ENG: Researchers at Universidad Carlos III de Madrid have created software and hardware for a 4D printer with applications in the biomedical field. In addition to 3D printing, this machine allows for controlling extra functions: programming the material’s response so that shape-changing occurs under external magnetic field, or changes in its electric properties develops under mechanical deformation. This opens the door to the design of soft robots or smart sensors and substrates that transmit signals to different cellular systems, among other applications.

This line of research focuses on the development of soft multifunctional structures, which consist of materials with mechanical properties that mimic biological tissues such as the brain or skin. In addition, they are capable of changing their shape or properties when actuated via external stimuli, such as magnetic fields or electric currents. Until now, this team of researchers had made several advances in the design and manufacturing of these structures, but they were very limited in terms of shape-design and programming of intelligent responses. The work presented in their latest study, has allowed them to open up new possibilities by developing a novel 4D printing methodology.

This type of printing is complex since the material to be extruded transitions from liquid to solid during the printing process. It is therefore necessary to understand the material dynamics to adapt the manufacturing process and obtain a material which is sufficiently liquid when it flows through the printer nozzle but, at the same time, solid enough to maintain a specific shape. To this end, they have developed an interdisciplinary methodology that combines theoretical and experimental techniques allowing them to build the printing device from scratch, both the physical part of the device (the hardware) and the computer programmes that allow it to be controlled (the software). The researchers have also developed a new material concept that is capable of healing itself autonomously without the need for external action.

RO: Cercetătorii de la Universitatea Carlos III din Madrid au creat software și hardware pentru o imprimantă 4D cu aplicații în domeniul biomedical. Pe lângă imprimarea 3D, această mașină permite controlul unor funcții suplimentare: programarea răspunsului materialului astfel încât schimbarea formei să aibă loc sub acțiunea unui câmp magnetic extern sau modificarea proprietăților sale electrice să se dezvolte sub efectul unei deformări mecanice. Acest lucru deschide ușa pentru proiectarea de roboți moi sau de senzori și substraturi inteligente care transmit semnale către diferite sisteme celulare.

Această linie de cercetare se concentrează pe dezvoltarea de structuri moi multifuncționale, care constau în materiale cu proprietăți mecanice care imită țesuturile biologice, cum ar fi creierul sau pielea. În plus, acestea sunt capabile să își schimbe forma sau proprietățile atunci când sunt acționate prin stimuli externi, cum ar fi câmpurile magnetice sau curenții electrici. Până în prezent, această echipă de cercetători a realizat mai multe progrese în proiectarea și fabricarea acestor structuri, însă acestea erau foarte limitate în ceea ce privește proiectarea formei și programarea răspunsurilor inteligente. Lucrările prezentate în cel mai recent studiu al lor, le-au permis să deschidă noi posibilități prin dezvoltarea unei noi metodologii de imprimare 4D.

Acest tip de imprimare este complex, deoarece materialul care urmează să fie extrudat trece de la lichid la solid în timpul procesului de imprimare. Prin urmare, este necesară înțelegerea dinamici materialului pentru a adapta procesul de fabricație și a obține un material care să fie suficient de lichid atunci când curge prin duza imprimantei, dar, în același timp, suficient de solid pentru a menține o formă specifică. În acest scop, ei au dezvoltat o metodologie interdisciplinară care combină tehnici teoretice și experimentale, permițându-le să construiască dispozitivul de imprimare de la zero, atât partea fizică a dispozitivului (hardware), cât și programele informatice care permit controlul acestuia (software). Cercetătorii au dezvoltat, de asemenea, un nou concept de material care este capabil să se vindece singur în mod autonom, fără a fi nevoie de o acțiune externă.

Source (Universidad Carlos III de Madrid, “A 4D printer for smart materials with magneto-and electro-mechanical properties has been developed”, 06.03.2023)

Papers:

Lopez‐Donaire, M.L., de Aranda‐Izuzquiza, G., Garzon‐Hernandez, S., Crespo‐Miguel, J., Fernandez‐de la Torre, M., Velasco, D. and Garcia‐Gonzalez, D., 2022. Computationally Guided DIW Technology to Enable Robust Printing of Inks with Evolving Rheological Properties. Advanced Materials Technologies, p.2201707.

Garcia-Gonzalez, D., Ter-Yesayants, T., Moreno-Mateos, M.A. and Lopez-Donaire, M.L., 2023. Hard-magnetic phenomena enable autonomous self-healing elastomers. Composites Part B: Engineering, 248, p.110357.

ENG: A new machine learning model can predict city traffic activity in different urban zones. To do so, a Complexity Science Hub researcher used data from a main car-sharing company in Italy as a proxy for overall city traffic. Understanding people’s mobility patterns will be central to improving urban traffic flow. For example, if the model shows that there is a nontrivial connection between two zones, i.e., that people commute from one zone to another for certain reasons, services could be provided that compensate for this interaction. If, on the flip side, the model shows that there is little activity in a particular location, policymakers could use that knowledge to invest in structures to change that.

For this study a major car-sharing company provided the data: the location of all cars in their fleet in four Italian cities (Rome, Turin, Milan, and Florence) in 2017. The data was obtained by constantly querying the service provider’s web APIs, recording the parking location of each car, as well as the start and end timestamps. Simone Daniotti of the Complexity Science Hub used that as a proxy for all city traffic and created a model that not only allows accurate spatio-temporal forecasting in different urban areas, but also accurate anomaly detection such as strikes and bad weather conditions, both of which are related to traffic.

The model could also make predictions about traffic patterns for other cities such as Vienna. While there are already many models designed to predict traffic behavior in cities, the vast majority of prediction models on aggregated data are not fully interpretable. Even though some structure of the model connects two zones, they cannot be interpreted as an interaction. This limits understanding of the underlying mechanisms that govern citizens’ daily routines. Since only a minimal number of constraints are considered and all parameters represent actual interactions, the new model is fully interpretable. Without knowing the reason why the model is showing a particular result, it is difficult to control for events where the model was not showing what you expected.

RO: Un nou model de învățare automată poate prezice activitatea de trafic în diferite zone urbane. Pentru a face acest lucru, un cercetător de la Complexity Science Hub a folosit date de la o companie principală de car-sharing din Italia ca indicator pentru traficul general al orașului. Înțelegerea modelelor de mobilitate ale oamenilor va fi esențială pentru îmbunătățirea fluxului de trafic urban. De exemplu, în cazul în care modelul arată că există o legătură netrivială între două zone, adică oamenii fac naveta dintr-o zonă în alta din anumite motive, ar putea fi furnizate servicii care să compenseze această interacțiune. Dacă, pe de altă parte, modelul arată că există o activitate redusă într-o anumită locație, factorii de decizie ar putea folosi aceste cunoștințe pentru a investi în structuri care să schimbe această situație.

Pentru acest studiu, o mare companie de car-sharing a furnizat datele: locația tuturor mașinilor din flota lor în patru orașe italiene (Roma, Torino, Milano și Florența) în 2017. Datele au fost obținute prin interogarea constantă a API-urilor web ale furnizorului de servicii, înregistrând locația de parcare a fiecărei mașini, precum și marcajele temporale de început și de sfârșit. Simone Daniotti, de la Complexity Science Hub, a folosit aceste date ca proxy pentru tot traficul din oraș și a creat un model care nu numai că permite o prognoză spațio-temporală precisă în diferite zone urbane, ci și o detectare a anomaliilor precum grevele și condițiile meteorologice nefavorabile, ambele legate de trafic.

Modelul ar putea, de asemenea, să facă predicții privind modelele de trafic pentru alte orașe, cum ar fi Viena. Deși există deja multe modele concepute pentru a prezice comportamentul traficului în orașe, marea majoritate a modelelor de predicție pe date agregate nu sunt pe deplin interpretabile. Chiar dacă o anumită structură a modelului conectează două zone, acestea nu pot fi interpretate ca o interacțiune. Acest lucru limitează înțelegerea mecanismelor de bază care guvernează rutina zilnică a cetățenilor. Deoarece se ia în considerare doar un număr minim de constrângeri și toți parametrii reprezintă interacțiuni reale, noul model este pe deplin interpretabil. Fără a cunoaște motivul pentru care modelul arată un anumit rezultat, sunt dificil de controlat evenimentele în care modelul nu a arătat ceea ce se aștepta.

Source (Complexity Science Hub Vienna, “How to predict city traffic”, 28.02.2023)

Paper: Daniotti, S., Monechi, B. and Ubaldi, E., 2023. A maximum entropy approach for the modelling of car-sharing parking dynamics. Scientific Reports, 13(1), p.2993.

ENG: Engineering researchers at the University of Waterloo are successfully using a robot to help keep children with learning disabilities focused on their work. Dr. Kerstin Dautenhahn, a professor of electrical and computer engineering, has been working on robotics in the context of disability for many years and incorporates principles of equity, inclusion and diversity in research projects. Students with learning disabilities may benefit from additional learning support, such as one-on-one instruction and the use of smartphones and tablets. Educators have in recent years explored the use of social robots to help students learn, but most often, their research has focused on children with Autism Spectrum Disorder. As a result, little work has been done on the use of socially assistive robots for students with learning disabilities.

Along with two other Waterloo engineering researchers and three experts from the Learning Disabilities Society in Vancouver, Dautenhahn decided to change this, conducting a series of tests with a small humanoid robot called QT. Dautenhahn said the robot’s ability to perform gestures using its head and hands, accompanied by its speech and facial features, makes it very suitable for use with children with learning disabilities.

Building on promising earlier research, the researchers divided 16 students with learning disabilities into two groups. In one group, students worked one-on-one with an instructor only. In the other group, the students worked one-on-one with an instructor and a QT robot. In the latter group, the instructor used a tablet to direct the robot, which then autonomously performed various activities using its speech and gestures. While the instructor controlled the sessions, the robot took over at certain times, triggered by the instructor, to lead the student. Besides introducing the session, the robot set goals and provided self-regulating strategies, if necessary. If the learning process was getting off-track, the robot used strategies such as games, riddles, jokes, breathing exercises and physical movements to redirect the student back to the task.

RO: Cercetătorii în domeniul ingineriei de la Universitatea din Waterloo folosesc cu succes un robot pentru a-i ajuta pe copiii cu dificultăți de învățare să se concentreze asupra muncii lor. Dr. Kerstin Dautenhahn, profesor de inginerie electrică și informatică, lucrează de mulți ani la robotică în contextul dizabilității și încorporează principiile echității, incluziunii și diversității în proiectele de cercetare. Elevii cu dizabilități de învățare pot beneficia de sprijin suplimentar pentru învățare, cum ar fi instruirea individuală și utilizarea smartphone-urilor și a tabletelor. În ultimii ani, educatorii au explorat utilizarea roboților sociali pentru a-i ajuta pe elevi să învețe, dar, cel mai adesea, cercetările lor s-au axat pe copiii cu tulburări din spectrul autist. Prin urmare, s-au realizat puține lucrări privind utilizarea roboților de asistență socială pentru elevii cu dificultăți de învățare.

Împreună cu alți doi cercetători în domeniul ingineriei de la Waterloo și cu trei experți de la Learning Disabilities Society din Vancouver, Dautenhahn a decis să schimbe acest lucru, efectuând o serie de teste cu un mic robot umanoid numit QT. Dautenhahn a declarat că abilitatea robotului de a efectua gesturi cu ajutorul capului și al mâinilor, însoțită de vorbire și de trăsăturile sale faciale, îl face foarte potrivit pentru a fi utilizat cu copiii cu dificultăți de învățare.

Bazându-se pe cercetări anterioare promițătoare, cercetătorii au împărțit 16 elevi cu dificultăți de învățare în două grupuri. Într-un grup, elevii au lucrat individual doar cu un instructor. În celălalt grup, elevii au lucrat atât cu un instructor, cât și cu un robot QT. În acest grup din urmă, instructorul a folosit o tabletă pentru a dirija robotul, care apoi a efectuat în mod autonom diverse activități folosind vorbirea și gesturile sale. În timp ce instructorul a controlat sesiunile, robotul a preluat controlul în anumite momente, declanșat de instructor, pentru a-i îndruma pe studenți. Pe lângă introducerea sesiunii, robotul a stabilit obiective și a oferit strategii de autoreglare, dacă era necesar. În cazul în care procesul de învățare se abătea de la curs, robotul folosea strategii precum jocuri, ghicitori, glume, exerciții de respirație și mișcări fizice pentru a redirecționa studentul înapoi la sarcină.

Source (Waterloo News, “Robot helps students with learning disabilities stay focused”, 21.02.2023)

Paper: Azizi, N., Chandra, S., Gray, M., Fane, J., Sager, M. and Dautenhahn, K., 2023, February. User evaluation of social robots as a tool in one-to-one instructional settings for students with learning disabilities. In Social Robotics: 14th International Conference, ICSR 2022, Florence, Italy, December 13–16, 2022, Proceedings, Part II (pp. 146-159). Cham: Springer Nature Switzerland.

ENG: In 2015, when NASA’s New Horizons spacecraft encountered the Pluto-Charon system, the Southwest Research Institute-led (SwRI) science team discovered interesting, geologically active objects instead of the inert icy orbs previously envisioned. An SwRI scientist has revisited the data to explore the source of cryovolcanic flows and an obvious belt of fractures on Pluto’s large moon Charon. These new models suggest that when the moon’s internal ocean froze, it may have formed the deep, elongated depressions along its girth but was less likely to lead to cryovolcanoes erupting with ice, water and other materials in its northern hemisphere.

New ice forming on the inner layer of the existing ice shell can also stress the surface structure. To better understand the evolution of the moon’s interior and surface, Rhoden modeled how fractures formed in Charon’s ice shell as the ocean beneath it froze. The team modeled oceans of water, ammonia or a mixture of the two based on questions about the makeup. Ammonia can act as antifreeze and prolong the life of the ocean; however, results did not differ substantially.

When fractures penetrate the entire ice shell and tap the subsurface ocean, the liquid, pressurized by the increase in volume of the newly frozen ice, can be pushed through the fractures to erupt onto the surface. Models sought to identify the conditions that could create fractures that fully penetrate Charon’s icy shell, linking its surface and subsurface water to allow ocean-sourced cryovolcanism. However, based on current models of Charon’s interior evolution, ice shells were far too thick to be fully cracked by the stresses associated with ocean freezing.

The timing of the ocean freeze is also important. The synchronous and circular orbits of Pluto and Charon stabilized relatively early, so tidal heating only occurred during the first million years. Fractures in the ice shell may be the initiation points of these canyons along the global tectonic belt of ridges that traverse the face of Charon, separating the northern and southern geological regions of the moon. If additional large extensional features were identified on the hemisphere not imaged by New Horizons, or compositional analysis could prove that Charon’s cryovolcanism originated from the ocean, it would support the idea that its ocean was substantially thicker than expected.

RO: În 2015, atunci când nava spațială New Horizons a întâlnit sistemul Pluto-Charon, echipa științifică condusă de Southwest Research Institute (SwRI) a descoperit obiecte interesante, active din punct de vedere geologic, în loc de sferele de gheață inerte imaginate anterior. Un om de știință de la SwRI a revizuit datele pentru a explora sursa fluxurilor criovolcanice și o centură evidentă de fracturi pe Charon, luna mare a lui Pluto. Aceste noi modele sugerează că, atunci când oceanul intern al lunii a înghețat, este posibil să fi format depresiunile adânci și alungite de-a lungul circumferinței sale, dar a fost mai puțin probabil să conducă la erupții de criovolcani cu gheață, apă și alte materiale în emisfera sa nordică.

Noua gheață care se formează pe stratul interior al învelișului de gheață existent poate, de asemenea, să tensioneze structura de suprafață. Pentru a înțelege mai bine evoluția interiorului și a suprafeței lunii, Rhoden a modelat modul în care s-au format fracturile în cochilia de gheață a lui Charon pe măsură ce oceanul de sub ea a înghețat. Echipa a modelat oceane de apă, amoniac sau un amestec dintre cele două, pe baza întrebărilor legate de alcătuirea acestora. Amoniacul poate acționa ca un antigel și poate prelungi viața oceanului; cu toate acestea, rezultatele nu au fost substanțial diferite.

Atunci când fracturile pătrund în întregul înveliș de gheață și ating oceanul subteran, lichidul, presurizat de creșterea volumului gheții nou înghețate, poate fi împins prin fracturi pentru a erupe la suprafață. Modelele au căutat să identifice condițiile care ar putea crea fracturi care să penetreze complet învelișul de gheață al lui Charon, făcând legătura între suprafața sa și apa din subsol pentru a permite criovolcanismul de origine oceanică. Cu toate acestea, pe baza modelelor actuale ale evoluției interioare a lui Charon, cochiliile de gheață erau mult prea groase pentru a fi complet fisurate de tensiunile asociate cu înghețarea oceanului.

Momentul în care a avut loc înghețarea oceanului este, de asemenea, important. Orbitele sincrone și circulare ale lui Pluto și Charon s-au stabilizat relativ devreme, astfel încât încălzirea prin maree a avut loc doar în primul milion de ani. Fracturile din învelișul de gheață pot fi punctele de inițiere a acestor canioane de-a lungul centurii tectonice globale de creste care traversează fața lui Charon, separând regiunile geologice nordice și sudice ale lunii. În cazul în care pe emisfera care nu a fost imaginată de New Horizons ar fi identificate alte caracteristici extensionale de mari dimensiuni sau dacă analiza compozițională ar putea dovedi că criovolcanismul lui Charon își are originea în ocean, s-ar susține ideea că oceanul său a fost substanțial mai gros decât se aștepta.

Source (Southwest Research Institute, “SwRI models explain canyons on Pluto moon”)

Paper: Rhoden, A.R., Rudolph, M.L. and Manga, M., 2023. The challenges of driving Charon’s cryovolcanism from a freezing ocean. Icarus, 392, p.115391.