Adaptive GPU-accelerated force calculation for interactive rigid molecular docking using haptics

Molecular docking systems model and simulate in silico the interactions of intermolecular binding. Haptics-assisted docking enables the user to interact with the simulation via their sense of touch but a stringent time constraint on the computation of forces is imposed due to the sensitivity of the human haptic system. To simulate high fidelity smooth and stable feedback the haptic feedback loop should run at rates of 500 Hz to 1 kHz. We present an adaptive force calculation approach that can be executed in parallel on a wide range of Graphics Processing Units (GPUs) for interactive haptics-assisted docking with wider applicability to molecular simulations. Prior to the interactive session either a regular grid or an octree is selected according to the available GPU memory to determine the set of interatomic interactions within a cutoff distance. The total force is then calculated from this set. The approach can achieve force updates in less than 2 ms for molecular structures comprising hundreds of thousands of atoms each, with performance improvements of up to 90 times the speed of current CPU-based force calculation approaches used in interactive docking. Furthermore, it overcomes several computational limitations of previous approaches such as pre-computed force grids, and could potentially be used to model receptor flexibility at haptic refresh rates

Helpdesking: Knowing and learning in IT support practices

The background of this doctoral thesis is an interest in work achievement over extended time periods in specialized and technology-infused workplaces. Globalization, digitalization and increased focus on customer services are constituent aspects that have been claimed responsible for the current changes in the way work practices and teamwork are organized. In IT helpdesk work, which is the object of study in this thesis, challenges including dissemination of information, keeping up-to-date with technological changes and coordi- nation of people and tasks have been identified as critical. The aim of this thesis is to illuminate how knowing and competence are maintained and shared as participants engage in backstage activities in helpdesk work. The focus is on the nature of the activities that unfolds when employees engage in activities that include interaction as well as artefacts. The empirical material comprises video- and audio-recorded activities of a second-level helpdesk in a large multinational IT provider. Targeted ‘hot spot’ activities are shift changes, quality discussions and introductions of newcomers. Based on a sociocultural perspective, the (re)production of professional practices is understood as continuous negotiations between participants and tools within a situated framework. Methodologically, this implies detailed investigations of authentic activities where interactions and tool use are analysed from the participant’s perspective. Three studies are included in the thesis, each of them provide insights into the organizing of shared knowing and competence. Study One focuses on how tasks and information are communicated between shifts and transformed into workable units and knowledge. Study Two addresses the role of activities specifically arranged for learning and separated from other work tasks. In Study Three, the focus is on introductions of newcomers and what can be learned from interactions with experienced participants and technological tools. The analyses show that knowledge work is a continuous and communicatively-based undertaking. Continuity across shifts relies on several documenting routines and procedures, but shift change meetings provide opportunities for interpretation and negotiation of information as well as coordination of tasks. Talking about work provides a space for reflection and reformulation of team-related quality norms and values as shared foundations for work. Furthermore, inducting newcomers to the specialized and situated practice brings about the very detailed procedures involved in managing everyday work and technological tools. By describing the reasoning and knowing displayed by helpdesk employees, the thesis contributes to discussions about knowledge work and sharing in organizational settings, teamwork, system design and lifelong learning. To conclude, it is suggested that sharing and reproduction of knowing in practice is a collective effort that entails creative involvement by members of the practice

Petter Bivall Cover Image: Homage to the Helix

Copyright © 2010 Petter Bivall, unless otherwise noted. The following copyright statement applies to figures 2.4, 4.2, 5.1 & 5.3: © 2010 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the IEEE. Printed by LiU-Tryck, Linköping 2010 Communicating the content of molecular life science is a challenge that educators and researchers face on a daily basis. The complexity of this communication arises partly because molecular events occur at a scale of both size and time which is not perceivable to humans, and partly from the multiple and stochastic interactions involved in those events. This dissertation presents research investigating the development and use of a combined visual and haptic virtual model in higher education. The model presents molecular recognition through the example of protein-ligand docking, and enables students to simultaneousl

Learning Molecular Interaction Concepts through Haptic Protein Visualization

Abstract The use of haptics is growing in the area of science education. Haptics appears to convey information to students in a manner that influences their learning and ways of thinking. This document outlines examples of how haptics has been employed in science education contexts and gives a more detailed description of an education oriented evaluation of a haptic protein-ligand docking system. In molecular life science, students need to grasp several complex concepts to understand molecular interactions. Research on how haptics influences students' learning show strong positive affective responses and, in the protein-ligand docking case, that reasoning with respect to molecular processes is altered. However, since many implications of using haptics in education are still unknown, more research is needed

Touching the Essence of Life : Haptic Virtual Proteins for Learning

This dissertation presents research in the development and use of a multi-modal visual and haptic virtual model in higher education. The model, named Chemical Force Feedback (CFF), represents molecular recognition through the example of protein-ligand docking, and enables students to simultaneously see and feel representations of the protein and ligand molecules and their force interactions. The research efforts have been divided between educational research aspects and development of haptic feedback techniques. The CFF model was evaluated in situ through multiple data-collections in a university course on molecular interactions. To isolate possible influences of haptics on learning, half of the students ran CFF with haptics, and the others used the equipment with force feedback disabled. Pre- and post-tests showed a significant learning gain for all students. A particular influence of haptics was found on students reasoning, discovered through an open-ended written probe where students' responses contained elaborate descriptions of the molecular recognition process. Students' interactions with the system were analyzed using customized information visualization tools. Analysis revealed differences between the groups, for example, in their use of visual representations on offer, and in how they moved the ligand molecule. Differences in representational and interactive behaviours showed relationships with aspects of the learning outcomes. The CFF model was improved in an iterative evaluation and development process. A focus was placed on force model design, where one significant challenge was in conveying information from data with large force differences, ranging from very weak interactions to extreme forces generated when atoms collide. Therefore, a History Dependent Transfer Function (HDTF) was designed which adapts the translation of forces derived from the data to output forces according to the properties of the recently derived forces. Evaluation revealed that the HDTF improves the ability to haptically detect features in volumetric data with large force ranges. To further enable force models with high fidelity, an investigation was conducted to determine the perceptual Just Noticeable Difference (JND) in force for detection of interfaces between features in volumetric data. Results showed that JNDs vary depending on the magnitude of the forces in the volume and depending on where in the workspace the data is presented

Small-scale treatment solutions at temporarily high pollution levels in waters at Högbytorp waste facility

I takt med ökad återvinning av avfall uppstår nya utmaningar gällande vattenhantering på avfallsanläggningar. Stora variationer förekommer i material som lagras, sorteras och behandlas i återvinningsprocessen, vilket kan leda till situationer med tillfälligt höga föroreningshalter i vatten på anläggningen. Detta kan kräva snabba punktinsatser, som komplement till redan etablerade reningstekniker. Syftet med detta arbete har varit att ta fram en rekommendation gällande sådana punktinsatser vid olika situationer som kan uppstå på avfallsanläggningen Högbytorp i Upplands- Bro kommun. I den riskbedömning som genomfördes inledningsvis bedömdes löst kadmium och klorider i lakvatten, partikelbunden kadmium och löst nickel i vatten från verksamhetsytor, samt nitratkväve och löst koppar i sluttäckningsvatten vara av sådan risknivå att reningslösningar i form av punktinsatser bör sättas in. Rekommendationen som ges baseras på analys av förekomstformer av nämnda föroreningar samt en litteraturstudie kring lämpliga reningstekniker för dessa. I rekommendationen förordas att partikelbunden kadmium bör avskiljas genom sedimentering. För avskiljning av lösta metaller föreslås reaktiva filter; torvfilter för rening av kadmium och nickel, samt tallbark eller Polonite för rening av koppar. För avskiljning av nitratkväve rekommenderas en denitrifierande bioreaktor. Svårigheter i att hitta kostnadseffektiva punktinsatser för klorider gör att inget förslag till reningslösning ges för detta fall. Rekommendationen kan användas som utgångspunkt i framtagandet av hållbar vattenreningsteknik på anläggningen, men bör åtföljas av kontinuerlig uppföljning och utvärdering för att upprätthålla den kunskapsutveckling som krävs i ett aktivt riskhanteringsarbete.The amount of waste is increasing as a consequence of population growth and increased consumption. This coupling between economic growth and waste production is a global problem, and decoupling requires a transition from linear to circular material flows. Sustainable waste management plays an important role in achieving a circular economy by treating waste so that it can be returned to the production and consumption chain. However, the handling of waste gives rise to various types of polluted waters that may harm the environment if not handled properly. Studies have shown that many of the water treatment techniques applied at waste facilities are not suitable for dealing with a complex and fluctuating water pollutant content and not sufficient in meeting stricter emission requirements. This has led to an increased need for small-scale water treatment solutions that can be used as a complement to already established large-scale solutions. One of Sweden’s leading waste management companies is Ragn-Sells. At the facility Högbytorp, polluted waste streams such as ashes and contaminated soils are handled. Högbytorp is an example of a complex waste facility where water streams with situations of fluctuating pollutant content may arise. Knowledge about these situations and what measures can be taken is an important part of the active approach that is required to achieve a circular economy and environmental goals. The aim with this study has therefore been to come up with a recommendation for how temporarily high pollution contents in waters generated at Högbytorp can be handled by selective measures.  The method used for the development of the recommendation follows the approach of systematic risk management. Initially, a risk assessment was performed to identify risk scenarios related to temporarily high water pollution levels at the site. Crucial input for the choice of relevant treatment techniques is knowledge about the speciation of pollutants. The identified risk scenarios were therefore further elaborated on regarding the chemical species by analysing the company’s existing water sampling data. A literature study, guided by a set of sustainability criteria, was then conducted in order to find suitable treatment techniques for the identified risk scenarios.  Six different risk scenarios, including three different water types, were identified and considered to be at such a risk level that selective measures are required. These scenarios are dissolved cadmium and chloride in landfill leachate, particulate bound cadmium and dissolved nickel in water from surfaces where waste has been handled, and nitrate nitrogen and dissolved copper in drainage water from covered landfills. The recommendation suggests that particle bound metals, namely particulate bound cadmium, could be removed from the water by means of sedimentation. Dissolved metals can be reduced using different reactive filter media. Regarding both dissolved cadmium and dissolved nickel, a peat filter is recommended whereas for dissolved copper, pine bark or Polonite is suitable as a filter media. Depending on the amount of suspended solids in the waters, the filters may be preceded by a step for particle removal. For removal of nitrate nitrogen in drainage water from covered landfills, a denitrifying bioreactor is recommended. In the case of chlorides in landfill leachate, difficulties in finding cost-effective selective measures has led to that no recommendation for that specific risk scenario is given.  The recommendation given in this report can be seen as a starting point for which sustainable water treatment techniques that are suitable in reducing the pollutants in question. Due to the complexity of the waters generated at waste facilities, proposed treatment techniques must however be evaluated on the actual waters at the specific place. Knowledge from such an evaluation should integrated in the risk management process for constant progress in the active work with polluted waters at the site.

”Knöligt men värdefullt” : en utvärderingsrapport om samverkan i ett multiprofessionellt, tvärsektoriellt innovationsprojekt

Idag pågår omfattande satsningar på innovationsprojekt inom offentlig sektor där målet är genomgripande förändringar och nytänk på individ- och samhällsnivå. Innovationsprojekt av detta slag karaktäriseras av skapandet av nya samarbeten och samverkansaktiviteter inom offentlig sektor men också med privat sektor och akademi. Bättre folkhälsa genom skolframgång är ett Vinnova-finansierat samverkansprojekt med visionen att bidra till ett ökat och förbättrat folkhälsoarbete genom ett fokus på barn och unga och genom att hjälpa elever till ett bättre skolresultat. Projektets utgångspunkt var analyser av stora datamängder, så kallade ”big data”-analyser, i en tvärsektoriell och tvärprofessionell projektgrupp. Denna rapport redogör för resultatet av den beteendevetenskapligt inriktade utvärdering som gjorts, där syftet var att analysera samverkan och samarbete inom projektet. Den utgår från deltagarnas upplevelser och erfarenheter av att delta i projektarbetet och belyser både framgångsrika och försvårande förhållanden under projektets genomförande.  Intervjuer med nio projektdeltagare som genomfördes i maj och juni 2019 ligger till grund för analysen. Därutöver har samtal förts med projektledaren som ett sätt att skapa förståelse för projektets struktur och genomförande jämte projektets interna dokumentation. Resultatet visade att innovationsarbetet inneburit en viss förflyttning av projektfokus från en ursprunglig visionär inställning baserat i en ”big data”-approach för förbättrade skolresultat och verksamhetsförändring till en mer operationaliserbar mjukvaruutveckling av verktyg för att hantera och förebygga skolfrånvaro. Projektgruppens breda kunskapsbas, där olika professionella kompetenser samverkade, fick betydelse för projektets möjligheter att formulera innovativa idéer och göra något nytt. Kontinuerliga möten och dialog mellan deltagare var centrala för ett gemensamt skapande av projektmål och -riktning. Antalet projektparters problematiserades samtidigt då bredden av perspektiv i viss mån försvårade möjligheten att driva projektet framåt. Projektets utveckling och riktning påverkades även av att nya projektmedlemmar tillkom och andra försvann, som exempelvis initiativtagare och ursprunglig projektledare. Projektets breda innovativa idé och angreppsätt innebar att deltagarna i huvudsak uppfattade projektet som dels ett forskningsprojekt och dels ett mjukvaruutvecklingsprojekt. Relationen dem emellan tycktes delvis oklar, med frågor om på vilka sätt de förväntades förhålla sig till varandra. Det datadrivna arbetet gav upphov till etiska och juridiska spörsmål men aktualiserade också frågan om den inbördes relationen mellan forskning och produktutveckling. En stark verksamhetsanknytning och kontakt med lärare och skola sågs som centralt för projektresultatets relevans inom skolan. Uteblivna kontakter med kontinuerliga lärargrupper och skolledare över tid på grund av organisatoriska hinder försvårade dock ett konstruktivt och iterativt utvecklingsarbete. Det blev inte heller möjligt att genomföra verksamhetsövergripande förändringsarbete. Slutsatser som lyfts fram är att breda innovationsprojekt av verksamhetförändrande karaktär ställer stora krav på projektorganisering och en tydligt delad målbild av gruppen. Komplexiteten i den här typen av innovationsprojekt ökar ju fler samverkansparter där ingår som ska enas om ett gemensamt syn- och angreppssätt på innovationens genomförande. En bredd av professionell kunskap och erfarenhet som sträcker sig över privata företag, offentlig förvaltning och akademi/institut ger utrymme för att finna nya innovativa lösningar men samarbetsmöjligheterna försvåras också. Valet av vilka kompetenser som behövs för att skapa och genomföra innovationen behöver ställas mot antalet projektparter då fler inspel inte nödvändigtvis leder till bättre kvalitet i slutresultatet. Innovationsinsatser som sker i samverkan mellan olika aktörer, såväl privata som offentliga, kräver någon eller några sammanhållande krafter som kan processleda helheten och som kontinuerligt kommunicerar med styrgruppen och arbetsgrupperna. Därtill behövs mötesarenor för dialog mellan projektdeltagare i projektets olika delar om ambitionen är att arbeta fram en sammanhållen innovation med stort inflytande för innovationsvisionen. Den eller de som ska hålla samman behöver få eller skapa förutsättningar för att kunna göra det. Slutligen lyfts att skolans och lärarnas behov och intresse av innovationen i den riktning projektet tagit med att fokusera på produktutveckling av närvarorelaterade system endast framgår som andrahandsberättelser i den här utvärderingen. Utifrån ett samverkansperspektiv framstår det dock tydligt att skolan som samverkanspart är grundläggande för att åstadkomma de relevanta och stödjande it-system som projektet arbetar för och även för att åstadkomma en genomgripande verksamhetsutveckling.

”Knöligt men värdefullt” : en utvärderingsrapport om samverkan i ett multiprofessionellt, tvärsektoriellt innovationsprojekt

Idag pågår omfattande satsningar på innovationsprojekt inom offentlig sektor där målet är genomgripande förändringar och nytänk på individ- och samhällsnivå. Innovationsprojekt av detta slag karaktäriseras av skapandet av nya samarbeten och samverkansaktiviteter inom offentlig sektor men också med privat sektor och akademi. Bättre folkhälsa genom skolframgång är ett Vinnova-finansierat samverkansprojekt med visionen att bidra till ett ökat och förbättrat folkhälsoarbete genom ett fokus på barn och unga och genom att hjälpa elever till ett bättre skolresultat. Projektets utgångspunkt var analyser av stora datamängder, så kallade ”big data”-analyser, i en tvärsektoriell och tvärprofessionell projektgrupp. Denna rapport redogör för resultatet av den beteendevetenskapligt inriktade utvärdering som gjorts, där syftet var att analysera samverkan och samarbete inom projektet. Den utgår från deltagarnas upplevelser och erfarenheter av att delta i projektarbetet och belyser både framgångsrika och försvårande förhållanden under projektets genomförande.  Intervjuer med nio projektdeltagare som genomfördes i maj och juni 2019 ligger till grund för analysen. Därutöver har samtal förts med projektledaren som ett sätt att skapa förståelse för projektets struktur och genomförande jämte projektets interna dokumentation. Resultatet visade att innovationsarbetet inneburit en viss förflyttning av projektfokus från en ursprunglig visionär inställning baserat i en ”big data”-approach för förbättrade skolresultat och verksamhetsförändring till en mer operationaliserbar mjukvaruutveckling av verktyg för att hantera och förebygga skolfrånvaro. Projektgruppens breda kunskapsbas, där olika professionella kompetenser samverkade, fick betydelse för projektets möjligheter att formulera innovativa idéer och göra något nytt. Kontinuerliga möten och dialog mellan deltagare var centrala för ett gemensamt skapande av projektmål och -riktning. Antalet projektparters problematiserades samtidigt då bredden av perspektiv i viss mån försvårade möjligheten att driva projektet framåt. Projektets utveckling och riktning påverkades även av att nya projektmedlemmar tillkom och andra försvann, som exempelvis initiativtagare och ursprunglig projektledare. Projektets breda innovativa idé och angreppsätt innebar att deltagarna i huvudsak uppfattade projektet som dels ett forskningsprojekt och dels ett mjukvaruutvecklingsprojekt. Relationen dem emellan tycktes delvis oklar, med frågor om på vilka sätt de förväntades förhålla sig till varandra. Det datadrivna arbetet gav upphov till etiska och juridiska spörsmål men aktualiserade också frågan om den inbördes relationen mellan forskning och produktutveckling. En stark verksamhetsanknytning och kontakt med lärare och skola sågs som centralt för projektresultatets relevans inom skolan. Uteblivna kontakter med kontinuerliga lärargrupper och skolledare över tid på grund av organisatoriska hinder försvårade dock ett konstruktivt och iterativt utvecklingsarbete. Det blev inte heller möjligt att genomföra verksamhetsövergripande förändringsarbete. Slutsatser som lyfts fram är att breda innovationsprojekt av verksamhetförändrande karaktär ställer stora krav på projektorganisering och en tydligt delad målbild av gruppen. Komplexiteten i den här typen av innovationsprojekt ökar ju fler samverkansparter där ingår som ska enas om ett gemensamt syn- och angreppssätt på innovationens genomförande. En bredd av professionell kunskap och erfarenhet som sträcker sig över privata företag, offentlig förvaltning och akademi/institut ger utrymme för att finna nya innovativa lösningar men samarbetsmöjligheterna försvåras också. Valet av vilka kompetenser som behövs för att skapa och genomföra innovationen behöver ställas mot antalet projektparter då fler inspel inte nödvändigtvis leder till bättre kvalitet i slutresultatet. Innovationsinsatser som sker i samverkan mellan olika aktörer, såväl privata som offentliga, kräver någon eller några sammanhållande krafter som kan processleda helheten och som kontinuerligt kommunicerar med styrgruppen och arbetsgrupperna. Därtill behövs mötesarenor för dialog mellan projektdeltagare i projektets olika delar om ambitionen är att arbeta fram en sammanhållen innovation med stort inflytande för innovationsvisionen. Den eller de som ska hålla samman behöver få eller skapa förutsättningar för att kunna göra det. Slutligen lyfts att skolans och lärarnas behov och intresse av innovationen i den riktning projektet tagit med att fokusera på produktutveckling av närvarorelaterade system endast framgår som andrahandsberättelser i den här utvärderingen. Utifrån ett samverkansperspektiv framstår det dock tydligt att skolan som samverkanspart är grundläggande för att åstadkomma de relevanta och stödjande it-system som projektet arbetar för och även för att åstadkomma en genomgripande verksamhetsutveckling.