Preserving neural function under extreme scaling

Important brain functions need to be conserved throughout organisms of extremely varying sizes. Here we study the scaling properties of an essential component of computation in the brain: the single neuron. We compare morphology and signal propagation of a uniquely identifiable interneuron, the HS cell, in the blowfly (Calliphora) with its exact counterpart in the fruit fly (Drosophila) which is about four times smaller in each dimension. Anatomical features of the HS cell scale isometrically and minimise wiring costs but, by themselves, do not scale to preserve the electrotonic behaviour. However, the membrane properties are set to conserve dendritic as well as axonal delays and attenuation as well as dendritic integration of visual information. In conclusion, the electrotonic structure of a neuron, the HS cell in this case, is surprisingly stable over a wide range of morphological scales

Modelling of surfactant-driven front instabilities in spreading bacterial colonies

The spreading of bacterial colonies at solid-air interfaces is determined by the physico-chemical properties of the involved interfaces. The production of surfactant molecules by bacteria is a widespread strategy that allows the colony to efficiently expand over the substrate. On the one hand, surfactant molecules lower the surface tension of the colony, effectively increasing the wettability of the substrate, which facilitates spreading. On the other hand, gradients in the surface concentration of surfactant molecules result in Marangoni flows that drive spreading. These flows may cause an instability of the circular colony shape and the subsequent formation of fingers. In this work, we study the effect of bacterial surfactant production and substrate wettability on colony growth and shape within the framework of a hydrodynamic thin film model. We show that variations in the wettability and surfactant production are sufficient to reproduce four different types of colony growth, which have been described in the literature, namely, arrested and continuous spreading of circular colonies, slightly modulated front lines and the formation of pronounced fingers

TDOA--based localization in two dimensions: the bifurcation curve

In this paper, we complete the study of the geometry of the TDOA map that encodes the noiseless model for the localization of a source from the range differences between three receivers in a plane, by computing the Cartesian equation of the bifurcation curve in terms of the positions of the receivers. From that equation, we can compute its real asymptotic lines. The present manuscript completes the analysis of [Inverse Problems, Vol. 30, Number 3, Pages 035004]. Our result is useful to check if a source belongs or is closed to the bifurcation curve, where the localization in a noisy scenario is ambiguous.Comment: 11 pages, 3 figures, to appear in Fundamenta Informatica

Nanoseismic monitoring for detection of rockfalls. Experiments in quarry areas

Le frane per crollo da ammassi rocciosi fratturati sono tra i processi di instabilità gravitativa che più frequentemente interessano opere antropiche quali tagli su versanti naturali o artificiali, pareti di cava, trincee stradali, autostradali o ferroviarie, sia per ciò che attiene le aree di distacco che per quelle di accumulo. Nell’ambito dell’applicazione di sistemi di early warning per la gestione del rischio geologico legato a queste tipologie di frana, una sperimentazione della tecnica del monitoraggio nanosismometrico è stata effettuata presso due siti estrattivi non più in attività: le “Pirrere” della Baia di Cala Rossa sull’isola di Favignana (Trapani), in Sicilia, e la cava dismessa di Acuto (Frosinone), in Italia Centrale. Il monitoraggio nanosismometrico è una tecnica di indagine che consente di individuare e localizzare deboli eventi sismici, fino a magnitudo locale (ML) nell’ordine di -3, attraverso l’impiego di quattro sensori sismometrici disposti secondo una specifica geometria di array detta SNS (Seismic Navigation System). Nel presente lavoro, mediante il software NanoseismicSuite sono stati analizzati 73 eventi di crollo indotti artificialmente attraverso la caduta controllata di blocchi di roccia nei due siti estrattivi abbandonati; sono stati lanciati, simulando fenomeni di rockfalls, rispettivamente 47 blocchi di roccia nella cava di Acuto e 26 eventi in quattro diverse cave a cielo aperto presenti nel settore occidentale di Cala Rossa. Tali eventi, avendo punto epicentrale noto, hanno permesso di determinare il miglior modello di sottosuolo in termini di valori di velocità delle onde P ed S attraverso un’operazione di back analysis. L’analisi è stata, infatti, effettuata variando i valori di velocità e scegliendo quelli relativi all’epicentro teorico ottenuto dall’analisi dell’evento che fosse il più vicino possibile al punto reale di impatto del blocco di roccia. Al fine di valutare la sensibilità della geometria dell’array SNS e l’influenza del sito di installazione sulla capacità di individuare e localizzare gli eventi, le sperimentazioni sono state condotte sia variando il raggio di apertura che la zona di installazione degli array: presso Acuto le acquisizioni di segnale sono state condotte prima con un array SNS con apertura di 20 m e successivamente con un array di apertura 10 m, mentre presso Cala Rossa l’array è stato installato alternativamente all’aperto in un’area di plateau roccioso ed in una galleria facente parte dell’area di cava abbandonata. Analizzando i dati si è ottenuta una precisione dell’ubicazione epicentrale compresa tra il 10 ed il 22% della distanza che intercorre tra la sorgente e l’array nanosismometrico. Il miglior modello di sottosuolo ottenuto per entrambi i casi di studio è risultato avere una velocità delle onde P pari a 900 m/s ed un rapporto VP/VS pari a 1.73, valori in accordo con le condizioni di intenso stato di fratturazione delle rocce carbonatiche affioranti nelle due zone di cava. Per gli eventi di crollo indotti la magnitudo ML è risultata essere compresa tra -2.8 e -1.3; considerando l’energia sviluppata dall’impatto, legata alla massa del blocco ed all’altezza e alla velocità di caduta, non è stato possibile definire una relazione tra magnitudo ed energia, probabilmente a causa delle differenti caratteristiche del punto di impatto dei diversi blocchi. In generale, si è osservato che la precisione di ubicazione degli eventi, in termini di azimuth e distanza dal reale epicentro, è risultata paragonabile sia variando l’apertura dell’array che variando il sito di installazione. Per il sito sperimentale di Acuto, il processo di picking manuale del tempo di primo arrivo delle onde P è risultato essere più affidabile nel caso di array con apertura pari a 10 m. La sperimentazione effettuata a Cala Rossa ha permesso, invece, di osservare una migliore capacità di individuazione degli eventi nelle tracce relative all’array posizionato in galleria a causa della minore rumorosità di base del sito di installazione. Tra le registrazioni sismometriche sono state identificate varie tipologie di segnali, oltre a quelli generati dal lancio dei blocchi, alcune riconducibili ad eventi naturali di crollo altre a deboli terremoti. L’analisi dei segnali riferibili alla prima tipologia di eventi naturali, effettuata tenendo in considerazione i modelli di sottosuolo precedentemente calibrati, ha portato all’identificazione in ambedue i siti di aree aventi maggiore suscettibilità a frane per crollo. In definitiva, si può ritenere che i risultati ottenuti in questo studio siano incoraggianti rispetto all’efficacia della tecnica di monitoraggio nanosismometrico nell’individuazione e nell’ubicazione di fenomeni di crollo in roccia e portano a ritenere questa tecnica potenzialmente applicabile in aree in cui tali eventi possono interferire con infrastrutture antropiche.In the frame of early warning and risk mitigation studies for landslide processes involving rock masses, two quarry areas (Cala Rossa Bay in Sicily and Acuto in Central Italy) were monitored with SNS (Seismic Navigation System) arrays. In this study, 73 rockfalls were simulated by launches of rock blocks. This allowed to perform a back analysis for defining the best seismic velocity model of the subsoil half-space; the records related to each impact caused by the rock block launch were managed by the nanoseismic monitoring approach, varying the velocity model to obtain a theoretical epicentre as close as possible to the actual location of the impact point. In order to evaluate the sensibility of the SNS array, the results obtained by different array apertures and positions were compared in terms of azimuth and distance error with respect to the real epicentres. On the other hand, several natural rockfalls were detected; their analysis allowed to identify areas having higher susceptibility to rockfalls by using the previously calibrated subsoil half-space model. Further studies are required to better define the areas prone to rockfall generation in the considered test sites; nevertheless, the here obtained results show an encouraging perspective about the application of the nanoseismic monitoring with respect to vulnerable infrastructures in rockfall prone areas

Passive sorting of asteroid material using solar radiation pressure

Understanding dust dynamics in asteroid environments is key for future science missions to asteroids and, in the long-term, also for asteroid exploitation. This paper proposes a novel way of manipulating asteroid material by means of solar radiation pressure (SRP). We envisage a method for passively sorting material as a function of its grain size where SRP is used as a passive in-situ ‘mass spec-trometer’. The analysis shows that this novel method allows an effective sorting of regolith material. This has immediate applications for sample return, and in-situ resource utilisation to separate different regolith particle sizes

Modelling of the gravity compensators in robotic manufacturing cells

The paper deals with the modeling and identification of the gravity compensators used in heavy industrial robots. The main attention is paid to the geometrical parameters identification and calibration accuracy. To reduce impact of the measurement errors, the design of calibration experiments is used. The advantages of the developed technique are illustrated by experimental result

A Search for New Physics with the BEACON Mission

The primary objective of the Beyond Einstein Advanced Coherent Optical Network (BEACON) mission is a search for new physics beyond general relativity by measuring the curvature of relativistic space-time around Earth. This curvature is characterized by the Eddington parameter \gamma -- the most fundamental relativistic gravity parameter and a direct measure for the presence of new physical interactions. BEACON will achieve an accuracy of 1 x 10^{-9} in measuring the parameter \gamma, thereby going a factor of 30,000 beyond the present best result involving the Cassini spacecraft. Secondary mission objectives include: (i) a direct measurement of the "frame-dragging" and geodetic precessions in the Earth's rotational gravitomagnetic field, to 0.05% and 0.03% accuracy correspondingly, (ii) first measurement of gravity's non-linear effects on light and corresponding 2nd order spatial metric's effects to 0.01% accuracy. BEACON will lead to robust advances in tests of fundamental physics -- this mission could discover a violation or extension of general relativity and/or reveal the presence of an additional long range interaction in physics. BEACON will provide crucial information to separate modern scalar-tensor theories of gravity from general relativity, probe possible ways for gravity quantization, and test modern theories of cosmological evolution.Comment: 8 pages, 2 figures, 2 table