esamina le possibili modalità di intervento nel settore umanitario, l’uso del bambù in edilizia e il contesto del caso studio, ponendo le basi per le proposte di miglioramento. Viene quindi fornito un quadro dettagliato del programma, individuandone limitazioni, problemi e possibili aree di sviluppo. Dalla piantumazione all’impiego nel progetto, vengono analizzate tutte le fasi riguardanti il bambù, valutando gli approcci più indicati volti a massimizzare la durabilità e la complessiva efficacia del programma . Il lavoro non si limita a proporre soluzioni univoche, ma esplora anche opzioni alternative per sostenere un processo decisionale più informato. Questa tesi risulta utile non solo per l’ONG, che potrà così individuare ulteriori criticità, ma anche per altri ricercatori, i quali potrebbero concentrarsi sulle lacune emerse, come la mancanza di dati affidabili nel settore umanitario o la scarsa qualità di parte di quelli riguardanti il bambù.With an estimated 300 million individuals requiring assistance in 2024, humanitarian needs are an urgent and warring problem worldwide. Conflicts, climate emergencies, and political and economic instability are forcing more people into inadequate housing, increasing the demand for shelter reconstruction and repair, mostly handled by NGOs and international agencies involving local populations and authorities. Due to time constraints and urgent needs, the materials, especially the natural ones, are often misused. Important steps to guarantee durability, like treatments, quality controls, and detailed designs, are avoided, prioritizing speed over quality. This is the case of bamboo, which, if not properly handled, naturally vulnerable to rot and insect attack, drastically reduces its service life. Starting from the analysis of the bamboo-based shelter repair project of an NGO operating in Myanmar, the present thesis provides recommendations to increase the shelter's durability by exploring the potentiality of a more conscious and appropriate utilization of bamboo. The work reviews humanitarian shelter modalities, bamboo in construction, and the case study context. This settles the base for the proposed improvements, underlining different challenges and constraints. A detailed summary of the current program is then provided, identifying limitations, problems, and areas of improvement. To cover those gaps, evidence-based actions to maximise bamboo-based shelter durability and overall program effectiveness are illustrated. In particular, all phases, from bamboo plantation to its implementation in the project, are analyzed, comparing the efficiency of the most suitable approaches for the case study. The work not only proposes the most relevant and appropriate solutions but also explores alternative options to support informed decision-making. This thesis is useful not only for the NGO, which can identify other criticalities in the program, but also for other researchers that could work on several identified gaps, such as the absence of reliable and shared data and knowledge in the humanitarian sector or the poor quality of some documentation regarding bamboo design

Ex-Lanificio Marzotto - un progetto di riuso adattivo per l'ex-area industriale di Manerbio

LAUREA MAGISTRALELa proposta di progetto presentata prevede la riqualificazione urbana dell’ex area industriale nel comune di Manerbio, occupata dall’ex Lanificio Marzotto. L’impianto industriale, realizzato nei primi del Novecento, si estende su un’area di 100.000 metri quadri nella parte nord del comune, a ridosso del centro urbano, e ad oggi si presenta come un relitto industriale abbandonato, un vuoto nel tessuto urbano. L’intento del progetto di tesi è proporre un possibile futuro scenario per la riqualificazione urbana dell’area, tramite la ridefinizione dei tracciati stradali e degli spazi pubblici, il riuso adattivo degli edifici dello stabilimento e la costruzione di nuovi volumi. Poiché le parti pubbliche ancora attive dell’intervento originale rappresentano alcune delle opere architettoniche di maggior qualità nel territorio limitrofo, l’obiettivo della tesi non è solo rigenerare un’area dismessa, ma anche rivitalizzare delle architetture fortemente rappresentative, nel rispetto della memoria storica che custodiscono. Nella proposta di progetto è prevista l’organizzazione di quattro fasce urbane: sportiva, culturale, una fascia verde e residenziale. Le fasce sono scandite dall’impostazione di un decumano, su cui si affacceranno gli edifici di carattere pubblico, tracciato a partire dal vecchio ingresso dello stabilimento, e di un cardo, in precedenza corridoio principale della fabbrica, che connetterà direttamente la parte pubblica, la parte residenziale e il limite tra centro e periferia. I vecchi edifici dello stabilimento, di cui verranno mantenute sia la struttura che l’involucro esterno, ospiteranno le nuove funzioni pubbliche: una piscina, un palazzetto dello sport, un edificio per la cura della persona, una biblioteca e una sala civica. Sotto le strutture a shed dello stabilimento andranno a inserirsi le residenze e i nuovi giardini pubblici, con l’aspirazione di ridare vita alla memoria storica di carattere industriale dell’area. Questi spazi non vogliono porsi come semplici luoghi di uso pubblico, ma diventare ambienti evocativi, capaci di raccontare un progetto di architettura che, al tempo della sua realizzazione, rappresentò un’opportunità per Manerbio e per la sua comunità.The project proposal presented envisages the urban redevelopment of the former industrial area in the municipality of Manerbio, occupied by the former Marzotto Woolen Mill. The industrial plant, built in the early 20th century, covers an area of 100,000 square metres in the northern part of the municipality, close to the town centre, and today is an abandoned industrial relict, a void in the urban fabric. The intent of the thesis project is to propose a possible future scenario for the urban redevelopment of the area, through the redefinition of the street layouts and public spaces, the adaptive reuse of the factory buildings and the construction of new volumes. Since the still active public parts of the original intervention represent some of the highest quality architectural works in the neighbouring area, the aim of the thesis is not only to regenerate a disused area, but also to revitalise strongly representative architectures, respecting the historical memory they preserve.In the project proposal the organisation of four urban bands is envisaged: sports, cultural, a green and residential band. The bands are marked by the layout of a decumanus, on which the public buildings will face, traced from the old factory entrance, and a cardo, formerly the factory’s main corridor, which will directly connect the public part, the residential part and the boundary between the centre and the suburbs. The old factory buildings, whose structure and external shell will be maintained, will house the new public functions: a swimming pool, a sports hall, a personal care building, a library and a civic hall. Underneath the shed structures of the factory will be the residences and the new public gardens, with the aspiration of reviving the area’s historical memory of an industrial character. These spaces are not intended to be mere places of public use, but to become evocative environments, capable of narrating an architectural project that, at the time of its realisation, represented an opportunity for Manerbio and its community

The digital hospital: a methodological study on the integration of digital innovation in healthcare infrastructure and its impact on efficiency and user experience

LAUREA MAGISTRALEIl settore ospedaliero sta affrontando una trasformazione radicale guidata dall’innovazione digitale, dall’evoluzione dei modelli di assistenza sanitaria e dall’esigenza di strutture più orientate al benessere degli utenti. In questo scenario, la ricerca esplora il rapporto tra architettura e digitalizzazione, analizzando come le strutture ospedaliere possano evolversi per rispondere alle sfide imposte dal progresso tecnologico e dalle nuove esigenze della società. In particolare, lo studio analizza l’impatto della digitalizzazione sulla configurazione spaziale degli ospedali, valutandone gli effetti sull’efficienza operativa e sull’esperienza di pazienti e personale medico, evidenziando la necessità di ripensare gli spazi attraverso soluzioni architettoniche innovative che bilancino tecnologia e centralità dell’utente. La prima parte dello studio fornisce un background teorico sull’hospital design, seguito da un’analisi sistematica della letteratura e dallo studio delle best practices internazionali. A partire da queste analisi, vengono definiti criteri e indicatori di performance (KPI) per supportare la progettazione del digital hospital. I risultati evidenziano come l’adozione di soluzioni innovative – quali command centre, spazi per la telemedicina, spazi interattivi, digital twin, sistemi di wayfinding digitale, veicoli a guida autonoma (AGVs) e accessibilità wireless – possa ottimizzare il flusso di lavoro ospedaliero, migliorare l’efficienza gestionale e garantire ambienti più sicuri e funzionali, contribuendo al contempo a ottimizzare i processi operativi e permettendo allo staff sanitario di focalizzarsi sulla cura del paziente. Tuttavia, emergono sfide significative, legate sia all’adattamento delle infrastrutture esistenti sia alla necessità di un cambiamento culturale nel contesto ospedaliero. L’ultima parte della ricerca è dedicata all’applicazione pratica delle conoscenze acquisite attraverso un’indagine condotta su un campione di ospedali italiani. Attraverso un questionario strutturato, sono stati analizzati due aspetti fondamentali: da un lato, la configurazione fisica delle strutture sanitarie per individuare eventuali elementi mancanti o inadeguati a supportare l’evoluzione digitale; dall’altro, il livello di digitalizzazione, valutando gli strumenti tecnologici già implementati e il loro grado di integrazione nei processi ospedalieri. La ricerca fornisce un quadro di riferimento per progettisti, amministratori sanitari e policy maker, delineando strategie e strumenti per la realizzazione di ospedali resilienti, tecnologicamente avanzati e orientati al benessere degli utenti.The hospital sector is undergoing a radical transformation driven by digital innovation, the evolution of healthcare models, and the need for user-centered facilities that prioritize well-being. In this context, the research explores the relationship between architecture and digitalization, analyzing how hospital infrastructures can evolve to meet the challenges posed by technological advancements and the changing demands of society. Specifically, the study examines the impact of digitalization on the spatial configuration of hospitals, assessing its effects on operational efficiency and the experience of both patients and healthcare professionals, while highlighting the need to rethink hospital spaces through innovative architectural solutions that balance technological advancement and user-centered design.The first part of the study provides a theoretical background on hospital design, followed by a systematic literature review and an analysis of international best practices. Based on these insights, key performance indicators (KPIs) and criteria are defined to support the design of digital hospitals. The findings highlight how the adoption of innovative solutions—such as command centres, telemedicine spaces, digital twins, digital wayfinding systems, interactive spaces, autonomous guided vehicles (AGVs) and wireless accessibility—can optimize hospital workflow, enhance management efficiency, and create safer and more functional environments. At the same time, these technologies contribute to streamlining operational processes, allowing healthcare staff to focus on patient care. However, significant challenges remain, particularly concerning the adaptation of existing infrastructures and the need for a cultural shift within hospital environments. The final part of the research focuses on the practical application of the acquired knowledge through an investigation conducted on a sample of Italian hospitals. A structured questionnaire was used to analyze two key aspects: first, the physical configuration of healthcare facilities to identify missing or inadequate elements that may hinder digital transformation; second, the level of digitalization, assessing the technological tools already implemented and their degree of integration within hospital processes. This research provides a reference framework for designers, healthcare administrators, and policymakers, outlining strategies and tools for the development of resilient, technologically advanced hospitals designed to enhance user well-being

Mathematical models and methods for the processing of earth observation data in agricultural applications

DOTTORATOIl settore agricolo sta vivendo rapidi progressi dovuti all’emergere del nuovo paradigma dell’Agricoltura 4.0, che si basa su pratiche agricole sostenibili ed efficienti. Questo paradigma sfrutta tecnologie emergenti come il telerilevamento, l’analisi dei big data e l’intelligenza artificiale. In questo contesto, le principali sfide riguardano la disponibilità, la gestione e l’interpretabilità dei dati satellitari, i quali sono risorse essenziali per agri- coltori e stakeholder nell’ottica di prendere decisioni informate in ambito agricolo. Questa tesi affronta tali problematiche focalizzandosi su tre aspetti principali. i) L’impossibilità d’uso dei dati ottici se acquisiti in presenza di condizioni meteorologiche avverse. ii) L’elevato carico legato alla memorizzazione ed elaborazione di grandi volumi di dati di Osservazione della Terra. iii) Metodi di classificazione avanzati per un’analisi ottimale della copertura del suolo. La prima parte del progetto esamina l’uso dei dati Radar ad Apertura Sintetica (SAR) come surrogato in assenza di immagini ottiche, colmando un’importante lacuna nel monitoraggio continuo delle colture, in particolare nel contesto della fertilizzazione azotata. Infatti, molti algoritmi di fertilizzazione si basano su dati satellitari ottici, i quali, se acquisiti in presenza di condizioni meteorologiche sfavorevoli, non garantiscono, quando necessario, la possibilità di calcolare ed attuare applicazioni azotate a rateo variabile. Per affrontare questo problema, prendiamo in considerazione un semplice algoritmo di fertilizzazione basato su dati ottici e proponiamo una tecnica di data fusion, integrando dati SAR e ottici, per calcolare mappe di prescrizione azotata, anche in assenza di dati ottici, durante le principali fasi fenologiche a ridosso delle appli- cazioni di fertilizzante azotato. L’approccio proposto consiste nei seguenti passaggi: i) a partire da dati ottici e SAR, addestrare una rete neurale convoluzionale di tipo U-Net per apprendere la relazione tra i coefficienti SAR di backscattering e l’Indice di Vegetazione Normalizzato (NDVI); ii) utilizzare il modello addestrato per stimare l’informazione ot- tica del NDVI (quando non disponibile) a partire dai dati SAR; iii) calcolare le mappe di prescrizione azotata applicando l’algoritmo di fertilizzazione in questione all’NDVI derivato dai dati SAR. La seconda parte del progetto si concentra sulla rappresentazione efficace, la compressione e la memorizzazione dei dati ottici multibanda, che rappresen- tano la principale risorsa all’interno del paradigma dell’Agricoltura 4.0. A tal proposito, è stato implementato un innovativo metodo di compressione per i dati ottici multibanda, caratterizzato da un elevato tasso di compressione. Esso si articola in tre fasi. La prima fase prevede una procedura a due stadi: i) l’utilizzo dell’Analisi delle Componenti Princi- pali (PCA) lungo la dimensione dei canali del dato ottico per rappresentare efficacemente l’informazioni spettrale ad esso associata tramite una collezione di un numero ridotto di immagini di base, corrispondenti alle componenti principali; ii) l’adozione di tecniche di adattazione anisotropa di griglia per rappresentare efficacemente l’informazione spaziale associata alle immagini di base. La risultante rappresentazione PCA-TriangolareAdattiva (PCA-AT) di un dato ottico consiste in una tassellazione triangolare, non strutturata, adattiva del dominio dell’immagine e in una collezione di funzioni agli Elementi Finiti (EF) continue, lineari definite su tale mesh, che approssimano le immagini di base. La seconda fase riguarda l’efficiente memorizzazione della rappresentazione PCA-AT, ossia la generazione del formato PCA-AT, e coinvolge l’uso della codifica di Huffman e della pro- prietà space-filling delle curve di Hilbert per comprimere rispettivamente l’informazione associata alle funzioni EF e alla mesh. L’ultima fase si occupa della decodifica del formato PCA-AT, tramite una versione anisotropa personalizzata dell’algoritmo di Delaunay, in- sieme alla conseguente ricostruzione del dato ottico. Infine, la terza area di ricerca del progetto esplora la classificazione nodo per nodo, in termini di uso del suolo, della rappre- sentazione PCA-AT proposta, che possiede intrinsecamente una struttura a grafo. A tal proposito, il candidato utilizza una Rete Neurale Convoluzionale per Grafi (GCN) per la classificazione semi-supervisionata dei nodi, in grado di sfruttare le relazioni di vicinanza tra i nodi, diversamente dai classificatori tradizionali come le Support Vector Machine (SVM). Affrontando questi tre aspetti (disponibilità dei dati, memorizzazione dei dati, classificazione dei dati), il progetto di ricerca mira a migliorare e ottimizzare la gestione dei dati satellitari nel settore downstream dell’industria dei dati satellitari che coinvolge l’utente finale. Il progetto nasce da una collaborazione con l’azienda aerospaziale Thales Alenia Space.The agricultural sector has been experiencing rapid advancements with the rise of the new paradigm of Agriculture 4.0, which is based on sustainable, and efficient farming practices. This paradigm leverages emerging technologies such as remote sensing, big data analytics, and artificial intelligence. In this context, key challenges regard the avail- ability, management, and interpretability of satellite data, that are the essential resource for farmers and stakeholders with a view to agricultural informed-decisions. This thesis addresses these issues by focusing on three main aspects. i) Optical data unavailability under adverse weather conditions. ii) Significant burden concerning the storage and pro- cessing of high-volume Earth Observation data. iii) Advanced classification methods for optimal land-use analysis. The first part of the project investigates the use of Synthetic Aperture Radar (SAR) data as a surrogate in the absence of optical imagery, filling a crucial gap in continuous agricultural monitoring, and particularly in the nitrogen fertil- ization context. Indeed, many fertilization algorithms are based on optical satellite data, which are often unavailable due to unfavourable weather conditions, not guaranteeing the possibility of implementing nitrogen variable rate applications when required. To address this issue, we consider a simple optical data-based fertilization strategy and propose a data fusion technique, integrating SAR and optical data, to compute nitrogen prescrip- tion maps even in absence of optical data during critical phenological stages related to nitrogen fertilization. The proposed approach consists of the following steps: i) starting from optical and SAR data, train a U-Net-like Convolutional Neural Network (CNN) learning the relationship between SAR backscatter coefficients and the Normalized Dif- ference Vegetation Index (NDVI); ii) use the trained model to surrogate the optical NDVI information (when not available) from SAR data; iii) compute nitrogen prescription maps by applying the considered fertilization algorithm to the SAR-derived NDVI information. The second part of the project focuses on the effective representation, compression and storage of multiband optical data, which represent the first key resource within the Agri- culture 4.0 paradigm. With regard to this, a novel compression method for multiband optical data, characterized by high compression capability, is implemented. It consists of three stages. The first one involves a two-fold procedure. i) The use of Principal Component Analysis (PCA) along the channel dimension of an optical data to effec- tively represent its spectral information through a collection of a small number of basis images, corresponding to principal components. ii) The adoption of anisotropic mesh adaption techniques to effectively represent the spatial information associated with basis images. The resulting PCA-AdaptiveTriangular (PCA-AT) representation of an optical data consists of a triangular, unstructured, adaptive tessellation of the image domain, and a collection of linear continuous Finite Element (FE) functions defined on such a mesh, approximating basis images. The second stage involves the effective storage in memory of the PCA-AT representation, that is, the generation of the PCA-AT format, and involves the usage of Huffman encoding and Hilbert curves space-filling properties to compress information associated with the FE functions and mesh, respectively. The last stage deals with the decoding of the PCA-AT format, via a customized anisotropic ver- sion of the Delaunay algorithm, together with the consequent reconstruction of the optical data. Finally, the third research area of the project explores the node-wise classification in terms of land use of the proposed PCA-AT representation, which has intrinsically a graph structure. To this aim, the candidate employs a Graph Convolutional Network (GCN) for semi-supervised node-wise classification, which is able to exploit proximity relation- ships among nodes, unlike traditional classifiers as Support Vector Machines (SVM). By addressing these three aspects (data availability, data storage, data classification), the research project aims at enhancing and optimizing satellite data management within the end-user downstream sector. The project comes from a collaboration with the aerospace company Thales Alenia Space.DIPARTIMENTO DI MATEMATICA37VERZINI, GIANMARIACORREGGI, MICHEL

Nuvole nello zaino : ’eTextbook e la rivoluzione digitale

LAUREA MAGISTRALEI testi scolastici rappresentano da sempre un elemento cardine nell’istruzione e nell’apprendimento, costituendo una risorsa fondamentale per la trasmissione della conoscenza. Negli ultimi anni, specialmente a seguito della pandemia (COVID-19), si è assistito a un’accelerazione nel processo di digitalizzazione dell’istruzione, che ha portato a un progressivo aumento della familiarità nell’utilizzo delle tecnologie digitali. Questi sono ormai in grado di navigare con facilità in un contesto digitale, aprendo nuove possibilità per ripensare i metodi tradizionali di fruizione dei contenuti scolastici, il quale vedremo, non rispecchia più le necessità dei nativi digitali. In ambito accademico, la sostituzione di testi fisici con l’uso di supporti digitali è sempre più diffuso per motivi di budget, accessibilità e praticità. Tuttavia, nelle scuole secondarie italiane, i libri cartacei continuano a predominare, con un’integrazione marginale di strumenti digitali. Sorge quindi la domanda: È possibile favorire l’adozione dei testi scolastici digitali rispetto a quelli cartacei e qual’è il ruolo del designer in questo processo? L’utilizzo di testi cartacei comporta un impatto significativo su diversi fronti, la ricerca analizzera: l’impatto economico sulle famiglie che devono sostenere i costi annuali per l’acquisto dei libri scolastici ed ecologico includendo un’analisi dell’impronta ecologica condotta dal gruppo AWARE del Politecnico di Milano, al fine di valutare la sostenibilità ambientale di entrambi i formati. La ricerca intende esplorare e approfondire una soluzione digitale che non solo affronti queste sfide, ma migliori in parte anche l’esperienza didattica. Attraverso un analisi nella sfera degli studi cognitivi, vedremo come studi recenti dimostrano che l’utilizzo del digitale riporta riscontri positivi se vi è un’adeguata progettazione dell’esperienza di lettura digitale, la quale può migliorare la concentrazione e il coinvolgimento degli studenti. Verranno quindi esplorate le potenzialità del digitale nel motivare e facilitare lo studio, attraverso una progettazioen adeguata. La progettazione di materiali educativi digitali rappresenta una sfida complessa che coinvolge discipline come il design dell’interazione, l’usabilità, esperienza utente e interfacci autente, l’accessibilità e la cognizione umana. Verranno quindi esplorate le potenzialità del digitale nel motivare e facilitare lo studio, attraverso tecniche di design che ottimizzano l’interazione uomo-macchina. L’implementazione di linee guida per la progettazione di interfacce educative, basate su principi di accessibilità e user experience (UX), sarà oggetto di approfondimento. Inoltre, verrà analizzato il ruolo delle tecnologie emergenti, come l’Intelligenza Artificiale, la Realtà Aumentata (AR) e la Realtà Virtuale (VR), nel personalizzare i percorsi di apprendimento e abbattere barriere cognitive e didattiche. L’obiettivo della ricerca è quello di analizzare lo stato attuale della didattica digitale in relazione agli aspetti tecnologici, sociali e cognitivi, al fine di tracciare un percorso per l’introduzione efficace dei testi scolastici digitali nel sistema educativo italiano.School textbooks have always been a cornerstone of education and learning, serving as a fundamental resource for the transmission of knowledge. In recent years, especially following the COVID-19 pandemic, there has been an acceleration in the digitalization of education, leading to a growing familiarity with digital technologies, particularly among young people. These digital natives can now navigate the digital landscape with ease, opening up new possibilities for rethinking traditional methods of accessing educational content, which, as we will see, no longer align with their needs. In the academic sphere, the replacement of physical textbooks with digital formats is becoming increasingly widespread due to budget constraints, accessibility, and convenience. However, in Italian secondary schools, printed books still dominate, with only a marginal integration of digital tools. This raises the question: is it possible to favour the adoption of digital school textbooks over paper ones and what is the role of the designer in this process? The use of printed textbooks has a significant impact on various fronts. This research will analyze the economic burden on families who must cover the annual costs of schoolbooks, as well as the environmental impact, including an ecological footprint analysis conducted by the AWARE group of the Politecnico di Milano, to assess the sustainability of both formats. The study aims to explore and develop a digital solution that not only addresses these challenges but also enhances the overall learning experience. Through an analysis in the field of cognitive studies, we will examine recent research showing that digital learning can yield positive results when the reading experience is properly designed. A well-structured digital interface can improve students’ concentration and engagement. Consequently, the research will explore how digital platforms can motivate and facilitate learning through appropriate design strategies. The design of digital educational materials represents a complex challenge that involves disciplines such as interaction design, usability, user experience (UX), user interface (UI) design, accessibility, and human cognition. The study will examine how digital tools can enhance motivation and ease the learning process by leveraging design techniques that optimize human-computer interaction. The implementation of guidelines for designing educational interfaces based on accessibility and user experience principles will be a key focus. Additionally, the research will analyze the role of emerging technologies such as Artificial Intelligence (AI), Augmented Reality (AR), and Virtual Reality (VR) in personalizing learning paths and overcoming cognitive and educational barriers. The goal of this research is to assess the current state of digital education concerning technological, social, and cognitive aspects, in order to outline a pathway for the effective integration of digital textbooks into the Italian educational system

Mechanical and sensing design of a wearable cost-effective technology for upper limb muscles activation

LAUREA MAGISTRALEL’ictus cerebrale è una grave patologia neurologica che si verifica a causa di un’improvvisa interruzione del flusso sanguigno nel cervello. L’incidenza di questa condizione aumenta ogni anno, rendendola la seconda causa di morte e la terza causa principale di disabil ità in tutto il mondo. Le conseguenze di un ictus possono variare notevolmente, ma una delle manifestazioni più comuni è l’emiparesi, una condizione che compromette la mobilità e la forza muscolare. Nel campo della riabilitazione post-ictus, l’adozione di tecnologie robotiche progettate per stimolare la neuroplasticità e fornire un feedback in tempo reale al terapista ha aperto le porte a una nuova frontiera di cura in contesti domiciliari, riducendo il carico sulle strutture ospedaliere e portando a importanti pro gressi. Questo contesto presenta notevoli margini di miglioramento, ma non è esente da sfide significative che includono il miglioramento dell’affidabilità e della robustezza, la riduzione dei costi e l’ottimizzazione della portabilità dei dispositivi terapeutici, in modo che possano essere utilizzati nel comfort della propria casa, migliorando l’autonomia del paziente e facilitando il recupero motorio in modo più efficiente e accessibile. Per rag giungere questi obiettivi, il progetto è suddiviso in due linee di ricerca: da un lato, la progettazione di una struttura esoscheletrica il più possibile ergonomica, leggera, person alizzabile ed economica; dall’altro, l’integrazione di sensori innovativi, adesivi e basati su un materiale piezoresistivo, in grado di di percepire l’attività muscolare dell’arto supe riore e controllare il dispositivo robotico in funzione dei movimenti del paziente, grazie all’implementazione di metodi di onset detection. Tale dispositivo supera alcuni dei limiti delle soluzioni esistenti introducendo un meccanismo di compliance dinamico e un sistema di compensazione di gravità che garantisca prestazioni elevate a un costo contenuto. I risultati ottenuti finora dimostrano la percorribilità di una strada promettente e, al mo mento, poco esplorata per il raggiungimento degli scopi sopra citati, fornendo delle solide basi per lavori futuri di sviluppo sia dal punto di vista del design meccanico che da quello di integrazione sensoriale.Cerebral stroke is a severe neurological disorder that occurs due to rapid interruption of blood flow in the brain. The incidence of this condition increases every year, making it the second leading cause of death and the third major cause of disability worldwide. The consequences of a stroke can vary widely, but one of the most common manifesta tions is hemiparesis, a condition that affects mobility and muscle strength. In the field of post-stroke rehabilitation, the adoption of robotic technologies designed to stimulate neuroplasticity and provide real-time feedback to the therapist has paved the way for a new frontier of care in home-based contexts, reducing the burden on hospital facilities and leading to important advances. This context shows a huge potential for improvement, but is not exempt from significant challenges that include improving the reliability and robustness, reducing costs and optimizing portability of the therapy devices, such that they can be used in the comfort of one’s own home, enhancing patient autonomy and facilitating motor recovery in a more efficient and accessible manner. To achieve these objectives, this project is divided into two lines of research: on the one hand, the design of an exoskeletal structure that is ergonomic, lightweight, customizable and cost-effective; on the other one, the integration of innovative sensors, adhesive and based on a piezoresis tive material, capable of sensing the muscular activity of the upper limb and controlling the robotic device according to the patient’s movements, by implementing onset detection methods. Such a device overcomes some of the limitations of existing solutions by intro ducing a dynamic compliance mechanism and a gravity compensation system that can provide high performance at a low cost. The results yet obtained, demonstrate the fea sibility of a promising and poorly explored pathway to reach the goals mentioned above, providing a solid basis for future developments in terms of both mechanical design and sensory integration

Tra città e fiume: rigenerare l'Ile-Saint-Denis

LAUREA MAGISTRALEIl termine “rigenerazione” indica un processo di trasformazione che conduce a una configurazione diversa da quella iniziale. In ambito urbano questo fenomeno avviene in seguito alla rottura delle matrici formali della città, intervenendo sui frammenti per ripristinare le mancanze. La rigenerazione urbana non è solo uno strumento di trasformazione dello spazio urbano ma un obiettivo di cambiamento che integra questioni sociali, economiche e culturali. Il progetto di rigenerazione, dunque, riguarda interi brani di città, includendo il paesaggio come luogo di interazione tra spazio naturale e costruito, così come viene vissuto e percepito dagli abitanti. Esso presenta una molteplicità di elementi, ciascuno con un proprio grado di complessità. Nella contemporaneità si parla di “paesaggio fragile” a causa dell’instabilità e delle rapide trasformazioni tipiche dell’epoca attuale. La fragilità, però, non diviene necessariamente un fattore di criticità, ma un’opportunità di crescita e sviluppo. La ricerca si focalizza su una zona periferica della città di Parigi, l’area sud dell’Île-Saint-Denis, posta all’intersezione di più municipalità. Nonostante le potenzialità dell’area e le sue varie trasformazioni, essa non è compresa in un progetto unitario. Gli obiettivi saranno l’integrazione dell’isola nel sistema naturale della Senna, considerando il fiume come elemento di connessione con la Capitale e la ricomposizione dei rapporti tra i comuni adiacenti, attualmente frammentati sia dal punto di vista morfologico sia da quello della pianificazione urbanistica. In risposta alla richiesta dei cittadini dì aree verdi e alla volontà di superare i limiti rappresentati dalle infrastrutture e dalla Senna, proponiamo un ampio parco urbano lungo il fiume, uno spazio dove natura e architettura si intrecciano, restituendo l'identità del luogo. Il progetto stabilisce un rapporto più integrato con il fiume, favorendone la fruizione degli spazi naturali, progettati come strumento di mitigazione contro i fenomeni climatici estremi. Questo approccio non solo rigenera l'area, ma offre anche un modello replicabile per la futura trasformazione delle rive della Senna.The term "regeneration" refers to a transformation process that leads to a configuration different from the initial one. In an urban context, this phenomenon occurs following the disruption of the city's formal structures, intervening on the fragments to restore what is missing. Urban regeneration is not only a tool for transforming urban space but also a goal of change that integrates social, economic, and cultural issues. A regeneration project, therefore, concerns entire sections of the city, including the landscape as a place of interaction between natural and built spaces, as experienced and perceived by its inhabitants. It consists of multiple elements, each with its own level of complexity. In contemporary times, we speak of a "fragile landscape" due to the instability and rapid transformations characteristic of the present era. However, fragility does not necessarily become a critical issue but rather an opportunity for growth and development. The research focuses on a peripheral area of Paris, the southern part of Île-Saint-Denis, located at the intersection of multiple municipalities. Despite the area's potential and various transformations, it is not included in a unified project. The objectives will be to integrate the island into the natural system of the Seine, considering the river as a connecting element with the capital, and to recompose the relationships between the adjacent municipalities, currently fragmented both morphologically and in terms of urban planning. In response to residents’ demands for green spaces and the desire to overcome the barriers represented by infrastructure and the Seine, we propose a large urban park along the river a space where nature and architecture intertwine, restoring the identity of the place. The project establishes a more integrated relationship with the river, enhancing the usability of natural spaces, which are designed as a tool for mitigating extreme climatic phenomena. This approach not only regenerates the area but also offers a replicable model for the future transformation of the Seine’s banks

CCA-on-chip: a human-derived platform to decipher PD-L1-driven tumor microenvironment in Cholangiocarcinoma

LAUREA MAGISTRALEIl colangiocarcinoma è una malattia altamente aggressiva caratterizzata da un complesso microambiente tumorale che contribuisce all’evasione immunitaria e all’alta resistenza alle terapie convenzionali contro il tumore. Negli ultimi anni, l’immunoterapia ha aperto la strada a nuove strategie terapeutiche, ma i riscontri clinici sono ancora molto variabili e i meccanismi riguardanti la risposta al trattamento non sono ancora del tutto compresi. In questo studio, abbiamo ottimizzato una modello di CCA-on-chip, rendendolo una piattaforma biomimetica affidabile per valutare le interazioni tra le cellule tumorali e il sistema immunitario e per implementare degli approcci di terapia personalizzata. La piattaforma microfluidica consiste in un chip di PDMS con tre canali interconnessi, in grado di replicare le caratteristiche principali del microambiente tumorale, includendo cellule tumorali e fibroblasti associati al tumore, incapsulati all’interno di un gel di collagene e fibrina, insieme a cellule endoteliali e cellule del sistema immunitario. I dispositivi microfluidici sono stati progettati e fabbricati al Politecnico di Milano (MI), mentre gli esperimenti biologici sono stati svolti all’Humanitas Clinical and Research Center di Rozzano (MI). In questo lavoro di tesi, abbiamo prima valutato la correlazione tra l’espressione di PD-L1 e i risvolti clinici in pazienti affetti da colangiocarcinoma intraepatico, dimostrando che un’alta espressione di PD-L1 è correlata con una peggiore prognosi e un microambiente tumorale immunosoppressivo. Successivamente, abbiamo incorporato le cellule di linea di colangiocarcinoma intraepatico con diversi livelli di espressione di PD-L1 nel CCA-on-chip per valutare l’infiltrazione e la funzionalità del sistema immunitario. I nostri risultati hanno confermato che le cellule con un’alta espressione di PD-L1 sono associate con un maggiore esaurimento delle cellule T e una riduzione della loro attività citotossica, mentre cellule con un basso livello di espressione di PD-L1 sono correlate ad una maggiore infiltrazione immunitaria e una migliore attività antitumorale. Per meglio valutare la risposta al trattamento, abbiamo ottimizzato il protocollo di trattamento nel chip per la chemio-immunoterapia (Gemcitabina + Cisplatino + Durvalumab). La dinamica di diffusione dei farmaci è stata simulata con COMSOL Multiphysics per fornire informazioni sulla farmacocinetica e la distribuzione dei farmaci nel chip. In base ai nostri risultati, il tumore con maggiore espressione di PD-L1 risponde meglio alla terapia combinata, rispetto alla sola chemioterapia, suggerendo che l’espressione di PD-L1 potrebbe essere un potenziale fattore predittivo per i pazienti trattati con immunoterapia. In generale, questo studio dimostra che la piattaforma CCA-on-chip riesce a replicare efficientemente la complessità di questa patologia, candidandosi come dispositivo utile per la medicina personalizzata.Cholangiocarcinoma (CCA) is a highly lethal malignancy characterized by a complex tumor microenvironment (TME) that contributes to immune evasion and high resistance to traditional therapies. In recent years, immunotherapy has opened new treatment strategies, but clinical outcomes remain still highly variable and the mechanisms underlying treatment response are not fully understood. In this study, we optimized and validated an established CCA-on-chip model as a reliable biomimetic in vitro model to evaluate tumor-immune system interactions and improve personalized therapeutic approaches. The microfluidic platform consists of a PDMS chip with three interconnected channels that replicate the key characteristics of the TME, including tumor cells and cancer-associated fibroblasts (CAFs), embedded in a collagen-fibrin hydrogel, endothelial cells and immune cells. Microfluidic devices were designed and fabricated at Politecnico di Milano (MI), whereas biological experiments were carried out at Humanitas Clinical and Research Center (Rozzano, MI). In this present work, we first evaluated the correlation between PD-L1 expression and clinical outcomes in intrahepatic CCA (iCCA) patients, demonstrating that high PD-L1 expression in iCCA is correlated with a worse prognosis and more immunosuppressive TME. Subsequently, we incorporated iCCA cell lines with different expression levels of PD-L1 into the CCA-on-chip to evaluate the immune system infiltration and function. Our results confirm that high PD-L1 expressing cells are associated with enhanced T cell exhaustion and reduced cytotoxic activity, while low PD-L1 expressing cells correlate with a higher immune infiltration and anticancer activity. To further investigate therapeutic responses, we optimized the on-chip treatment protocol for chemo-immunotherapy (Gemcitabine + Cisplatin + Durvalumab). Drug diffusion dynamics were simulated using COMSOL Multiphysics to provide insights in the pharmacokinetics and drug distributions on chip. Our results show that high PD-L1 tumors show an enhanced response to combined therapy, compared to chemotherapy alone, suggesting PD-L1 expression as a potential predictive biomarker for patients treated with immunotherapy. Overall, this study demonstrates that the CCA-on-chip platform effectively replicates the complexity of this pathology, providing a valuable tool for personalized medicine