New models assess bridge support repairs after earthquakes

ENG: Steel-reinforced concrete columns that support many of the world’s bridges are designed to withstand earthquakes, but always require inspection and often repair once the shaking is over. These repairs usually involve replacing loose concrete and fractured steel bars and adding extra materials around the damaged area to further strengthen it against future loads.

Credit: Mohammad Salehi/Rice University

Engineers at Rice University’s George R. Brown School of Engineering and Texas A&M University have developed an innovative computational modeling strategy to make planning these repairs more effective. The study by Rice postdoctoral research associate Mohammad Salehi and civil and environmental engineers Reginald DesRoches of Rice and Petros Sideris of Texas A&M appears in the journal Engineering Structures.

Their models simulate how columns are likely to respond globally (in terms of base shear and lateral displacement) and locally (with stress and strain) in future earthquakes when using various repair methods. They also predict the effects of slipping and buckling of reinforcement bars on the columns’ strength and ductility before and after repair.

The concrete and steel in reinforced columns are represented in the models by “fiber” elements. The models predict how they will respond to arbitrary loading considering the nonlinear stress-strain behaviors of columns and repair materials. After initial loading to simulate a certain level of damage, the models allow engineers to manipulate the model’s fibers and analyze the performance of repaired columns under seismic loads.

RO: Stâlpii din beton armat cu oțel care susțin multe dintre podurile din lume sunt proiectați să reziste la cutremure, dar necesită întotdeauna inspecții și adesea reparații după ce seismul a trecut. Aceste reparații implică, de obicei, înlocuirea betonului slăbit și a barelor de oțel fracturate și adăugarea de materiale suplimentare în jurul zonei deteriorate pentru a o consolida și mai mult împotriva sarcinilor viitoare.

Inginerii de la Școala de Inginerie George R. Brown a Universității Rice și de la Universitatea Texas A&M au dezvoltat o strategie inovatoare de modelare computațională pentru a face mai eficientă planificarea acestor reparații. Studiul realizat de Mohammad Salehi, cercetător asociat postdoctoral la Rice, și de inginerii civili și de mediu Reginald DesRoches de la Rice și Petros Sideris de la Texas A&M apare în revista Engineering Structures.

Modelele lor simulează modul în care este probabil ca aceste coloane să răspundă la nivel global (în ceea ce privește forfecarea bazei și deplasarea laterală) și local (cu tensiuni și deformații) în cutremurele viitoare, atunci când se folosesc diferite metode de reparare. De asemenea, acestea prezic efectele alunecării și flambajului barelor de armătură asupra rezistenței și ductilității coloanelor înainte și după reparații.

Betonul și oțelul din coloanele armate sunt reprezentate în modele prin elemente de “fibre”. Modelele prezic modul în care acestea vor răspunde la o încărcare arbitrară, luând în considerare comportamentele neliniare de tensiune-deformare ale coloanelor și ale materialelor de reparare. După încărcarea inițială pentru a simula un anumit nivel de deteriorare, modelele permit inginerilor să manipuleze fibrele modelului și să analizeze performanța coloanelor reparate sub sarcini seismice.

Source (Rice University, New models assess bridge support repairs after earthquakes, 18.01.2022)

Illinois team significantly improves BioCro software for growing virtual crops

ENG: A team from the University of Illinois has revamped the popular crop growth simulation software BioCro, making it a more user-friendly and efficient way to predict crop yield. The updated version, BioCro II, allows modelers to use the technology much more easily and includes faster and more accurate algorithms.

Credit: University of Illinois

“In the original BioCro, all the math that the modelers were using was mixed into the programming language, which many people weren’t familiar with, so it was easy to make mistakes,” said Justin McGrath, a Research Plant Physiologist for the U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service (USDA-ARS) at Illinois. “BioCro II separates those so modelers can do less programming and can instead focus on the equations.”

Separating the equations from the programming language allows researchers to try new simulations more easily. For example, if a project is looking at how a gene can help plants to use light more efficiently, the equations for that specific gene can be added to existing models, rather than having to change the entire model to include the new information. This development also allows for the software to operate well with other models, a large improvement from the original BioCro.

RO: O echipă de la Universitatea din Illinois a modernizat popularul software de simulare a creșterii culturilor BioCro, făcându-l mai ușor de utilizat și mai eficient în prezicerea randamentului culturilor. Versiunea actualizată, BioCro II, permite modelatorilor să utilizeze tehnologia mult mai ușor și include algoritmi mai rapizi și mai preciși.

“În versiunea originală a BioCro, toate calculele matematice pe care le foloseau modelatorii erau amestecate în limbajul de programare, cu care mulți oameni nu erau familiarizați, astfel încât greșelile se făceau ușor”, a declarat Justin McGrath, cercetător în domeniul fiziologiei plantelor pentru Departamentul de Agricultură al SUA, Serviciul de Cercetare Agricolă (USDA-ARS) din Illinois. “BioCro II le separă pe acestea, astfel încât modelatorii pot face mai puțină programare și se pot concentra în schimb pe ecuații.”

Separarea ecuațiilor de limbajul de programare le permite cercetătorilor să încerce mai ușor noi simulări. De exemplu, dacă un proiect analizează modul în care o genă poate ajuta plantele să utilizeze lumina mai eficient, ecuațiile pentru acea genă specifică pot fi adăugate la modelele existente, în loc să fie nevoie să se modifice întregul model pentru a include noile informații. Această dezvoltare permite, de asemenea, ca software-ul să funcționeze bine cu alte modele, ceea ce reprezintă o mare îmbunătățire față de BioCro original.

Source (RIPE, Illinois team significantly improves BioCro software for growing virtual crops, 28.02.2022)

Paper: Lochocki, E.B., Rohde, S., Jaiswal, D., Matthews, M.L., Miguez, F., Long, S.P. and McGrath, J.M., 2022. BioCro II: a software package for modular crop growth simulations. in silico Plants4(1), p.diac003.

DIY Digital Archaeology: New Methods for Visualizing Small Objects and Artefacts

ENG: The ability to visually represent artefacts, whether inorganics like stone, ceramic and metal, or organics such as bone and plant material, has always been of great importance to the field of anthropology and archaeology. Digital photography is the most commonly used method of visual representation, but despite its speed and efficiency, it often fails to faithfully represent the artefact being studied. In recent years, 3-D scanning has emerged as an alternative source of high-quality visualizations, but the cost of the equipment and the time needed to produce a model are often prohibitive.

Credit: Jacopo Niccolò Cerasoni

Now, a paper published in PLOS ONE presents two new methods for producing high-resolution visualizations of small artefacts, each achievable with basic software and equipment. Using expertise from fields which include archaeological science, computer graphics and video game development, the methods are designed to allow anyone to produce high-quality images and models with minimal effort and cost.

The first method, Small Object and Artefact Photography or SOAP, deals with the photographic application of modern digital techniques. The protocol guides users through small object and artefact photography from the initial set up of the equipment to the best methods for camera handling and functionality and the application of post-processing softwares.

The second method, High Resolution Photogrammetry or HRP, is used for the photographic capturing, digital reconstruction and three-dimensional modelling of small objects. This method aims to give a comprehensive guide for the development of high-resolution 3D models, merging well-known techniques used in academic and computer graphic fields, allowing anyone to independently produce high resolution and quantifiable models.

The SOAP and HRP protocols were developed using Adobe Camera Raw, Adobe Photoshop, RawDigger, DxO Photolab, and RealityCapture.

RO: Capacitatea de a reprezenta vizual artefacte, fie ele anorganice, cum ar fi piatra, ceramica și metalul, sau organice, cum ar fi osul și materialul vegetal, a fost întotdeauna de mare importanță pentru domeniul antropologiei și arheologiei. Fotografia digitală este cea mai frecvent utilizată metodă de reprezentare vizuală, dar deseori nu reușește să reprezinte cu fidelitate artefactul studiat în ciuda vitezei și eficienței sale. În ultimii ani, scanarea 3D a apărut ca o sursă alternativă de vizualizări de înaltă calitate, dar costul echipamentului și timpul necesar pentru a produce un model sunt adesea prohibitive.

Acum, o lucrare publicată în PLOS ONE prezintă două noi metode pentru producerea de vizualizări de înaltă rezoluție ale artefactelor mici, fiecare dintre ele realizabilă cu ajutorul unui software și al unui echipament de bază. Folosind expertiză din domenii care includ știința arheologică, grafica pe calculator și dezvoltarea de jocuri video, metodele sunt concepute pentru a permite oricui să producă imagini și modele de înaltă calitate cu efort și costuri minime.

Prima metodă, “Small Object and Artefact Photography” sau SOAP, se referă la aplicarea fotografică a tehnicilor digitale moderne. Protocolul îi ghidează pe utilizatori prin fotografierea obiectelor și artefactelor de mici dimensiuni, de la configurarea inițială a echipamentului până la cele mai bune metode de manipulare a aparatului foto și aplicarea softurilor de postprocesare.

Cea de-a doua metodă, fotogrammetria de înaltă rezoluție sau HRP, este utilizată pentru captarea fotografică, reconstrucția digitală și modelarea tridimensională a obiectelor mici. Această metodă își propune să ofere un ghid cuprinzător pentru dezvoltarea modelelor 3D de înaltă rezoluție, îmbinând tehnici bine cunoscute utilizate în domeniul academic și în cel al graficii computerizate, permițând oricui să producă în mod independent modele de înaltă rezoluție și cuantificabile.

Protocoalele SOAP și HRP au fost dezvoltate cu ajutorul Adobe Camera Raw, Adobe Photoshop, RawDigger, DxO Photolab și RealityCapture.

Source (Max Planck Institute, “DIY Digital Archaeology: New Methods for Visualizing Small Objects and Artefacts”, 13.04.2022)

Virtual reality tool to be used in the fight against disease

ENG: Advanced techniques in DNA and RNA sequencing have opened up the possibility of studying individual cells in tissue in a more comprehensive way than was previously possible. The big challenge with these sequencing techniques is that they lead to large amounts of data. To make this data comprehensible, each cell is mathematically positioned in three-dimensional space to form a “roadmap” of the cells, and how they relate to each other. However, these maps can be difficult to navigate using a regular desktop computer.

The Lund University team have developed the software CellexalVR; a virtual reality environment that enables researchers to use intuitive tools to explore all their data in one place. 3D maps of cells that have been calculated from gene activity and other information captured from individual cells can be displayed, and the researcher can clearly see which genes are active when certain cell types are formed. Using a VR headset, the user has a complete universe of cell populations in front of them, and can more accurately determine how cells relate to one another. Using two hand controllers, they can select cells of interest for further analysis with simple hand gestures as if they were physical objects. Since space is not an issue, it is possible to have several cellular maps in the same “room” and compare them side by side, something that is difficult on a traditional computer screen. Researchers can also meet in this VR world to analyse data together, despite being in different places geographically.

“Even if you are not familiar with computer programming, this type of analysis is open to everyone. A virtual world is a fast developing area of research that has enormous potential for scientists that need to access and process big-data in a more interactive and collaborative way”, concludes Shamit Soneji, researcher in computational biology at Lund University.

RO: Tehnicile avansate de secvențiere a ADN-ului și ARN-ului au deschis posibilitatea de a studia celulele individuale din țesuturi într-un mod mai cuprinzător decât era posibil până acum. Marea provocare a acestor tehnici de secvențiere este că ele conduc la cantități mari de date. Pentru a face aceste date inteligibile, fiecare celulă este poziționată matematic în spațiul tridimensional pentru a forma o “hartă” a celulelor și a modului în care acestea relaționează între ele. Cu toate acestea, aceste hărți pot fi dificil de navigat cu ajutorul unui calculator obișnuit.

Echipa de la Universitatea Lund a dezvoltat software-ul CellexalVR; un mediu de realitate virtuală care permite cercetătorilor să utilizeze instrumente intuitive pentru a explora toate datele într-un singur loc. Pot fi afișate hărți 3D ale celulelor care au fost calculate pe baza activității genelor și a altor informații capturate de la celule individuale, iar cercetătorul poate vedea clar ce gene sunt active atunci când se formează anumite tipuri de celule. Cu ajutorul unui set de căști VR, utilizatorul are în față un univers complet de populații de celule și poate determina cu mai multă precizie modul în care celulele relaționează între ele. Cu ajutorul a două controllere de mână, aceștia pot selecta celulele de interes pentru o analiză ulterioară cu ajutorul unor gesturi simple ale mâinilor, ca și cum ar fi obiecte fizice. Deoarece spațiul nu este o problemă, este posibil să existe mai multe hărți celulare în aceeași “cameră” și să fie comparate una lângă alta, ceea ce este dificil pe un ecran de computer tradițional. De asemenea, cercetătorii se pot întâlni în această lume virtuală pentru a analiza datele împreună, în ciuda faptului că se află în locuri diferite din punct de vedere geografic.

“Chiar dacă nu sunteți familiarizați cu programarea pe calculator, acest tip de analiză este disponibilă tuturor. O lume virtuală este un domeniu de cercetare în plină dezvoltare care are un potențial enorm pentru oamenii de știință care au nevoie să acceseze și să proceseze data într-un mod mai interactiv și mai colaborativ”, conchide Shamit Soneji, cercetător în domeniul biologiei computaționale la Universitatea Lund.

Source (Lund University, “WATCH: Virtual reality tool to be used in the fight against disease”, 23.11.2021)

Paper: Legetth, O., Rodhe, J., Lang, S., Dhapola, P., Wallergård, M. and Soneji, S., 2021. CellexalVR: A virtual reality platform to visualize and analyze single-cell omics data. IScience24(11), p.103251.

New Technique Offers Faster Security for Non-Volatile Memory Tech

ENG: Researchers have developed a technique that leverages hardware and software to improve file system security for next-generation memory technologies called non-volatile memories (NVMs). The new encryption technique also permits faster performance than existing software security technologies.

Credit: Glenn Carstens-Peters.

Traditionally, computers use two types of data storage. Dynamic random access memory (DRAM) allows quick access to stored data, but will lose that data if the system crashes. Long-term storage technologies, such as hard drives, are good at retaining data even if a system loses power – but store the data in a way that makes it slower to access. NVMs combine the best features of both technologies. However, securing files on NVM devices can be challenging. Existing methods for file system encryption use software, which is not particularly fast. Historically, this wasn’t a problem because the technologies for accessing file data from long-term storage devices weren’t particularly fast either.

“But now that NVMs are allowing faster access to file data, the software approach to file encryption has become a problem, because it slows down overall operations,” Abu Zubair says. “To address this challenge, we’ve developed a novel architecture that incorporates some elements of the encryption and decryption process into hardware, which is faster than software. As a result, processes that allow users to store and retrieve file data securely are significantly faster.”

In simulations, the researchers found that using their novel encryption architecture to secure files in NVMs slowed down operations by 3.8%, when running workloads that were representative of real-world applications. When using software approaches to provide security for the same workloads, operations slowed by about 200%. “If this was implemented in commercial processors, it would significantly improve performance for secure file operation in large data centers and cloud systems,” Abu Zubair says.

RO: Cercetătorii au dezvoltat o tehnică care utilizează hardware și software pentru a îmbunătăți securitatea sistemului de fișiere pentru tehnologiile de memorie de ultimă generație, numite memorii non-volatile (NVM). Noua tehnică de criptare permite o performanță mai rapidă decât tehnologiile de securitate software existente.

În mod tradițional, computerele folosesc două tipuri de stocare a datelor. Memoria dinamică cu acces aleatoriu (DRAM) permite accesul rapid la datele stocate, dar va pierde aceste date dacă sistemul se blochează. Tehnologiile de stocare pe termen lung, cum ar fi hard disk-urile, sunt bune pentru a păstra datele chiar dacă un sistem pierde energie – dar stochează datele într-un mod care face ca accesul la ele să fie mai lent. NVM-urile combină cele mai bune caracteristici ale ambelor tehnologii. Cu toate acestea, securizarea fișierelor pe dispozitivele NVM poate fi o provocare. Metodele existente de criptare a sistemului de fișiere utilizează software, care nu este deosebit de rapid. Din punct de vedere istoric, acest lucru nu a fost o problemă, deoarece nici tehnologiile de accesare a datelor din fișiere de pe dispozitivele de stocare pe termen lung nu erau deosebit de rapide.

“Dar acum, când NVM-urile permit un acces mai rapid la datele din fișiere, abordarea software pentru criptarea fișierelor a devenit o problemă, deoarece încetinește operațiunile generale”, spune Abu Zubair. “Pentru a aborda această provocare, am dezvoltat o arhitectură nouă care încorporează unele elemente ale procesului de criptare și decriptare în hardware, care este mai rapid decât software-ul. Ca urmare, procesele care permit utilizatorilor să stocheze în siguranță și să recupereze date din fișiere sunt semnificativ mai rapide.”

În cadrul simulărilor, cercetătorii au constatat că utilizarea noii arhitecturi de criptare pentru a securiza fișierele din NVM-uri a încetinit operațiunile cu 3,8%, atunci când au rulat sarcini de lucru reprezentative pentru aplicațiile din lumea reală. Atunci când se utilizează abordări software pentru a asigura securitatea acelorași sarcini de lucru, operațiunile au încetinit cu aproximativ 200%. “Dacă acest lucru ar fi implementat în procesoarele comerciale, ar îmbunătăți semnificativ performanța pentru operarea securizată a fișierelor în centrele de date mari și în sistemele cloud”, spune Abu Zubair.

Source (Matt Shipman, News NCSU, New Technique Offers Faster Security for Non-Volatile Memory Tech, 05.04.2022)

Paper: Kazi Abu Zubair and Amro Awad, North Carolina State University; David Mohaisen, University of Central Florida, “Filesystem Encryption or Direct-Access for NVM Filesystems? Let’s Have Both!,”, 28th IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA-22)