DFL: Dynamic Federated Split Learning in Heterogeneous IoT

Federated Learning (FL) in edge Internet of Things (IoT) environments is challenging due to the heterogeneous nature of the learning environment, mainly embodied in two aspects. Firstly, the statistically heterogeneous data, usually non-independent identically distributed (non-IID), from geographically distributed clients can deteriorate the FL training accuracy. Secondly, the heterogeneous computing and communication resources in IoT devices often result in unstable training processes that slow down the training of a global model and affect energy consumption. Most existing solutions address only the unilateral side of the heterogeneity issue but neglect the joint problem of resources and data heterogeneity for the resource-constrained IoT. In this article, we propose Dynamic Federated split Learning (DFL) to address the joint problem of data and resource heterogeneity for distributed training in IoT. DFL enhances training efficiency in heterogeneous dynamic IoT through resource-aware split computing of deep neural networks and dynamic clustering of training participants based on the similarity of their sub-model layers. We evaluate DFL on a real testbed comprising heterogeneous IoT devices using two widely-adopted datasets, in various non-IID settings. Results show that DFL improves training performance in terms of training time by up to 48%, accuracy by up to 32%, and energy consumption by up to 62.8% compared to classic FL and Federated Split Learning in scenarios with both data and resource heterogeneity

Carbohydrate multivalent systems to functionalize proteins and surfaces for lectin interaction studies

Las interacciones entre proteínas y carbohidratos están involucradas en muchos eventos biológicos fundamentales. En estos procesos, una clase de proteínas que reconocen azúcares denominadas lectinas juegan un papel crucial. Actualmente, numerosos grupos de investigación se encuentran estudiando esta importante clase de proteínas; sin embargo, muchas de ellas están aún por explorar y no se conoce en detalle sus especificidades frente a carbohidratos y los factores moleculares que gobiernan dicha interacción. En la naturaleza, muchas lectinas se encuentran en forma de oligómeros para promover una elevada para glicanos específicos. Esto se debe al hecho de que la interacción carbohidrato-proteínas es muy débil, con una especificidad y selectividad limitadas por unidad de azúcar. Por lo tanto, para compensar esta interacción paradójicamente débil, la Naturaleza juega la carta de la multivalencia mediante una presentación multivalente del receptor, así como de los carbohidratos. En este sentido, con el objetivo de estudiar estos procesos multivalentes de reconocimiento entre carbohidratos y proteínas, los sistemas de carbohidratos multivalentes artificiales se han revelado como herramientas muy eficientes para el estudio de dichas interacciones. En este contexto, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el desarrollo y la preparación de sistemas multivalentes de carbohidratos para comprender mejor los mecanismos que impulsan las interacciones de estas proteínas de unión a carbohidratos. Para lograr este objetivo general, se propusieron los siguientes objetivos específicos: • Preparación de superficies multivalentes basadas en glicodendrones y el estudio de la interacción carbohidrato-proteína sobre dichas superficies, para evaluar el efecto de la presentación del ligando en la interacción. Para alcanzar este objetivo, hemos desarrollado microarrays recubiertos con dendrones de ciclooctino, a partir de los cuales se han generado los correspondientes glicodendrones directamente sobre el chip, a través de una reacción de tipo click en ausencia de Cu (SPAAC) con diferentes tipos de carbohidratos funcionalizados con un grupo azida en su extremo reductor. Las superficies hidrófobas utilizadas permiten el uso de la detección por medio de la espectrometría de masas MALDI-TOF, permitiendo así verificar la finalización de cada reacción (>95%). Con este nuevo método se realizaron varios estudios de interacción usando lectinas marcadas fluorescentemente, fundamentalmente ConA y DC-SIGN. En particular, se observó una fuerte unión para el disacárido αMan1,2Man, en todas las valencias y concentraciones empleadas. Como se esperaba, la señal fluorescente aumenta al aumentar la valencia todas las concentraciones utilizadas. En estos estudios también se ha puesto de manifiesto que las lectinas que reconocen manos, no muestran ninguna interacción para los glicodendrones de β-D-galactosa. Todos estos resultados demuestran la eficacia y la versatilidad real de la técnica desarrollada. • Preparación de nuevas glycodendriproteinas mediante la funcionalización de la proteína BSA con carbohidratos y evaluación de su interacción con lectinas. Se ha desarrollado un método de preparación rápido, simple, económico y versátil de proteínas funcionalizadas con glicodendrones. En primer lugar, se han sintetizado varias familias de glicodendrones con un grupo azido en la posición focal. Estos grupos funcionales se han utilizado para conjugar las moléculas en la proteína BSA mediante metodologías de reacción de tipo click catalizada por Cu(I) (CuAAC) entre los grupo azida de los glicodendrones y los grupos alquino en la proteína, previamente derivatizada con este grupo funcional. Así, fue posible alcanzar dos grados de funcionalización, bajo (10-15 unidades de azúcar) y alto (30-35 unidades de azúcar). Las neoglicoproteínas sintetizadas han mostrado una buena actividad inhibitoria frente a lectinas lectinas humanas como Langerin y DC-SIGN. En particular, excelentes resultados fueron obtenidos con las neoglicoproteínas funcionalizadas con glicodendrones de αMan1,2Man. De hecho, estas estructuras han revelado una actividad, en terminos de inhibición de la actividad enzimática, en el rango bajo nanomolar. Esto demuestra que la proteína es una buena plataforma para exhibir, y de este manera, mejorar el reconocimiento de los glicanos frente a los receptor de azucares. • Diseño y desarrollo de una síntesis rápida que permita obtener el disacárido Mana1,2Man en gran escala y, con ello, permitir la preparación de estructuras de glicodendrones. Este objetivo se ha logrado mediante la adopción de una síntesis consecutiva de 5 etapas para obtener el aceptor de glicosilo, reduciéndose de manera significativa el coste total y el tiempo de preparación de este intermedio clave. Usando esta estrategia, fue posible obtener el disacárido deseado en escala de gramos y en menos de dos días y sobre todo con una mejoría del 30% sobre el rendimiento global, en comparación con la estrategia sintética tradicional paso a paso. Con este disacárido Manα1,2Man, se han preparado glicodendrones con biotina en la posición focal. Estos glicodendrones se van a utilizar, en el futuro, para estudios de interacción con lectinas empleando la resonancia de plasmón de superficie de imagen (SPRi)

ARES: Adaptive Resource-Aware Split Learning for Internet of Things

Distributed training of Machine Learning models in edge Internet of Things (IoT) environments is challenging because of three main points. First, resource-constrained devices have large training times and limited energy budget. Second, resource heterogeneity of IoT devices slows down the training of the global model due to the presence of slower devices (stragglers). Finally, varying operational conditions, such as network bandwidth, and computing resources, significantly affect training time and energy consumption. Recent studies have proposed Split Learning (SL) for distributed model training with limited resources but its efficient implementation on the resource-constrained and decentralized heterogeneous IoT devices remains minimally explored. We propose Adaptive REsource-aware Splitlearning (ARES), a scheme for efficient model training in IoT systems. ARES accelerates local training in resource-constrained devices and minimizes the effect of stragglers on the training through device-targeted split points while accounting for time-varying network throughput and computing resources. ARES takes into account application constraints to mitigate training optimization tradeoffs in terms of energy consumption and training time. We evaluate ARES prototype on a real testbed comprising heterogeneous IoT devices running a widely-adopted deep neural network and dataset. Results show that ARES accelerates model training on IoT devices by up to 48% and minimizes the energy consumption by up to 61.4% compared to Federated Learning (FL) and classic SL, without sacrificing the model convergence and accurac

Electrical resistivity measurement of unsaturated concrete samples

Electrical conduction in concrete primarily occurs via the liquid in pores. Since concrete resistivity is sensitive to moisture content, resistivity can be used to infer other moisture-dependent concrete properties. However, quantitative assessment of the relationship between concrete resistivity and the pore liquid content can be a difficult task due to contact issues between electrodes and the surface of unsaturated concrete. Resistivity is usually measured using wet sponges to assess contact with a concrete surface. This is a very effective procedure for saturated concrete but implies minor alterations in the condition of unsaturated concrete. This paper deals with a contact method to measure the resistivity of unsaturated concrete samples. Resistivity measurements dispensing with wet contacts are performed on thin samples of conventional concrete. A dry contact is achieved by means of painted electrodes on the concrete surface. Dry and wet contact methods are compared when applied to saturated concrete, and resistivity values of unsaturated concrete are related to concrete moisture content and the relative humidity of the surrounding environment. As a result, resistivity is related to the volumetric fraction of conducting water in pores and its hygroscopic equilibrium with the surrounding environment.Fil: Villagrán Zaccardi, Yury Andrés. Provincia de Buenos Aires. Gobernacion. Comision de Investigaciones Cientificas. Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Di Maio, Angel Antonio. Provincia de Buenos Aires. Gobernacion. Comision de Investigaciones Cientificas. Laboratorio de Entrenamiento Multidisciplinario para la Investigación Tecnológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Hormigones reciclados: investigaciones realizadas en el LEMITdurante los últimos 18 años

Debido al crecimiento poblacional en el mundo, lo cual conlleva a una demanda de nuevas estructuras e infraestructuras urbanas, el consumo de recursos naturales se ha visto sensiblemente afectado. En el caso particular de la industria de la construcción, este hecho es muy notorio debido a que por ejemplo en la fabricación de hormigones, tanto el agua como los agregados necesarios para su elaboración, son materias primas naturales no renovables, motivo por el cual es imperioso tomar los recaudos necesarios para que todos ellos puedan ser reciclados. De esta forma se lograría una industria más sustentable, ya que este hecho no sólo impacta sobre aspectos prácticos sino también abarca a los ambientales, políticos, económicos y sociales. Este trabajo tiene como objetivo presentar de manera sintetizada las diferentes investigaciones que se vienen desarrollando en el LEMIT sobre esta temática desde el año 2000, tendientes a resolver en alguna medida lo indicado anteriormente. Dichas investigaciones están relacionadas con la elaboración de hormigones en los cuales parte del agregado natural es reemplazado por agregados obtenidos de la trituración de hormigones viejos o de desecho, comúnmente conocidos como “agregados reciclados”. En tal sentido se evaluaron diferentes propiedades de estos agregados como así también las características físico-químicas, mecánicas y durables de los hormigones con ellos elaborados

REACT: A Solidarity-based Elastic Service Resource Reallocation Strategy for Multi-access Edge Computing

The Multi-access Edge Computing (MEC) paradigm promises to enhance network flexibility and scalability through resource virtualization. MEC allows telecom operators to fulfill the stringent and heterogeneous requirements of 5G applications via service deployment at the edge of the mobile network. However, current solutions to support MEC struggle to provide resource elasticity since MEC infrastructures have limited resources. The coexistence of many heterogeneous services on the distributed MEC infrastructure makes the resource scarcity problem even more challenging than it already is in traditional networks. Services need distinct resource provisioning patterns due to their diverse requirements, and we may not assume an extensive MEC infrastructure that can accommodate an arbitrary number of services. To address these aspects, we present REACT: a MEC-suppoRted sElfadaptive elAstiCiTy mechanism that leverages resource provisioning among different services running on a shared MEC environment. REACT adopts an adaptive and solidarity-based strategy to redistribute resources from over-provisioned services to under-provisioned services in MEC environments. REACT is an alternative strategy to avoid service migration due to resource scarcity. Real testbed results show that REACT outperforms Kubernetes’ elasticity strategy by accomplishing up to 18.88% more elasticity events, reducing service outages by up to 95.1%, reducing elasticity attempts by up to 95.36%, and reducing over-provisioned resources by up to 33.88%, 38.41%, and 73% for CPU cycles, RAM and bandwidth resources, respectively. Finally, REACT reduces response time by up to 15.5%

Caracterización de agregados finos reciclados de distintas procedencias

En este trabajo se realiza un análisis de diferentes características que poseen los agregados finos reciclados provenientes de la trituración de hormigones de tres procedencias diferentes. Se elaboraron combinaciones de arena silícea de río y dos porcentajes de agregados finos reciclados (20 y 40% en peso). En todos los casos se determinó la granulometría, densidad y absorción de agua, material que pasa el tamiz Nº 200 y la durabilidad por ataque con sulfato de sodio.Fil: Sosa, Maria Eva.Fil: Di Maio, Angel Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Zega, Claudio Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Thermal-hydraulic analysis of an innovative decay heat removal system for lead-cooled fast reactors

Improvement of safety requirements in GEN IV reactors needs more reliable safety systems, among which the decay heat removal system (DHR) is one of the most important. Complying with the diversification criteria and based on pure passive and very reliable components, an additional DHR for the ALFRED reactor (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator) has been proposed and its thermal-hydraulic performances are analyzed. It consists in a coupling of two innovative subsystems: the radiative-based direct heat exchanger (DHX), and the pool heat exchanger (PHX). Preliminary thermal-hydraulic analyses, by using RELAP5 and RELAP5-3D© computer programs, have been carried out showing that the whole system can safely operate, in natural circulation, for a long term. Sensitivity analyses for: the emissivity of the DHX surfaces, the PHX water heat transfer coefficient (HTC) and the lead HTC have been carried out. In addition, the effects of the density variation uncertainty on the results has been analyzed and compared. It allowed to assess the feasibility of the system and to evaluate the acceptable range of the studied parameters. A comparison of the results obtained with RELAP5 and RELAP5-3D© has been carried out and the analysis of the differences of the two codes for lead is presented. The features of the innovative DHR allow to match the decay heat removal performance with the trend of the reactor decay heat power after shutdown, minimizing at the same time the risk of lead freezing. This system, proposed for the diversification of the DHR in the LFRs, could be applicable in the other pool-type liquid metal fast reactors