Σχεδίαση και υλοποίηση ενσωματωμένου συστήματος για στερεοσκοπική όραση από μία κάμερα

Summarization: 3D Vision has been a topic of investigation for numerous decades, with researchers striving to overcome the challenge of losing the third dimension when using images. Over the years, various techniques have been devised to capture depth from images, including stereo vision, fringe projection, laser scanning, or a combination of these methods. While these techniques have demonstrated impressive results, they may not be suitable for certain applications due to factors such as high cost. Consequently, there is a pressing need to develop a 3D vision system that is affordable, fast, and capable of producing high-resolution output. This thesis implements an innovative approach to estimate depth, initially studied by G. Rematska in her Master Thesis. Depth is calculated by using a single camera in conjunction with two spectrally distinct light sources. The light sources consist of two sets of LED arrays, and depth information can be extracted by analyzing the different reflections captured by the camera from these two light sources. The key aspect of depth estimation lies in the blue to red ratio, which can be correlated to depth through appropriate calibration and processing. In this thesis, the goal was to evolve a system which was verified under laboratory conditions (controlled lighting, no camera vibrations, completely fixed distance of camera to target surface) into one suitable for field use, in which the conditions (lighting, camera vibrations, distance to target surface) are widely varied. The methodology was verified using MATLAB and subsequently implemented as a real time embedded system. The resulting system was thoroughly tested in the field and operates in real time and is fully optimized to minimize hardware resource usage while maintaining a high frequency of operation for processing high-resolution images.Περίληψη: Η τρισδιάστατη όραση αποτελεί αντικείμενο έρευνας εδώ και πολλές δεκαετίες, με τους ερευνητές να προσπαθούν να ξεπεράσουν την πρόκληση της απώλειας της τρίτης διάστασης κατά τη χρήση εικόνων. Με την πάροδο των ετών, έχουν επινοηθεί διάφορες τεχνικές για τη σύλληψη του βάθους από εικόνες, συμπεριλαμβανόμενης της στερεοσκοπικής όρασης, της προβολής κροσσών, της σάρωσης με λέιζερ ή ενός συνδυασμού αυτών των μεθόδων. Ενώ οι τεχνικές αυτές έχουν επιδείξει εντυπωσιακά αποτελέσματα, ενδέχεται να μην είναι κατάλληλες για ορισμένες εφαρμογές λόγω παραγόντων όπως το υψηλό κόστος. Κατά συνέπεια, υπάρχει επιτακτική ανάγκη να αναπτυχθεί ένα σύστημα τρισδιάστατης όρασης που να είναι προσιτό, γρήγορο και ικανό να παράγει αποτελέσματα υψηλής ανάλυσης. Η παρούσα διατριβή εφαρμόζει μια καινοτόμο προσέγγιση για την εκτίμηση του βάθους, η οποία μελετήθηκε αρχικά από την Γ. Ρεμάτσκα στη μεταπτυχιακή της διατριβή. Το βάθος υπολογίζεται με τη χρήση μιας μόνο κάμερας σε συνδυασμό με δύο φασματικά διαφορετικές πηγές φωτός. Οι πηγές φωτός αποτελούνται από δύο σύνολα συστοιχιών LED και η πληροφορία βάθους μπορεί να εξαχθεί αναλύοντας τις διαφορετικές ανακλάσεις που καταγράφονται από την κάμερα από αυτές τις δύο πηγές φωτός. Η βασική πτυχή της εκτίμησης του βάθους έγκειται στην αναλογία μπλε προς κόκκινο, η οποία μπορεί να συσχετιστεί με το βάθος μέσω κατάλληλης βαθμονόμησης και επεξεργασίας. Στην παρούσα διατριβή, ο στόχος ήταν να εξελιχθεί ένα σύστημα που επαληθεύτηκε σε εργαστηριακές συνθήκες (ελεγχόμενος φωτισμός, μηδενικές δονήσεις της κάμερας, εντελώς σταθερή απόσταση της κάμερας από την επιφάνεια του στόχου) σε ένα σύστημα κατάλληλο για χρήση στο πεδίο, όπου οι συνθήκες (φωτισμός, δονήσεις της κάμερας, απόσταση από την επιφάνεια του στόχου) ποικίλλουν ευρέως. Αρχικά, η μεθοδολογία επαληθεύτηκε με τη χρήση MATLAB και στη συνέχεια υλοποιήθηκε ως ενσωματωμένο σύστημα πραγματικού χρόνου. Το σύστημα που προέκυψε δοκιμάστηκε διεξοδικά και λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο και είναι πλήρως βελτιστοποιημένο για την ελαχιστοποίηση της χρήσης πόρων υλικού, διατηρώντας παράλληλα υψηλή συχνότητα λειτουργίας για την επεξεργασία εικόνων υψηλής ανάλυσης

Προληπτική συντήρηση και ανίχνευση βλαβών σε χερσαίο αιολικό πάρκο μέσω ψηφιακών διδύμων

Summarization: This thesis places its focus on the development of a digital twin that faithfully embodies a physical wind farm located in Greece. The principal objective is to establish a virtual counterpart that emulates the real-world characteristics and dynamics of the wind farm. In order to accomplish this, the thesis presents algorithms that are specifically devised to facilitate three vital functionalities: power output prediction, predictive maintenance and fault detection. These algorithms are an integral part of the digital twin's operation, enabling it to forecast potential issues and identify existing problems in the wind turbines. An important characteristic of the digital twin devised in this thesis is its capability to regulate the operations of the wind turbines, per demand. This entails monitoring their performance and, crucially, taking appropriate measures in the event of a malfunction. When the system recognizes a malfunction, it possesses the capability to either temporarily or permanently suspend the operation of the affected turbines until the issue is completely resolved. This approach ensures that any problems are promptly addressed, minimizing downtime and potential harm. A crucial element of the wind farm digital twin centers around the incorporation of real-time data acquired from the wind farm. This data is essential in order to execute the algorithms, as it provides the vital input for the digital twin to successfully perform its functions of predictive maintenance and fault detection. Through the utilization of genuine operational data, the digital twin can generate more accurate predictions and diagnoses, ultimately resulting in a more effective and dependable management of the wind farm.Περίληψη: Η παρούσα διατριβή επικεντρώνει την προσοχή της στην ανάπτυξη ενός ψηφιακού διδύμου που αναπαριστά πιστά ένα φυσικό αιολικό πάρκο που βρίσκεται στην Ελλάδα. Ο κύριος στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα εικονικό αντίγραφο που να μιμείται τα πραγματικά χαρακτηριστικά και τη δυναμική του αιολικού πάρκου. Για να επιτευχθεί αυτό, η διατριβή παρουσιάζει αλγορίθμους που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να διευκολύνουν δύο ζωτικής σημασίας λειτουργίες: την προληπτική συντήρηση και την ανίχνευση βλαβών. Αυτοί οι αλγόριθμοι αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της λειτουργίας του ψηφιακού διδύμου, επιτρέποντάς του να προβλέπει πιθανά ζητήματα και να εντοπίζει τα υπάρχοντα προβλήματα στις ανεμογεννήτριες. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του ψηφιακού δίδυμου που επινοήθηκε στην παρούσα διατριβή είναι η ικανότητά του να ρυθμίζει τις λειτουργίες των ανεμογεννητριών. Αυτό συνεπάγεται την παρακολούθηση της απόδοσής τους και, κυρίως, τη λήψη των κατάλληλων μέτρων σε περίπτωση δυσλειτουργίας. Όταν το σύστημα αναγνωρίζει μια δυσλειτουργία, έχει τη δυνατότητα να αναστέλλει προσωρινά ή μόνιμα τη λειτουργία των επηρεαζόμενων ανεμογεννητριών μέχρι να επιλυθεί πλήρως το πρόβλημα. Αυτή η προσέγγιση διασφαλίζει ότι τυχόν προβλήματα αντιμετωπίζονται άμεσα, ελαχιστοποιώντας τον χρόνο διακοπής λειτουργίας και τις πιθανές βλάβες. Ένα κρίσιμο στοιχείο της διατριβής επικεντρώνεται στην ενσωμάτωση δεδομένων πραγματικού χρόνου που λαμβάνονται από το αιολικό πάρκο. Τα δεδομένα αυτά είναι απαραίτητα για την εκτέλεση των αλγορίθμων, καθώς παρέχουν τη ζωτική είσοδο για να επιτελέσει ο ψηφιακός δίδυμος με επιτυχία τις λειτουργίες της προληπτικής συντήρησης και της ανίχνευσης βλαβών. Μέσω της χρήσης γνήσιων λειτουργικών δεδομένων, ο ψηφιακός δίδυμος μπορεί να παράγει ακριβέστερες προβλέψεις και διαγνώσεις, με τελικό αποτέλεσμα την αποτελεσματικότερη και πιο αξιόπιστη διαχείριση του αιολικού πάρκου

Εφαρμογές τεχνητών νευρωνικών δικτύων για την προσέγγιση ευθέων και αντιστρόφων προβλημάτων στη μηχανική μέσω της μεθόδου Physics Ιnformed Neural Networks (PINNs)

Περίληψη: Στη παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται μια σχετικά πρόσφατη και ανερχόμενη τεχνική επίλυσης συνήθων και μερικών διαφορικών εξισώσεων αξιοποιώντας Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα ΤΝΔ (Artificial Neural Networks ANN). Η υποκείμενη τεχνική αποκαλείται Physics Informed Neural Networks (PINNs), και ήταν απόρροια της σύνθεσης ποικίλων επιστημονικών κλάδων όπως η νευρολογία, η πληροφορική, η επιστήμη των υπολογιστών, τα εφαρμοσμένα μαθηματικά, η εφαρμοσμένη φυσική και η υπολογιστική μηχανική. Συνολικά, αποτελεί μια αριθμητική προσέγγιση για την επίλυση γραμμικών και μη γραμμικών προβλημάτων που συναντώνται σε ποικίλα επιστημονικά πεδία, όπως η μετάδοση θερμότητας, η ρευστομηχανική και η κλασσική μηχανική. Η εφαρμογή αριθμητικών τεχνικών σε προβλήματα μεγάλης κλίμακας, που απαιτούν υψηλή ακρίβεια, απαιτεί την συνεχή βελτίωση της επιστήμης των υπολογιστών, τόσο σε επίπεδο hardware όσο και software. Αυτό αληθεύει και για την μελετηθείσα προσέγγιση, η οποία είχε απαρχές, τουλάχιστον σε θεωρητικό επίπεδο, πριν από περίπου δύο δεκαετίες, αλλά η επιτυχής υλοποίηση της με αξιοσημείωτα αποτελέσματα σε σύγχρονους χρονικούς ορίζοντες έλαβε χώρα μόλις πρόσφατα. Η παρούσα εργασία έχει ως κύριο σκοπό την ανάπτυξη αλγορίθμων σε Python, με απώτερη πρόθεση την εφαρμογή της τεχνικής PINNs σε προβλήματα δυναμικής μηχανικής. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν προβλήματα όπως ο αρμονικός ταλαντωτής με απόσβεση και η κίνηση 2 μαζών συνδεδεμένων με 3 ελατήρια. Καθώς επίσης έγινε προσπάθεια ανάπτυξης ενός αλγορίθμου για ένα αντίστροφο μοντέλο PINNs το οποίο προβλέπει τη τιμή μιας άγνωστης παραμέτρου σε ένα σύστημα αρμονικού ταλαντωτή, αυτή του συντελεστή απόσβεσης. Επιπλέον, παρουσιάζεται αναλυτικά η αρχή λειτουργίας των τεχνητών νευρωνικών δικτύων, τόσο από θεωρητικής όσο και μαθηματικής πλευράς. Τέλος, αναλύονται τμήματα του κώδικα που χρησιμοποιήθηκαν για την επίλυση των προβλημάτων της εργασίας

Βελτίωση ποιότητας υδάτων και βιοπαραγωγή φυσικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από τη συγκαλλιέργεια θαλάσσιων σπόγγων σε ιχθυοκαλλιεργητικές μονάδες

Research work implemented at the Institute of Marine Biology, Biotechnology and Aquaculture of Hellenic Center for Marine Research (HCMR) in Heraklion, in collaboration with the PhD study program offered by the School of Chemical and Environmental Engineering of Technical University of Crete.Ερευνητική εργασία που υλοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Θαλάσσιας Βιολογίας, Βιοτεχνολογίας και Υδατοκαλλιεργειών του Ελληνικού Κέντρου Θαλάσσιων Ερευνών (ΕΛΚΕΘΕ) στο Ηράκλειο, σε συνεργασία με το διδακτορικό πρόγραμμα σπουδών της Σχολής Χημικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος του Πολυτεχνείου Κρήτης.Summarization: Mariculture, typically supported by marine cage systems, constitutes a significant economic sector for several countries across the world and plays an increasing role in fish supply. During the last decades, a pronounced activity has been reported in the Mediterranean Sea, with Greece being one of the major producers of seabream and seabass finfish worldwide. With the gradual increase of global population, and consequently, the demands for fish and fish-related products, mariculture systems are expected to face an even more unparalleled growth. To enhance productivity, fish farmers currently use larger densities of feed and chemicals that are necessary to ensure the health and growth within the culture. A significant portion of these administered substances remains freely dissolved in the water column, or can either end up as particles in marine sediments, leading to sound threats for aquatic and human life. Unconsumed fish feeds, accompanied by massive excretions of fish faeces and other metabolic waste products are the main cause for nutrient enrichment of water and sediments near fish farms. On the other hand, aggressive administration of therapeutants, such as antibiotics, parasiticides, anesthetics, disinfectants and hormones, or antifouling booster biocides that are used to prevent fouling in submerged production structures, can potentially lead to high organic loadings, chemical pollution and bioaccumulation of contaminants in fish stocks or other marine life. Other pollutants that may occur in fish farm environments include heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), discharged from offshore and coastal anthropogenic activities. As a result, nutrient and organic pollution can provoke a series of adverse effects, including water deterioration, hypoxia, biological pollution, eutrophication and habitat destruction, with severe economic losses for fish farmers. To alleviate aquaculture pollution through eco-sustainable and socially acceptable manners, integrated multi-trophic aquaculture (IMTA) systems emerge as feasible solution. Such systems combine fish aquaculture with rearing of secondary extractive species, in a way that nutrients and fish wastes are recycled to promote growth of the co-cultured organisms, while the latter present an additional monetary benefit to the enterprise, through their own economic value. Over the years, many organisms have been documented as promising IMTA candidates. Among them, marine sponges stand as excellent candidates, in light of their innate filter-feeding properties and their capability to retain a variety of organic waterborne substances, from particulate to dissolved forms. Besides their high bioremediation capacity for an array of biological and organic pollutants, their biomass is considered a “gold mine”, given their applicability in various biotechnological fields, from bath sponges to bioactive compounds resources. However promising, only few existing studies have conceived the “sponge-driven bioremediation/bioproduction” concept in aquacultures worldwide, with Greece being practically inactive. Considering the thriving aquaculture sector of Greece and the vast diversity of sponges existing in Aegean Sea, it is essential to gain a better view of the integration potential of native sponge species in fish farms. The aim of this dissertation is to (a) assess the bioremediation capacity of Mediterranean sponges through controlled laboratory experiments involving typical aquaculture biological and chemical pollutants and to (b) explore the valorization potential of candidate sponges through the targeted analysis of known metabolites and bioactivity screening. The cleanup experiments were employed for the four ubiquitous Mediterranean species Agelas oroides, Axinella cannabina, Chondrosia reniformis and Sarcotragus foetidus, which were distinguished for their high natural abundance, variability in body form and satisfactory performance under rearing conditions. The in vitro capability to mitigate aquaculture-related biological pollution was assessed for three phytoplanktonic cells, in an attempt to simulate sponges’ response to eutrophic algal blooms. The tested microalgal substrates were exhibiting different size/motility characteristics and belonged to genera of Nannochloropsis sp. (~3.2 μm, nonmotile), Isochrysis sp. (~3.8 μm, motile), and Phaeodactylum (~21.7 μm, nonmotile). Sponge explants were exposed for 7 h to microalgae-enriched seawater under different experimental setups. First, it was shown that all four candidates were capable of retaining their cleanup capacity across a span of four or five successive days. When exposed to varying cell concentrations approximating the gradient from oligotrophic to highly eutrophic systems, sponges maintained their optimal filtering activity. The same argument was partially true when exposed to different illumination conditions. Different feeding preferences were observed among sponge species for microalgal substrates with distinct size and motility traits. Overall, the study sponges exhibited a wide range of retention efficiencies for the different phytoplankton cells, with the highest average values found for the species A. oroides (70%) and S. foetidus (44%). The same candidate sponges were further investigated for their ability to remove typical aquaculture-related dissolved organic pollutants from seawater. This series of in vitro experiments involved the exposure to (i) individual chemicals belonging to antibiotics (i.e., oxytetracycline), antifouling biocides (i.e., diuron and Irgarol 1051) and polycyclic aromatic hydrocarbons (i.e., 2,6-dimethylnapththalene, phenanthrene), as well as (ii) complex organic mixtures, involving filtrates of fish feed and excreta. All sponges were capable of uptaking the various organic substances, by exhibiting a pronounced preference for lipophilic pollutants. To further support this argument, a strong positive correlation was revealed between sponge’s cleanup capacity and substrate hydrophobicity. Among the examined sponges, A. oroides demonstrated the greatest filtering performance across an array of dissolved organic substances, with the highest rates reported for the highly lipophilic pollutants. At a later stage, we intended to shed light on the processes dictating dissolved organic matter (DOM) removal by sponges. In all studied species, active pumping was found to play a prominent role in the assimilation of dissolved pollutants. This was explained by the much faster rates exhibited from this mechanism compared to the values derived for passive adsorption of pollutants onto dead sponges’ surface. Finally, the uptaken pollutants were shown to be strongly retained by sponges and they were hardly released back to seawater as a result of desorption or sponge excretory mechanisms. The final criterion to assess the suitability of the selected sponge species as components of integrated aquaculture, was the valorization potential of their cultivated biomass. For this reason, the two best-performing species in terms of bioremediation capacity, namely A. oroides and S. foetidus, were selected and further analyzed for targeted known biomolecules and bioactivities. This assessment was performed in specimens subjected to rearing in direct proximity to a fish aquaculture for more than a year, as well as to conspecifics from adjacent sponge populations, to estimate the effect of farming on the natural bioproduction potential. An array of natural products was identified in the extracts of both farmed and wild sponges, with the majority of them belonging to alkaloids, benzenoids, indoles, lipids and polyketides. Metabolomic analysis revealed also species-specific chemical patterns, with A. oroides and S. foetidus extracts dominated by alkaloids and lipids, respectively. More importantly, farmed and wild explants of each species demonstrated similar chemical fingerprints, with the majority of the metabolites showing modest differences in their content and on a sponge mass-normalized basis. Furthermore, farmed sponge extracts presented similar or slightly lower antibacterial activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus, compared to the extracts resulting from wild sponges. Anticancer assays against human colorectal carcinoma cells (HCT-116) revealed marginally active extracts from both wild and farmed S. foetidus populations. As shown, sponges, along with other marine organisms, harbor a wealth of bioactive compounds with potential biotechnological applications in drug, cosmetics and food industry. In this context, a comprehensive overview of the most popular bioassays used in natural products biodiscovery is provided, along with their properties and practical considerations for their selection. A particular focus is given on the exploration of antimicrobial, antibiofilm, cytotoxic, antiviral, antioxidant and anti-ageing potential of the associated extracts. Furthermore, quality control procedures and flowlines involved in bioactivity-guided identification and purification of compounds are introduced. The review concludes with an application-oriented study focusing on drug discovery, dietary supplements, and cosmetics, the industrial pipelines most commonly supplemented with marine-derived natural products. Safety and regulatory issues that are critical to the transition of substances to a higher stage of development are also presented, along with an outlook on trends and future developments. Altogether, sponge farming can be regarded as a promising source of high added-value natural products, in addition to an effective cleanup technology for different types of aquaculture pollution. Based upon the bioremediation/bioproduction potential of the different sponge species investigated throughout this dissertation, both A. oroides and S. foetidus are proposed as the best candidates for future large-scale farming adjacent to fish farms.Περίληψη: Η θαλάσσια καλλιέργεια, υποστηριζόμενη συνήθως από συστήματα θαλάσσιων κλωβών, αποτελεί σημαντική οικονομική δραστηριότητα για πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο και διαδραματίζει αυξανόμενο ρόλο στον εφοδιασμό ψαριών. Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει αναφερθεί έντονη δραστηριότητα στη Μεσόγειο Θάλασσα, με την Ελλάδα να είναι ένας από τους σημαντικότερους παραγωγούς τσιπούρας και λαβρακιού παγκοσμίως. Με τη σταδιακή αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, και κατά συνέπεια, των διατροφικών απαιτήσεων σε ψάρια και προϊόντων ιχθύων, τα συστήματα θαλάσσιας καλλιέργειας αναμένονται να παρουσιάσουν ακόμη μεγαλύτερη ανάπτυξη. Για την ενίσχυση της παραγωγικότητας, οι ιχθυοκαλλιεργητές χρησιμοποιούν επί του παρόντος μεγαλύτερες ποσότητες ιχθυοτροφών και χημικών ουσιών που είναι απαραίτητες για τη διασφάλιση της υγείας και την ανάπτυξη εντός της καλλιέργειας. Ένα σημαντικό μέρος αυτών των χορηγούμενων ουσιών παραμένει διαλυμένο στη στήλη του νερού ή μπορεί είτε να καταλήξει ως σωματίδια σε θαλάσσια ιζήματα, εγκυμονώντας σημαντικούς κινδύνους για την θαλάσσια και την ανθρώπινη ζωή. Οι μη καταναλωθείσες ιχθυοτροφές σε συνδυασμό με τις μαζικές εκκρίσεις περιττωμάτων και άλλων μεταβολικών αποβλήτων των ψαριών, είναι η κύρια αιτία για τον εμπλουτισμό των υδάτων και των ιζημάτων με θρεπτικά συστατικά κοντά σε ιχθυοτροφεία. Από την άλλη πλευρά, η χορήγηση θεραπευτικών ουσιών, όπως αντιβιοτικά, παρασιτοκτόνα, αναισθητικά, απολυμαντικά και ορμόνες, καθώς και η χρήση υφαλοχρωμάτων ενισχυμένων με βιοκτόνα που χρησιμοποιούνται για την πρόληψη της βιοεπικάθισης στις βυθισμένες δομές παραγωγής, μπορεί δυνητικά να οδηγήσει σε υψηλά οργανικά φορτία, χημική ρύπανση και βιοσυσσώρευση ρύπων στα εκτρεφόμενα ψάρια ή άλλους θαλάσσιους οργανισμούς που ενδιαιτούν στην ευρύτερη περιοχή. Άλλες χημικές εισροές περιλαμβάνουν βαρέα μέταλλα και πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (ΠΑΥ) που προέρχονται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες στην ξηρά και τη θάλασσα. Συνεπακόλουθα, η ρύπανση από θρεπτικά και οργανικά συστατικά δύναται να προκαλέσει μια σειρά από δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως υποβάθμιση του νερού, υποξία, βιολογική ρύπανση, ευτροφισμό και καταστροφή των οικοτόπων, με σοβαρές οικονομικές απώλειες για τους ιχθυοκαλλιεργητές. Για να περιοριστεί η ρύπανση σε μία υδατοκαλλιέργεια μέσω οικολογικά βιώσιμων και κοινωνικά αποδεκτών τρόπων, τα ολοκληρωμένα συστήματα πολυτροφικής υδατοκαλλιέργειας (ΙΜΤΑ) αναδεικνύονται ως εφικτή λύση. Τέτοια συστήματα συνδυάζουν την ιχθυοκαλλιέργεια με την εκτροφή δευτερευόντων ειδών, τα οποία καταναλώνουν τα θρεπτικά συστατικά και τα απόβλητα των ψαριών επιτυγχάνοντας συνεχή ανάπτυξη και παράγοντας βιομάζα με σημαντική οικονομική αξία. Κατά την πάροδο των χρόνων, αρκετοί οργανισμοί έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για συστήματα ολοκληρωμένης υδατοκαλλιέργειας. Μεταξύ αυτών, οι θαλάσσιοι σπόγγοι επιφυλάσσουν μεγάλο δυναμικό υπό το πρίσμα των έμφυτων ιδιοτήτων τους ως θαλάσσια φίλτρα και της ικανότητάς τους να συγκρατούν μια ποικιλία οργανικών υδατογενών ουσιών, σωματιδιακής ή διαλυμένης μορφής. Πέρα από το υψηλό δυναμικό βιοαποκατάστασης ως προς μία πληθώρα βιολογικών και οργανικών ρύπων, η βιομάζα των σπόγγων θεωρείται «ορυχείο χρυσού», δεδομένου των εφαρμογών της σε διάφορους βιοτεχνολογικούς τομείς, ως σφουγγάρια μπάνιου αλλά και πηγές βιοδραστικών ενώσεων. Αν και ελπιδοφόρα, μόνο λίγες υπάρχουσες μελέτες έχουν διερευνήσει την ιδέα της βιοαποκατάστασης/βιοπαραγωγής από την συγκαλλιέργεια σπόγγων σε ιχθυοκαλλιέργειες παγκοσμίως, ενώ αντίστοιχες μελέτες εντός Ελλάδας είναι πρακτικά ανύπαρκτες. Λαμβάνοντας υπόψη τον ακμάζοντα τομέα της υδατοκαλλιέργειας στον ελλαδικό χώρο και την πλούσια ποικιλία σε σπόγγους που υπάρχει στο Αιγαίο Πέλαγος, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η δυνατότητα ενσωμάτωσης των γηγενών ειδών σπόγγων σε ιχθυοτροφικές μονάδες. Στόχος αυτής της διατριβής είναι (α) να αξιολογήσει την ικανότητα βιοαποκατάστασης των μεσογειακών σπόγγων μέσω ελεγχόμενων εργαστηριακών πειραμάτων που περιλαμβάνουν χαρακτηριστικούς βιολογικούς και χημικούς ρύπους των ιχθυοκαλλιεργειών και (β) να διερευνήσει το δυναμικό αξιοποίησης της παραγόμενης βιομάζας των σπόγγων μέσω της στοχευμένης ανάλυσης γνωστών μεταβολιτών και του ελέγχου της βιοδραστικότητας των εκχυλισμάτων τους. Τα πειράματα καθαρισμού πραγματοποιήθηκαν για τέσσερις ευρέως διαδεδομένους μεσογειακούς σπόγγους Agelas oroides, Axinella cannabina, Chondrosia reniformis και Sarcotragus foetidus, οι οποίοι επιλέχθηκαν βάσει της υψηλής φυσικής τους αφθονίας, των μορφολογικών χαρακτηριστικών τους και της ικανοποιητικής ανάπτυξή τους σε πειραματική σπογγοκαλλιέργεια. Η ικανότητα εξυγίανσης βιολογικά ρυπασμένων υδάτων ιχθυοκαλλιέργειας αξιολογήθηκε εργαστηριακά ως προς τρεις φυτοπλαγκτονικούς οργανισμούς, σε μια προσπάθεια προσομοίωσης της απόκρισης των σπόγγων σε ευτροφικά περιβάλλοντα με άνθιση φυτοπλαγκτού (algal blooms). Τα εξεταζόμενα μικροφύκη παρουσίαζαν διαφορετικά χαρακτηριστικά μεγέθους/κινητικότητας και ανήκαν στα γένη Nannochloropsis sp. (~3.2 μm, μη κινητικό), Isochrysis sp. (~3.8 μm, κινητικό) και Phaeodactylum (~21.7 μm, μη κινητικό). Μοσχεύματα σπόγγων εκτέθηκαν για 7 ώρες σε θαλασσινό νερό εμπλουτισμένο με μικροφύκη υπό διαφορετικές πειραματικές συνθήκες. Αρχικά, αποδείχθηκε ότι και οι τέσσερις υποψήφιοι σπόγγοι ήταν σε θέση να διατηρήσουν την ικανότητα καθαρισμού τους σε διάστημα τεσσάρων ή πέντε διαδοχικών ημερών. Υπό έκθεση σε μία βαθμίδα κυτταρικών συγκεντρώσεων που προσομοίαζαν ολιγοτροφικά έως και εξαιρετικά ευτροφικά συστήματα, οι σπόγγοι διατήρησαν τη βέλτιστη ικανότητα φιλτραρίσματός τους. Το ίδιο παρατηρήθηκε εν μέρει και κατά την πραγματοποίηση πειραμάτων υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού. Διαφορετικές προτιμήσεις πρόσληψης παρατηρήθηκαν μεταξύ των εξεταζόμενων σπόγγων για μικροφύκη με διακριτό μέγεθος και κινητικά χαρακτηριστικά. Συνολικά, οι μελετώμενοι σπόγγοι εμφάνισαν ένα ευρύ φάσμα αποτελεσματικοτήτων συγκράτησης των διαφορετικών κυττάρων φυτοπλαγκτού που εξετάστηκαν, με τις υψηλότερες μέσες τιμές να σημειώνονται για τα είδη A. oroides (70%) και S. foetidus (44%). Οι ίδιοι υποψήφιοι σπόγγοι διερευνήθηκαν περαιτέρω για την ικανότητά τους να αφαιρούν από το νερό διαλυμένους οργανικούς ρύπους που απαντώνται σε περιβάλλοντα υδατοκαλλιέργειας. Αυτή η σειρά εργαστηριακών πειραμάτων περιλάμβανε την έκθεση σε (α) μεμονωμένες χημικές ουσίες που ανήκουν στα αντιβιοτικά (π.χ. οξυτετρακυκλίνη), αντιρρυπαντικά επιχρίσματα (π.χ. diuron και Irgarol 1051) και πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (π.χ. 2,6- διμεθυλναφθαλένιο και φαινανθρένιο), αλλά και (β) πολύπλοκα οργανικά μείγματα, που περιλάμβαναν διηθήματα ιχθυοτροφών και περιττωμάτων ψαριών. Όλοι οι σπόγγοι ήταν ικανοί να προσλαμβάνουν τις διάφορες οργανικές ουσίες, επιδεικνύοντας έντονη προτίμηση στους λιπόφιλους ρύπους. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε μια ισχυρή θετική συσχέτιση μεταξύ της καθαριστικής δράσης των σπόγγων και της υδροφοβικότητας των υποστρωμάτων. Μεταξύ των σπόγγων που μελετήθηκαν, το A. oroides επέδειξε την υψηλότερη απόδοση κατακράτησης ως προς τις διαφορετικές διαλυτές οργανικές ουσίες που εξετάστηκαν, με τα υψηλότερα ποσοστά να παρατηρούνται πάντα για τους περισσότερο λιπόφιλους ρύπους. Σε μεταγενέστερο στάδιο, διερευνήσαμε τις διεργασίες που διέπουν την απομάκρυνση της διαλυμένης οργανικής ύλης (DOM) από τους σπόγγους. Σε όλα τα είδη που μελετήθηκαν, η διαδικασία ενεργητικού φιλτραρίσματος των σπόγγων βρέθηκε να παίζει κυρίαρχο ρόλο στην αφομοίωση των διαλυμένων ρύπων. Κάτι τέτοιο δικαιολογήθηκε από τους αυξανόμενους ρυθμούς που παρατηρήθηκαν μέσω αυτού του μηχανισμού σε σχέση με τις τιμές που προέκυψαν από την παθητική προσρόφηση των ρύπων στην επιφάνεια των νεκρών σπόγγων. Τέλος, επιβεβαιώθηκε ότι οι προσλαμβανόμενοι ρύποι συγκρατούνται σταθερά από τους σπόγγους και μετά βίας επαναπελευθερώνονται πίσω στο θαλασσινό νερό μέσω της εκρόφησης ή των μηχανισμών απέκκρισης των σπόγγων. Το τελικό κριτήριο για την αξιολόγηση της εφαρμοσιμότητας των γηγενών σπόγγων σε ολοκληρωμένα συστήματα υδατοκαλλιέργειας, ήταν το δυναμικό αξιοποίησης της καλλιεργούμενης βιομάζας τους. Για το λόγο αυτό, τα είδη με τις καλύτερες επιδόσεις ως προς το δυναμικό βιοαποκατάστασης, αναλύθηκαν περαιτέρω για στοχευμένα γνωστά βιομόρια και βιοδραστικότητες. Η συγκεκριμένη διαδικασία υλοποιήθηκε για σπόγγους που προέρχονταν από καλλιέργειες σε γειτνίαση με ιχθυοκλωβούς, αλλά και από παρακείμενους φυσικούς πληθυσμούς, για να εκτιμηθεί κατά πόσο οι συνθήκες καλλιέργειας επηρεάζουν τη βιοσυνθετική ικανότητά τους. Στα εκχυλίσματα που μελετήθηκαν ανιχνεύθηκε μια ευρεία γκάμα φυσικών προϊόντων, τα οποία ανήκαν στα αλκαλοειδή, βενζενοειδή, ινδόλες, λιπίδια και πολυκετίδια. Επίσης, η μεταβολομική ανάλυση αποκάλυψε χαρακτηριστικά χημικά μοτίβα ειδικά για κάθε είδος σπόγγου, με τα εκχυλίσματα των A. oroides και S. foetidus να κυριαρχούνται από αλκαλοειδή και λιπίδια, αντίστοιχα. Ωστόσο, το πιο σημαντικό εύρημα ήταν ότι τα καλλιεργούμενα και φυσικά μοσχεύματα από καθένα είδος σπόγγου παρουσίαζαν παρόμοια χημικά αποτυπώματα, με την πλειονότητα των μεταβολιτών να εμφανίζουν μικρές διαφορές ως προς τη σχετική σύστασή τους και ως προς τις απόλυτες συγκεντρώσεις τους. Επιπλέον, τα εκχυλίσματα καλλιεργημένων σπόγγων παρουσίασαν παρόμοια ή ελαφρώς χαμηλότερη αντιβακτηριδιακή δράση έναντι του Staphylococcus aureus που είναι ανθεκτικός στη μεθικιλλίνη, σε σύγκριση με τα εκχυλίσματα που προέρχονταν από φυσικούς πληθυσμούς σπόγγων. Οι βιολογικές δοκιμασίες ως προς ανθρώπινα κύτταρα ορθοκολικού καρκινώματος (HCT-116) αποκάλυψαν οριακά δραστικά εκχυλίσματα τόσο από φυσικούς όσο και από καλλιεργημένους πληθυσμούς του είδους S. foetidus. Όπως φαίνεται, οι θαλάσσιοι σπόγγοι, μαζί με άλλους θαλάσσιους οργανισμούς, φιλοξενούν μία μεγάλη ποικιλία βιοδραστικών ενώσεων με δυνητικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές στη βιομηχανία φαρμάκων, καλλυντικών και τροφίμων. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των πιο δημοφιλών βιοδοκιμών που χρησιμοποιούνται κατά τη διαδικασία βιοανακάλυψης φυσικών προϊόντων, μαζί με τις ιδιότητές τους και διάφορες άλλες πρακτικές λεπτομέρειες σχετικά με την επιλογή και τη χρήση τους. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις βιοδοκιμές που συνήθως εφαρμόζονται για τον έλεγχο των αντιμικροβιακών, αντιβιοφίλμ, κυτταροτοξικών, αντιικών, αντιοξειδωτικών και αντιγηραντικών ιδιοτήτων των εκχυλισμάτων. Επιπλέον, παρουσιάστηκαν οι διεργασίες ποιοτικού ελέγχου καθώς και η ροή εργασιών που ακολουθείται κατά την ταυτοποίηση και τη σταδιακή κλασμάτωση/απομόνωση των βιοδραστικών ενώσεων καθοδηγούμενης από βιοδοκιμές. Η ανασκόπηση ολοκληρώθηκε με την παρουσίαση μίας πρακτικής μελέτης στοχευμένη στην ανακάλυψη φαρμάκων, συμπληρωμάτων διατροφής και καλλυντικών, που αποτελούν τις βιομηχανικές οδούς που συχνά προμηθεύονται με φυσικά προϊόντα θαλάσσιας προέλευσης. Επίσης, επισημάνθηκαν διάφορα ζητήματα ασφάλειας και κανονισμών που είναι κρίσιμα για τη μετάβαση των υπό εξέταση ουσιών μεταξύ των διαφορετικών σταδίων ανάπτυξης και των διαφορετικών φάσεων των κλινικών μελετών, μαζί με τις προοπτικές, τις γενικότερες τάσεις και τις μελλοντικές εξελίξεις που αφορούν το πεδίο των βιοδοκιμών. Εν κατακλείδι, η σπογγoκαλλιέργεια μπορεί να θεωρηθεί ως αποτελεσματική τεχνολογία αποκατάστασης ρυπασμένων μονάδων υδατοκαλλιέργειας, αλλά και

Συγκριτική αξιολόγηση της φορητότητας της απόδοσης σε ετερογενείς υπολογιστικές πλατφόρμες

Μεταπτυχιακή Διατριβή που υποβλήθηκε στη σχολή ΗΜΜΥ του Πολ. Κρήτης για την πλήρωση προϋποθέσεων λήψης του Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης.Περίληψη: Οι ετερογενείς υπολογιστικές πλατφόρμες είναι διαδεδομένες στα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα και καλύπτουν ένα μεγάλο πεδίο εφαρμογών από τις κινητές συσκευές έως τους υπερυπολογιστές. Η υποστήριξη κάθε συγκριτικής αξιολόγησης (benchmarking) της απόδοσης τέτοιων ετερογενών πλατφορμών απαιτεί τη δημιουργία ενός φορητού ετερογενούς κώδικα απόδοσης για την επίτευξη της σχετικής αξιολόγησης. Ένας επί τούτου φορητός κώδικας θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να στοχεύει σε διάφορες αρχιτεκτονικές, όπως κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU), μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU), αρχιτεκτονικές πολλαπλά ολοκληρωμένων πυρήνων (MIC), συστοιχίες επιτόπια προγραμματιζόμενων πυλών (FPGA) και προηγμένες υπολογιστικές μηχανές μειωμένου συνόλου εντολών (ARMs). Αν και οι διεπαφές προγραμματισμού εφαρμογών (μεταξύ συγκεκριμένων προμηθευτών και ιδιοκτητών) δεν πληρούν πάντα την απαίτηση της φορητότητας σε μεγάλο εύρος αρχιτεκτονικών, υπάρχει το βιομηχανικό πρότυπο OpenCL το οποίο έχει δημιουργηθεί για διεξαγωγή ετερογενών παράλληλων προγραμματισμών και το οποίο προϋποθέτει την ιδιότητα της φορητότητας υπεράνω διαφόρων πλατφορμών. Ωστόσο, η φορητότητα απόδοσης δεν είναι εγγυημένη στο πλαίσιο OpenCL και, για το λόγο αυτόν, η εισαγωγή και μελέτη μιας αυτοματοποιημένης λειτουργικής προσέγγισης στο πρόβλημα της επίτευξης φορητότητας απόδοσης πρέπει να θεωρείται ως απαραίτητη προϋπόθεση προκειμένου να εξασφαλιστεί μια αποτελεσματική μέθοδος συγκριτικής αξιολόγησης σε ετερογενή υπολογιστικά συστήματα. Έχοντας υπ’ όψη τα παραπάνω, βασικός σκοπός της παρούσας Μεταπτυχιακής Διατριβής είναι η εξέταση του προβλήματος της φορητότητας συγκριτικής αξιολόγησης (κυρίως της απόδοσης) του εκάστοτε παρουσιαζόμενου σημείου αναφοράς σε ετερογενείς πλατφόρμες υπολογιστών στις οποίες μπορούμε να αναπαραστούμε με ακρίβεια υπολογιστικές δυνατότητες αναδυόμενων υβριδικών συστημάτων. Προς αυτήν την κατεύθυνση, θα θεωρήσουμε μια προσέγγιση η οποία θα παράσχει μια ουσιαστική και στέρεα μέθοδο συγκριτικής αξιολόγησης για ετερογενείς πλατφόρμες που διαθέτουν φορητότητα απόδοσης, αξιόπιστα σχήματα χρονισμού και σύγκλιση χρόνων εκτέλεσης. Για το σκοπό αυτό, θα αναζητηθεί μια τεχνική παραμετροποίησης πυρήνων και αυτόματης βελτιστοποίησης της υψηλής απόδοσης με σκοπό την υποστήριξη μεγάλης ποικιλίας επεξεργαστών. Επιπλέον, θα συζητηθεί το πρόβλημα της δυναμικής δειγματοληψίας και της ανάλυσης κλιμάκωσης αφενός για τη μέτρηση των σημείων αναφοράς της συγκριτικής αξιολόγησης επιδιώκοντας μεγαλύτερη συνέπεια ως προς τα δεδομένα των εφαρμογών και αφετέρου για την υποβοήθηση του προσανατολισμού και, γενικότερα, της κατεύθυνσης της δειγματοληψίας επί της πλατφόρμας

Προσδιορισμός θέσης ετικετών RFID με πολυστατική ανάγνωση και νευρωνικά δίκτυα

Summarization: The use of low-cost, batteryless radio frequency identification (RFID) tags for efficient communication and localization via signal backscattering, has been recently established in research and industry scenarios. This work draws inspiration from a recently proposed multistatic localization technique, that exploits the form of ellipses in the plane, using phase information and potentially, (elliptical) direction-of-arrival. A 2D localization scheme is introduced, that exploits neural networks (NNs) for improved accuracy. Specifically, a Deep Feed Forward Neural Network is developed that performs regression for tag location estimation from phase-based measurements as input, offered from a custom multistatic RFID interrogation setup. In the first part, traditional techniques are contrasted with neural networks trained with 1,000,000 samples and, through simulation comparisons across an 8x4 m2 area, a pronounced advantage for the latter is demonstrated for random tag positions. Then, a substantially improved setup is presented which, by utilizing only one extra antenna, yields a remarkable 76% reduction in mean absolute error (MAE), in the order of 2.48 cm, while median absolute error is below 1 cm. Contrary to bibliography, it is proven that this outcome is not due to phase ambiguity, but the determining factor is the increased difference in the values of the phase-based inputs within the tested area, thus giving the neural network more diverse information to be trained upon. In the second part, experimental data are used to evaluate the efficiency of the neural networks in two real-world scenarios, with tags being positioned up to 1.2 meters away from the antennas and 44 samples taken in total. It is remarked that the system was trained with simulated data, while the experimental data mentioned above were only used for testing. This time, the NNs perform in a comparable fashion to the traditional methods, in both experimental scenarios, with MAE ranging from 19 cm (in the first) to 27 cm (in the second scenario) and the median within a centimeter of each other, at approximately 8.5 cm. Two major conclusions can be drawn from this thesis; firstly that NNs trained exclusively with simulated data can perform reasonably well with experimental (real-world) measurements, comparably to state-of-the-art methods; secondly, there is plenty room for improvement, by using experimental data for training, perhaps with a tag in a moving robotic platform, and carefully selected reader antenna placements, as already shown in simulations.Περίληψη: Τα τελευταία χρόνια, η χρήση παθητικών ετικετών RFID χαμηλού κόστους για αξιόπιστη επικοινωνία και προσδιορισμό θέσης έχει εδραιωθεί σε πολλούς τομείς, από την ακαδημαϊκή έρευνα μέχρι την βιομηχανία. Η παρούσα εργασία εμπνέεται από μια πρόσφατα δημοσιευμένη τεχνική πολυστατικού εντοπισμού, η οποία εκμεταλλεύεται την δημιουργία ελλείψεων στο επίπεδο, αξιοποιώντας μετρήσεις φάσης και κατεύθυνσης άφιξης (DoA). Παρουσιάζεται μια μέθοδος εντοπισμού σε δύο διαστάσεις, η οποία χρησιμοποιεί νευρωνικά δίκτυα (NN) για την βελτίωση της ακρίβειας. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσεται ένα Deep Feed Forward νευρωνικό δίκτυο που εκτιμά την θέση της ετικέτας, έχοντας ως εισόδους πολλαπλές μετρήσεις φάσεις από το πολυστατικό σύστημα. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής, συγκρίνονται οι συμβατικές τεχνικές με νευρωνικά δίκτυα εκπαιδευμένα σε 1.000.000 δείγματα και, μέσω προσομοιώσεων σε μια περιοχή 8x4 τ.μ., φανερώνεται ένα σημαντικό πλεονέκτημα για τα νευρωνικά, για τυχαίες θέσεις των ετικετών. Έπειτα, ένα σημαντικά βελτιωμένο σύστημα παρουσιάζεται, το οποίο χρησιμοποιεί μία μόνο επιπλέον κεραία λήψης και σημειώνει 76% μειωμένο μέσο απόλυτο σφάλμα, συγκριτικά με την προηγούμενη διάταξη, με τελική τιμή 2,48 εκ.. Μάλιστα, η διάμεσος των απόλυτων σφαλμάτων πέφτει κάτω από το ένα εκατοστό. Σε αντίθεση με τη βιβλιογραφία, αποδεικνύεται ότι αυτό το αποτέλεσμα δεν οφείλεται στις ασάφειες φάσεις, αλλά ο καθοριστικός παράγοντας είναι οι μεγαλύτερες διαφορές στην κατανομή των τιμών εισόδων μέσα στην περιοχή ενδιαφέροντος, παρέχοντας έτσι πλουσιότερη πληροφορία στο νευρωνικό δίκτυο για εκπαίδευση. Στο δεύτερο μέρος της διπλωματικής, χρησιμοποιούνται πειραματικά δεδομένα για να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα των νευρωνικών δικτύων σε δύο πραγματικά σενάρια, με ετικέτες να τοποθετούνται έως και 1,2 μέτρα μακριά από τις κεραίες, ενώ συνολικά ελέγχθηκαν 44 δείγματα. Σημειώνεται ότι το σύστημα εκπαιδεύτηκε με προσομοιώσεις δεδομένων, ενώ τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν μόνο για δοκιμή. Αυτή τη φορά, τα νευρωνικά παρουσιάζουν παρόμοιες επιδόσεις με τις συμβατικές μεθόδους και στα δύο πειραματικά σενάρια, με μέσο απόλυτο σφάλμα που κυμαίνεται από τα 19 εκατοστά στο πρώτο, έως τα 27 εκατοστά στο δεύτερο σενάριο. Η διάμεσος των απολύτων σφαλμάτων είναι παρόμοια στις δύο περιπτώσεις, περίπου στα 8,5 εκατοστά. Από αυτή τη διπλωματική διατριβή μπορούν να συναχθούν δύο βασικά συμπεράσματα: 1) Τα νευρωνικά που εκπαιδεύονται αποκλειστικά με προσομοιωμένα δεδομένα, μπορούν να επιτύχουν ικανοποιητικά αποτελέσματα με πειραματικές (πραγματικές) μετρήσεις, με απόδοση συγκρίσιμη των πιο αποδοτικών γνωστών μεθόδων. 2) Υπάρχει χώρος για βελτίωση, χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα για εκπαίδευση, ίσως με την χρήση κινούμενης ρομποτικής πλατφόρμας που μεταφέρει την ετικέτα, και προσεκτικά επιλεγμένες θέσεις κεραιών ανάγνωσης, όπως έχει ήδη αποδειχθεί στις προσομοιώσεις

Spatial qualities and internal reflections. Recollecting spatial experiences

Ερευνητική Εργασία που υποβλήθηκε στη σχολή Αρχιτεκτόνων Μηχανικών του Πολυτεχνείου Κρήτης, για την πλήρωση προϋποθέσεων πτυχίου.Περίληψη: Τι είναι στην ουσία ο χώρος και πώς βιώνεται από τον άνθρωπο; Η επίδρασή του μπορεί να είναι τόσο ισχυρή στην ψυχολογία του υποκειμένου ώστε να δημιουργεί αιώνιους δεσμούς μαζί του; Ο αρχιτεκτονημένος χώρος, δύναται να βοηθήσει στην ανάδυση των συναισθημάτων του χρήστη του; Αυτά, είναι τα καίρια ερωτήματα που απασχολούν και προσπαθούν να απαντηθούν στην εν λόγω εργασία, διά μέσου μίας προσωπικής αναπόλησης χώρων που κάποτε αλληλεπίδρασα μαζί τους και που με επηρέασαν. Οι τόποι που αναλύονται, είναι άλλοτε χώροι σπουδαίων αρχιτεκτόνων και άλλοτε οι απλοί καθημερινοί που φιλοξενούν τις στιγμές μας. Όλοι τους όμως έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό, διεγείρουν το συναίσθημα μέσα από μερικά συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής τους. Η ανάλυση της εργασίας λοιπόν, ξεκινάει από το θεωρητικό πλαίσιο στο οποίο εξετάζεται η έννοια του χώρου μέσα από το πρίσμα της φιλοσοφίας, της σχέσης του με τον άνθρωπο και τα νοήματα που μεταφέρει σε αυτόν, αλλά και την έννοια της ατμόσφαιρας. Το επόμενο κεφάλαιο, πραγματεύεται το πεδίο συνάντησης αρχιτεκτονικής και ψυχανάλυσης, όπου εξετάζονται οι κοινές έννοιες για τις δύο αυτές επιστήμες και αφορούν το δίπολο οικείο – ανοίκειο, τη φαντασίωση και τη μνήμη. Η κύρια έρευνα της εργασίας αναλύει τους χώρους που με επηρέασαν. Η αναφορά σε κάθε χώρο γίνεται με τη ματιά του παιδιού που πρώτη φορά αλληλεπιδρά με το χώρο και καταλήγει με την ερμηνευτική οπτική του σημερινού αρχιτέκτονα, που αναδύθηκε μέσα από αυτόν. Έτσι, η εργασία ολοκληρώνεται με το αρχιτεκτονικό λεξιλόγιο που αποκομίσαμε από την παραπάνω μελέτη, το οποίο ενισχύει τη χωρική εμπειρία και δημιουργεί τη λεγόμενη ποιητική αρχιτεκτονική που συγκινεί και δημιουργεί δεσμούς.Summarization: What is space essentially, and how is it experienced by humans? Can its impact on an individual's psychology be so strong as to create eternal bonds with it? Is it possible for architectural space to assist in evoking the user's emotions? These are the critical questions addressed and attempted to be answered in the present study, through a personal reflection on spaces that I once interacted with and that influenced me. The places analyzed vary from those designed by significant architects to simple everyday spaces that host our moments. However, they all share a common characteristic: they stimulate emotion through certain specific features of their architecture. The analysis in the paper begins with the theoretical framework where the concept of space is examined through the lens of philosophy, its relationship with humans, and the meanings it conveys to them, as well as the concept of atmosphere. The next chapter discusses the meeting ground of architecture and psychoanalysis, examining the common concepts for these two sciences related to the familiar – unfamiliar dichotomy, fantasy, and memory. The main research of the paper analyzes the spaces that influenced me. The discussion on each space starts from the perspective of a child who interacts with the space for the first time and concludes with the interpretative view of the modern architect that emerged from it. Thus, the study is completed with the architectural vocabulary gained from the above analysis, which enhances the spatial experience and creates the so-called poetic architecture that moves and creates bonds.Presented on

Ανάλυση ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος σε επιληψία μετά από διακρανιακή ηλεκτρική διέγερση με χρήση μοντέλων συνδεσιμότητας και μηχανική μάθηση

Summarization: Epilepsy constitutes a neurological disorder affecting approximately 50 million individuals globally, significantly impacting their quality of life. Conventionally, epilepsy symptoms are managed through the administration of antiepileptic drugs or, where feasible, through surgical intervention. However, the frequent cases of refractory focal epilepsy have highlighted the necessity for new, personalized therapeutic approaches. Among these, transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) has emerged as a promising potential solution. The present work, focuses on the study of EEG recordings deriving from a proof-of-principle N-of-1 trial study, whose scope was to investigate the effects of multi-channel (mc-) tDCS application on a patient with refractory focal epilepsy. A double-blind sham-controlled stimulation experiment was conducted in a two-week long stimulation trial. Distributed Constrained Maximum Intensity (D-CMI)-based-mc-tDCS and sham stimulation were applied twice every week-day for 20 minutes each. EEG data, was recorded for 1 hour before and after stimulation. Experts, marked a highly significant reduction in interictal spike frequency after the stimulation process, while this was not the case for sham. Our purpose, is to evaluate EEG connectivity patterns, using generalized Partial Directed Coherence (gPDC) before and after stimulation and sham procedures accordingly. The raw EEG recordings are segmented into 3-second long sub-signals, to which then gPDC is applied and studied. We further proceed to the extraction of connectivity and statistical features from this analysis, and provide this information to Machine Learning models, in order to verify and validate our connectivity findings. The final results are promising; the connectivity analysis performed on the EEG data validated the results which had already derived from the trial, the epileptogenic zone was confirmed, as also was the reduction of IEDs after the tDCS. Finally, the ML models' results validated the robustness of our connectivity study, highlighted by the decrease in class separability after the stimulation process but not after sham. Τhis research, contributes to gaining a deeper understanding of the neural mechanisms underlying epilepsy, utilizing a non-invasive modality, as is EEG. The ability to gather and analyze more extensive EEG data sets over longer periods, can enhance in the future the depth and reliability of our findings, offering a richer understanding of the effects of Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) on epilepsy.Περίληψη: Η επιληψία, αποτελεί μία από τις πιο κοινές νευρολογικές διαταραχές, πλήττοντας περίπου 50 εκατομμύρια άτομα παγκοσμίως και επηρεάζοντας σημαντικά την ποιότητα ζωής τους. Συμβατικά, τα συμπτώματα της επιληψίας διαχειρίζονται μέσω της χορήγησης αντιεπιληπτικών φαρμάκων ή, όπου είναι εφικτό, μέσω χειρουργικής επέμβασης. Ωστόσο, η συχνή εμφάνιση περιπτώσεων φαρμακο-ανθεκτικής, μη χειρουργήσιμης επιληψίας, μας ωθεί στην αναζήτηση νέων, εξατομικευμένων, μεθόδων θεραπείας. Μεταξύ αυτών, η άμεση Διακρανιακή Ηλεκτρική Διέγερση (tDCS) έχει αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενη λύση. Η παρούσα εργασία εστιάζει στη μελέτη εγκεφαλογραφημάτων (ΗΕΓ) που προέρχονται από μία N-of-1 μελέτη με στόχο την εξέταση της επίδρασης της εφαρμογής πολυκαναλικής tDCS (mc-tDCS) σε ασθενή με φαρμακοανθεκτική επιληψία. Σε αυτό το πλαίσιο, είχε διεξαχθεί ένα Distributed Constrained Maximum Intensity (D-CMI)-based-mc-tDCS and sham stimulation πείραμα συνολικής διάρκειας δύο εβδομάδων. Τόσο το πείραμα πραγματικής διέγερσης όσο και εικονικής εφαρμόστηκαν δύο φορές κάθε εργάσιμη ημέρα της εβδομάδας για 20 λεπτά η κάθε μία. Τα δεδομένα ΗΕΓ καταγράφηκαν για 1 ώρα πριν και μετά τη διέγερση. Οι ειδικοί, διαπίστωσαν μία ιδιαίτερα σημαντική μείωση της συχνότητας εμφάνισης επιληπτικών κρίσεων μετά τη διαδικασία διέγερσης, ενώ δεν παρατηρήθηκε κάτι αντίστοιχο μετά την εικονική διέγερση. Σκοπός μας, είναι να αξιολογήσουμε τα μοτίβα συνδεσιμότητας που προκύπτουν από τη μελέτη των καταγραφών ΗΕΓ, με την εφαρμογή της μεθόδου γενικευμένης Μερικής Κατευθυνόμενης Συνάφειας (gPDC) πριν και μετά την πραγματική και εικονική διέγερση αντίστοιχα. Οι αρχικές καταγραφές, διαιρέθηκαν σε υποσήματα διάρκειας 3 δευτερολέπτων, στα οποία μετέπειτα εφαρμόστηκε και μελετήθηκε η gPDC. Κατόπιν, τα χαρακτηριστικά που προέκυψαν από την προαναφερθείσα μελέτη συνδεσιμότητας καθώς και κάποια στατιστικά μεγέθη, εισήχθησαν σε μοντέλα Μηχανικής Μάθησης, προκειμένου να επικυρωθούν τα προγενέστερα ευρήματά μας. Τα τελικά αποτελέσματα κρίνονται ενθαρρυντικά, καθώς η ανάλυση συνδεσιμότητας επικύρωσε τα αποτελέσματα που είχαν προκύψει από το αρχικό πείραμα, επιβεβαιώθηκε η επιληπτογόνος περιοχή, όπως και η μείωση των καταγεγραμμένων επιληπτικών κρίσεων μετά την πραγματική ηλεκτρική διέγερση. Τέλος, τα μοντέλα μηχανικής μάθησης επιβεβαίωσαν τη μελέτη συνδεσιμότητας μέσω της εμφανούς μείωσης ποσοστών επιτυχημένου διαχωρισμού των κλάσεων από τα μοντέλα πρίν και μετά την πραγματική διέγερση, ενώ δεν παρατηρήθηκε κάτι αντίστοιχο για την εικονική. Η παρούσα εργασία, επιχειρεί να συμβάλλει στην περαιτέρω διερεύνηση και κατανόηση των νευρικών μηχανισμών και συνδέσεων που υπόκεινται της επιληψίας, χρησιμοποιώντας μία μη επεμβατική μέθοδο καταγραφής δεδομένων. Η δυνατότητα συλλογής και ανάλυσης δεδομένων για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους μπορεί να ενισχύσει μελλοντικά το βάθος και την αξιοπιστία των ευρημάτων της συγκεκριμένης ανάλυσης, προσφέροντας μία πιο πλούσια κατανόηση των επιδράσεων της διακρανιακής ηλεκτρικής διέγερσης στην επιληψία

Εκχύλιση με καρβοξυλικά οξέα μετάλλων στρατηγικής σημασίας από ιπτάμενη τέφρα Αγ. Δημητρίου Κοζάνης. Ανάλυση αποτελεσμάτων με μεθόδους στατιστικής προσομοίωσης

Περίληψη: Σκοπός της παρούσας εργασίας, είναι η διερεύνηση της δυνατότητας εκχύλισης, με καρβοξυλικά οξέα, μετάλλων στρατηγικής σημασίας από ιπτάμενη τέφρα που προέρχεται από την καύση λιγνίτη της περιοχής του Αγίου Δημητρίου Κοζάνης. Επιλέχθηκε το οξικό και το κιτρικό οξύ, ως πιο φιλικά προς το περιβάλλον μέσα εκχύλισης και τα μέταλλα που εξετάστηκαν ήταν: Li, La, Ce, Cr, Ni, Zn, Co και Mn. Πραγματοποιήθηκαν: Α) Χαρακτηρισμός του δείγματος της ιπτάμενης τέφρας: Ορυκτολογική ανάλυση με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (XRD) Χημική ανάλυση (κύρια στοιχεία) με φασματομετρία ακτίνων Χ φθορισμού (XRF) Ποσοτικός προσδιορισμός της περιεκτικότητας των στοιχείων ενδιαφέροντος με φασματομετρία μάζας επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ICP-MS). Β) Εκχυλίσεις με καρβοξυλικά οξέα Πραγματοποιήθηκαν εκχυλίσεις με κιτρικό και οξικό οξύ και μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας του χρόνου και της συγκέντρωσης του οξέος στη διαδικασία. Γ) Στατιστική προσομοίωση Πραγματοποιήθηκε προσομοίωση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Monte Carlo με εστίαση στην ομοιόμορφη κατανομή πιθανοτήτων. Οι περιεκτικότητες που προσδιορίστηκαν για τα στοιχεία Li, La, Ce, Cr, Ni, Zn, Co και Mn, είναι 126, 44, 81, 285, 229, 58, 17 και 384 mg/kg αντίστοιχα. Από τις δοκιμές εκχύλισης που πραγματοποιήθηκαν παρατηρήθηκε ότι η ανάκτηση των μετάλλων κυμάνθηκε από 10% έως 71%. Τέλος μέσω της στατιστικής ανάλυσης, προσδιορίστηκε η βέλτιστη καμπύλη προσομοίωσης για τη μεταβολή της ποσοστιαίας ανάκτησης σε σχέση με το χρόνο τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση του οξέος

Εργαστηριακή διερεύνηση της δυνατότητας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας σε τσιμεντοκονιάματα με την προσθήκη ζεολίθων

Περίληψη: Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ανάπτυξη τσιμεντοκονιαμάτων με πρόσθετο υλικό το βιομηχανικό πέτρωμα του ζεολίθου, με σκοπό τον προσδιορισμό δυνατότητας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και μίας πιθανής χρήσης δομικών υλικών ως υλικά αποθήκευσης ενέργειας. Το τσιμέντο τύπου CEM II/B-M (P-LL) 42.5N, η λατομική άμμος, ο ζεόλιθος και τα πλέγματα που χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια, αγοράστηκαν από το εμπόριο. Ο ζεόλιθος υπέστη διαδικασίες λειοτρίβησης, κοσκίνισης (-75μm) και έγινε προσδιορισμός της χημικής και ορυκτολογικής του σύστασης, ενώ μια ποσότητα του κοσκινισμένου κλάσματος ενεργοποιήθηκε σε διάλυμα νιτρικού αμμωνίου (NH4ΝΟ3). Οι κύριες κρυσταλλικές φάσεις του ζεόλιθου που προσδιορίστηκαν ήταν ο κλινοπτιλόλιθος και ο ευλανδίτης. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε εν ξηρώ ανάμειξη των υλικών και δημιουργήθηκαν τρεις συνθέσεις κατάλληλες για παραγωγή τσιμεντοκονιαμάτων. Η σύνθεση αναφοράς (REF) αποτελούμενη από 20% τσιμέντο και 80% λατομική άμμο (κ.β.), η σύνθεση NAZ, όπου υποκαταστάθηκε το 20% του τσιμέντου από τον ζεόλιθο και η σύνθεση ΑΖΑΝ όπου υποκαταστάθηκε το 20% του τσιμέντου από τον ενεργοποιημένο με NH4ΝΟ3 ζεόλιθο. Για τις συνθέσεις REF και ΑΖΑΝ χρησιμοποιήθηκε λόγος νερού προς τσιμέντο στα 0.5, ενώ για την σύνθεση ΝΑΖ επιλέχθηκε στα 0.58, κατά την διαδικασία ανάμιξης για την εξασφάλιση της απαιτούμενης εργασιμότητας του νωπού μίγματος. Η μορφοποίηση των δοκιμίων έγινε με χύτευση σε τρίδυμη κυβική μήτρα, με διαστάσεις κυψέλης 5cm x 5cm x 5cm, με τμηματική χύτευση τοποθετώντας τέσσερα ηλεκτρόδια σε κάθε δοκίμιο τα οποία σε ζεύγη απείχαν 4mm, 8mm και 16mm. Τα δοκίμια μετά την αποκαλούπωση τοποθετήθηκαν σε θάλαμο ωρίμανσης και πραγματοποιήθηκε σειρά μετρήσεων υγρασίας, κυκλικής βολταμετρίας (Cyclic Voltammetry ή CV) και προσδιορισμού της σύνθετης ηλεκτροχημικής αντίστασης με τη αντίστοιχη μέθοδο (Electrical Impedance Spectroscopy ή EIS). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στις προκαθορισμένες ημέρες που ορίζονται από το πρότυπο για την παρακολούθηση τσιμεντοκονιαμάτων εντός και εκτός θαλάμου ωρίμανσης. Από τις μετρήσεις CV και EIS φάνηκε ότι καθοριστικό ρόλο στην ηλεκτροχημική συμπεριφορά των δοκιμίων διαδραματίζει η περιεχόμενη υγρασία και ο χρόνος ωρίμανσης. Με βάση τα διαγράμματα κυκλικής βολταμετρίας προέκυψε ότι το ηλεκτροχημικό σύστημα που μελετήθηκε συμπεριφέρεται ως ένας μη ιδανικός ηλεκτροχημικός πυκνωτής διπλής στοιβάδας (Electrical Double Layer Capacitor). Με βάση τη μορφή των διαγραμμάτων CV και EIS επιλέχθηκε το ηλεκτροχημικό μοντέλο Randles ως το πλέον κατάλληλο για τον προσδιορισμό των ηλεκτροχημικών παραμέτρων του συστήματος (αντιστάσεις Rs, Rp και χωρητικότητα Cdl). Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προέκυψε ότι η προσθήκη ζεόλιθου στα συμβατικά τσιμεντοκονιάματα επιτρέπει την διατήρηση της χωρητικής τους συμπεριφοράς και μετά την ωρίμανση τους. Τα δοκίμια των συνθέσεων ΑΖΑΝ και NAZ στις 58 ημέρες είχαν πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα (130 και 170 mF/m2 αντίστοιχα) από εκείνη του δοκιμίου της σύνθεσης REF (0.2 mF/m2). Η τιμή αυτή καθιστά τα τσιμεντοκονιάματα με προσθήκη ζεολίθου ως υλικά που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για περαιτέρω έρευνα σε εφαρμογές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας