Formal methods applied to the analysis of phylogenies: Phylogenetic model checking

Los árboles filogenéticos son abstracciones útiles para modelar y caracterizar la evolución de un conjunto de especies o poblaciones respecto del tiempo. La proposición, verificación y generalización de hipótesis sobre un árbol filogenético inferido juegan un papel importante en el estudio y comprensión de las relaciones evolutivas. Actualmente, uno de los principales objetivos científicos es extraer o descubrir los mensajes biológicos implícitos y las propiedades estructurales subyacentes en la filogenia. Por ejemplo, la integración de información genética en una filogenia ayuda al descubrimiento de genes conservados en todo o parte del árbol, la identificación de posiciones covariantes en el ADN o la estimación de las fechas de divergencia entre especies. Consecuentemente, los árboles ayudan a comprender el mecanismo que gobierna la deriva evolutiva. Hoy en día, el amplio espectro de métodos y herramientas heterogéneas para el análisis de filogenias enturbia y dificulta su utilización, además del fuerte acoplamiento entre la especificación de propiedades y los algoritmos utilizados para su evaluación (principalmente scripts ad hoc). Este problema es el punto de arranque de esta tesis, donde se analiza como solución la posibilidad de introducir un entorno formal de verificación de hipótesis que, de manera automática y modular, estudie la veracidad de dichas propiedades definidas en un lenguaje genérico e independiente (en una lógica formal asociada) sobre uno de los múltiples softwares preparados para ello. La contribución principal de la tesis es la propuesta de un marco formal para la descripción, verificación y manipulación de relaciones causales entre especies de forma independiente del código utilizado para su valoración. Para ello, exploramos las características de las técnicas de model checking, un paradigma en el que una especificación expresada en lógica temporal se verifica con respecto a un modelo del sistema que representa una implementación a un cierto nivel de detalle. Se ha aplicado satisfactoriamente en la industria para el modelado de sistemas y su verificación, emergiendo del ámbito de las ciencias de la computación. Las contribuciones concretas de la tesis han sido: A) La identificación e interpretación de los árboles filogeneticos como modelos de la evolución, adaptados al entorno de las técnicas de model checking. B) La definición de una lógica temporal que captura las propiedades filogenéticas habituales junto con un método de construcción de propiedades. C) La clasificación de propiedades filogenéticas, identificando categorías de propiedades según estén centradas en la estructura del árbol, en las secuencias o sean híbridas. D) La extensión de las lógicas y modelos para contemplar propiedades cuantitativas de tiempo, probabilidad y de distancias. E) El desarrollo de un entorno para la verificación de propiedades booleanas, cuantitativas y paramétricas. F) El establecimiento de los principios para la manipulación simbolica de objetos filogenéticos, p. ej., clados. G) La explotación de las herramientas de model checking existentes, detectando sus problemas y carencias en el campo de filogenia y proponiendo mejoras. H) El desarrollo de técnicas "ad hoc" para obtener ganancia de complejidad alrededor de dos frentes: distribución de los cálculos y datos, y el uso de sistemas de información. Los puntos A-F se centran en las aportaciones conceptuales de nuestra aproximación, mientras que los puntos G-H enfatizan la parte de herramientas e implementación. Los contenidos de la tesis están contrastados por la comunidad científica mediante las siguientes publicaciones en conferencias y revistas internacionales. La introducción de model checking como entorno formal para analizar propiedades biológicas (puntos A-C) ha llevado a la publicación de nuestro primer artículo de congreso [1]. En [2], desarrollamos la verificación de hipótesis filogenéticas sobre un árbol de ejemplo construido a partir de las relaciones impuestas por un conjunto de proteínas codificadas por el ADN mitocondrial humano (ADNmt). En ese ejemplo, usamos una herramienta automática y genérica de model checking (punto G). El artículo de revista [7] resume lo básico de los artículos de congreso previos y extiende la aplicación de lógicas temporales a propiedades filogenéticas no consideradas hasta ahora. Los artículos citados aquí engloban los contenidos presentados en las Parte I--II de la tesis. El enorme tamaño de los árboles y la considerable cantidad de información asociada a los estados (p.ej., la cadena de ADN) obligan a la introducción de adaptaciones especiales en las herramientas de model checking para mantener un rendimiento razonable en la verificación de propiedades y aliviar también el problema de la explosión de estados (puntos G-H). El artículo de congreso [3] presenta las ventajas de rebanar el ADN asociado a los estados, la partición de la filogenia en pequeños subárboles y su distribución entre varias máquinas. Además, la idea original del model checking rebanado se complementa con la inclusión de una base de datos externa para el almacenamiento de secuencias. El artículo de revista [4] reúne las nociones introducidas en [3] junto con la implementación y resultados preliminares presentados [5]. Este tema se corresponde con lo presentado en la Parte III de la tesis. Para terminar, la tesis reaprovecha las extensiones de las lógicas temporales con tiempo explícito y probabilidades a fin de manipular e interrogar al árbol sobre información cuantitativa. El artículo de congreso [6] ejemplifica la necesidad de introducir probabilidades y tiempo discreto para el análisis filogenético de un fenotipo real, en este caso, el ratio de distribución de la intolerancia a la lactosa entre diversas poblaciones arraigadas en las hojas de la filogenia. Esto se corresponde con el Capítulo 13, que queda englobado dentro de las Partes IV--V. Las Partes IV--V completan los conceptos presentados en ese artículo de conferencia hacia otros dominios de aplicación, como la puntuación de árboles, y tiempo continuo (puntos E-F). La introducción de parámetros en las hipótesis filogenéticas se plantea como trabajo futuro. Referencias [1] Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, José Ignacio Requeno, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. In Proceedings IEEE International Workshop on Mining and Management of Biological and Health Data, pages 152-157. IEEE, 2010. [2] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Phylogenetic analysis using an SMV tool. In Miguel P. Rocha, Juan M. Corchado Rodríguez, Florentino Fdez-Riverola, and Alfonso Valencia, editors, Proceedings 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 167-174. Springer, Berlin, 2011. [3] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Sliced model checking for phylogenetic analysis. In Miguel P. Rocha, Nicholas Luscombe, Florentino Fdez-Riverola, and Juan M. Corchado Rodríguez, editors, Proocedings 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 154 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 95-103. Springer, Berlin, 2012. [4] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Model checking software for phylogenetic trees using distribution and database methods. Journal of Integrative Bioinformatics, 10(3):229-233, 2013. [5] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Speeding up phylogenetic model checking. In Mohd Saberi Mohamad, Loris Nanni, Miguel P. Rocha, and Florentino Fdez-Riverola, editors, Proceedings 7th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 222 of Advances in Intelligent Systems and Computing, pages 119-126. Springer, Berlin, 2013. [6] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Timed and probabilistic model checking over phylogenetic trees. In Miguel P. Rocha et al., editors, Proceedings 8th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, Advances in Intelligent and Soft Computing. Springer, Berlin, 2014. [7] José Ignacio Requeno, Gregorio de Miguel Casado, Roberto Blanco, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10(4):1058-1070, 2013

Evolutionary-based global localization and mapping of three dimensional environments

A fully autonomous robot must obtain and interpret information about the environment to execute several tasks. The mobile robot mapping or SLAM problem is closely related to these abilities. It consists of interpreting the information perceived by its sensors in order to build map and localize itself in it. There are many other robot skills that depend on this task; thus, it is one of the most important problems to be solved by a truly autonomous robot. The objective of this work is to design various specific tools related to the mapping problem in order to improve the autonomy of MANFRED-2, which is a mobile robot fully developed by the Robotics Lab research group of the Systems Engineering and Automation Department of the Carlos III University of Madrid. The localization problem in mobile robotics can be defined as the search of the robot's coordinates in a known environment. If there is no information about the initial location, we are talking about global localization. In this work, we have developed an algorithm that solves this problem in a three-dimensional environment using Differential Evolution, which is a particle-based evolutionary algorithm that evolves in time to the solution that yields the cost function lowest value. The proposed method has many features that make it very robust and reliable: thresholding and discarding mechanisms, different cost functions, effective convergence criteria, and so on. The resulting global localization module has been tested in numerous experiments. The high accuracy of the method allows its application in manipulation tasks. If the environment information is given by laser readings, it is essential to correct the local errors between pairs of scans to improve the map quality, which is called registration or scan matching. We have implemented a scan matching algorithm for three-dimensional environments. It is also based on the Differential Evolution method. The high accuracy and computational effi ciency of the proposed method have been demonstrated with experimental results. The last problem addressed here consists of detecting when the robot is navigating through a known place (loop detection). After that, the accumulated error can be minimized to give consistency to the global map (loop closure). We have developed a loop detection method that compares features extracted from two different scans to obtain a loop indicator. This approach allows the introduction of very different characteristics in the descriptor. First, the surface features include the geometric forms of the scan (lines, planes, and spheres). Second, the numerical features describe other several properties (volume, average range, curvature, etc.). The algorithm has been tested with real data to demonstrate its effi ciency. All true loops are correctly detected and no false detections are appreciated when the mobile robot is covering a long trajectory. The results are similar or even better than those obtained by other research groups. In addition, it is a more versatile method because it admits a wide variety of scan properties and different weights in the comparison formula. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Un robot completamente autónomo debe ser capaz de obtener e interpretar la información del entorno para ejecutar diversas tareas. El problema de mapeado o SLAM para robots móviles está estrechamente relacionado con estas habilidades. Consiste en interpretar la infomació percibida por sus sensores para construir un mapa y localizarse. Hay muchas otras tareas que dependen del mapeado, luego este es uno de los problemas más importantes para un robot móvil. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de varias herramientas específicas relacionadas con el mapeado de entornos tridimensionales. Con ellas se mejorar a la autonomía del robot manipulador MANFRED-2, que es un robot móvil desarrollado íntegramente en el Robotics Lab del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid. El problema de localización para un robot móvil puede ser de nido como la búsqueda de las coordenadas del robot dentro de un entorno conocido. Si no hay información sobre la localización inicial, el problema se denomina localización global. En este trabajo se ha desarrollado un módulo que soluciona este problema para entornos tridimensionales utilizando el algoritmo Differential Evolution, el cual es un filtro evolutivo basado en part culas que evolucionan con el tiempo hacia la solución que tiene asociado un mejor valor para una función de coste dada. El algoritmo desarrollado tiene diversas características que lo hacen muy robusto y fiable: mecanismos de umbralización y descarte, diferentes funciones de coste, criterios de convergencia efectivos, etc. El módulo de localización global se ha probado en m últiples experimentos. La elevada precisión de este método permite que el robot sea utilizado en tareas de manipulación. Si la información del entorno viene dada por barridos de un láser, es muy importante que se pueda corregir el error local entre pares de barridos para mejorar la calidad del mapa. Este proceso se conoce como registro o scan matching. Hemos implementado un algoritmo que resuelve este problema en entornos tridimensionales. Est a tambi en basado en el Differential Evolution. Si se elige la función de forma adecuada es posible resolver el problema de scan matching utilizando este método. La elevada precisión y la eficiencia computacional se han demostrado en los resultados experimentales. El último problema abordado aquí consiste en detectar cuando el robot está navegando por un entorno conocido. Después de esto se podrá minimizar el error acumulado para aumentar la consistencia del mapa. La tarea de detecci on se llama usualmente detección de bucles, mientras que la minimización del error es el cierre del bucle. Se ha desarrollado un algoritmo de detección que extrae las características más importantes de dos barridos del láser para obtener un indicador que es usado como umbral para detectar si el robot está en un lugar que ha visitado previamente. Nuestro método permite tener en cuenta características muy diferentes. Primero, las caractrísticas de superficie permiten incluir las formas geométricas presentes en el barrido (líneas, planos y esferas). Segundo, las características numéricas permiten describir diversas propiedades (volumen, rango medio, curvatura, etc.). El algoritmo ha sido probado con datos reales para demostrar su eficiencia. Todos los bucles son detectados correctamente y no se aprecian falsos positivos cuando el robot está navegando por una trayectoria larga con varios bucles. Los resultados son parecidos o mejores que los que obtienen otros grupos de investigación. Además, este es un m etodo muy versátil pues admite multitud de variables y diferentes pesos en la fórmula de comparación

Physical principles of memory and logic devices based on nanostructured Dirac materials

During the las decades, the silicon-based semiconductor industry has enabled higher performance per cost of integrated circuits due to the ability of nearly doubling the amount of transistors per chip every two years, however, this has resulted in overheating issues and fundamental manufacturing problems that are very di¿cult to solve. Therefore, Dirac materials (DMs), such as graphene and topological insulators (TIs), are being extensively investigated as possible candidates for replacing silicon-channel devices in the next-generation integrated circuits, due to their attractive ultrahigh carrier mobility and possibility of quantum e¿ects that may be useful for electronic applications. This requires to study the physical principles of such nanostructures to e¿ectivelypredictthequantumtransportbehaviorofpossibledevices. Theaimofthis work is to explore the physical properties of Dirac material-based nanostructures that could be used for novel memory and logic devices, by using tight-binding (TB) and density function theory (DFT) methods combined with the non-equilibrium function (NEGF) formulationDoctoradoDOCTOR(A) EN INGENIERÍA ELECTRICA Y ELECTRÓNIC

Self-Assembled Supramolecular Squares from Chiral [4,4’]-Bipyridines and Mass Spectrometric Investigations of Oligothiophene-Based Catenates and Catenanes

Self-Assembled Supramolecular Squares from Chiral [4,4']-Bipyridines Self-Assembled Supramolecular Squares are synthesised from two different building blocks: Bidentate metal complexes (90°, palladium and platinum) and bidentate organic ligands (180°, [4,4']-bipyridines). In principle, 560 isomers can be formed, when dissymmetrical ligands are used (symmetry reduction). In this thesis, amino acid decorated [4,4']-bipyridines and axially chiral [4,4']-bipyridines were synthesised and used in self assembly reactions, to yield only one out of theses 560 isomers. Mass Spectrometric Investigations of Oligothiophene-Based Catenates and Catenanes α-Conjugated macrocyclic oligothiophenes have shown intriguing electronic and selfassembling properties as a result of their circular structure. Evidence for their interlocked structures comes from NMR spectroscopy as well as tandem mass spectrometry. These mass spectrometric investigations are presented herein. Platinum containing a-conjugated macrocyclic oligothiophenes show reductive elimination of metal complexes in the highly diluted gas phase

Technology for large space systems: A special bibliography with indexes (supplement 01)

This bibliography lists 180 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between January 1, 1979 and June 30, 1979. Its purpose is to provide helpful information to the researcher, manager, and designer in technology development and mission design in the area of the Large Space Systems Technology (LSST) Program. Subject matter is grouped according to systems, interactive analysis and design, structural concepts, control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion, and flight experiments

Automated Reasoning

This volume, LNAI 13385, constitutes the refereed proceedings of the 11th International Joint Conference on Automated Reasoning, IJCAR 2022, held in Haifa, Israel, in August 2022. The 32 full research papers and 9 short papers presented together with two invited talks were carefully reviewed and selected from 85 submissions. The papers focus on the following topics: Satisfiability, SMT Solving,Arithmetic; Calculi and Orderings; Knowledge Representation and Jutsification; Choices, Invariance, Substitutions and Formalization; Modal Logics; Proofs System and Proofs Search; Evolution, Termination and Decision Prolems. This is an open access book

European Avant-Garde: Art, Borders and Culture in Relationship to Mainstream Cinema and New Media

This research analyses the impact of transformation and hybridization processes at the intersection of art, science and technology. These forms of transformation and hybridization are the result of contemporary interactions between classic and digital media. It discusses the concept of 'remediation' presented by Bolter and proposes the concept of 'digital ekphrasis,' which is based on Manovich' s analyses of the interactions between classic and digital media. This is a model which, borrowed from semiotic structures, encompasses the technical as well as aesthetic and philosophical transformations of contemporary media. The thesis rejects Baudrillard's and Virilio's proposed concepts of 'digital black hole' as the only possible form of evolution of contemporary digital media. It proposes a different concept for the evolutionary model of contemporary hybridization processes based on contemporary forms of hybridizations that are rooted in aesthetic, philosophical and technological developments. This concept is argued as emancipated from the 'religious' idea of a 'divine originated' perfect image that Baudrillard and Virilio consider to be deteriorated from contemporary hybridization experimentation. The thesis proposes, through historical examples in the fine arts, the importance of transmedia migrations and experimentations as the framework for a philosophical, aesthetic and technological evolutionary concept of humanity freed from the restrictions of religious imperatives

Guaranteeing generalisation in neural networks

Neural networks need to be able to guarantee their intrinsic generalisation abilities if they are to be used reliably. Mitchell's concept and version spaces technique is able to guarantee generalisation in the symbolic concept-learning environment in which it is implemented. Generalisation, according to Mitchell, is guaranteed when there is no alternative concept that is consistent with all the examples presented so far, except the current concept, given the bias of the user. A form of bidirectional convergence is used by Mitchell to recognise when the no-alternative situation has been reached. Mitchell's technique has problems of search and storage feasibility in its symbolic environment. This thesis aims to show that by evolving the technique further in a neural environment, these problems can be overcome. Firstly, the biasing factors which affect the kind of concept that can be learned are explored in a neural network context. Secondly, approaches for abstracting the underlying features of the symbolic technique that enable recognition of the no-alternative situation are discussed. The discussion generates neural techniques for guaranteeing generalisation and culminates in a neural technique which is able to recognise when the best fit neural weight state has been found for a given set of data and topology