CdSBIONICS ENGINEERING
Codice1128I
CFU12
PeriodoAnnuale
LinguaInglese
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
In particolare, il modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” introdurrà l'ampio e interdisciplinare campo della bionica e delle aree scientifiche correlate, come la biorobotica, la neuroingegneria, e la bioingegneria. La bionica mira ad acquisire conoscenze specifiche attraverso l'analisi/modellazione di organismi viventi/ecosistemi e le applica per lo sviluppo di dispositivi innovativi bioispirati. La bionica concerne anche sistemi artificiali profondamente connessi ai tessuti del corpo e/o interagenti con gli organismi. L'applicazione dei principi della bionica è oggi diffusa in molti domini dell'ingegneria. Durante questo corso vengono presentate le conoscenze principali della bionica e della robotica per consentire la corretta comprensione dell'intero loop, dalle scoperte scientifiche al processo di innovazione ingegneristica. In particolare, il corso si concentra sui principi chiave della locomozione biologica, della robotica di sciame, degli organi artificiali, della neurorobotica, della neuroprostesi, e delle interfacce con il sistema nervoso, della morphological computation, di aspetti relativi all’energia, dei principi di design bionico strutturale e sulle principali tecniche di fabbricazione, nonché sui fondamenti della meccanica dei robot.
Modeling of multi-physics phenomena
Il corso fornisce una conoscenza pratica di base della meccanica computazionale dei solidi (elasticità lineare/non lineare) e dei fluidi (flussi incomprimibili di fluidi newtoniani). e l'elettromagnetismo computazionale a basse frequenze, principalmente associato a fenomeni bielettrici e modelli neurali. La prima parte del corso tratta la teoria del Metodo degli Elementi Finiti e introduce algoritmi numerici e pratiche per la soluzione di problemi non lineari e dipendenti dal tempo, comuni a tutte le suddette discipline computazionali. Quindi, durante le sessioni pratiche verranno mostrate le implementazioni numeriche di diversi modelli fisici in un software FE commerciale, insieme alle applicazioni per progettare problemi che coinvolgono sensori e dispositivi bioispirati.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
In particular, the “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” module will introduce the wide and interdisciplinary field of bionics and related scientific areas, such as biorobotics, neuroengineering and bioengineering. Bionics aims at gathering specific knowledge through the analysis/modeling of living organisms/ecosystems and applies it to the development of newly inspired advanced devices. Bionics also focuses on artificial systems deeply connected to body tissues, and/or interacting with organisms. The application of bionics principles is nowadays widespread in many engineering sub-fields. During this course, the pillars of bionics and robotics are presented to allow the proper understanding of the whole loop from scientific insights to engineering innovation. In particular, the course focuses on the key principles of biological locomotion, swarm robotics, artificial organs, neurorobotics, neuroprostheses, neural interfaces with the nervous system, morphological computation, energy issues, principles of structural bionic design and main manufacturing techniques, as well as the fundamentals of robot mechanics.
Modeling of multi-physics phenomena
The course provides a basic, practical knowledge of computational mechanics of solids (linear/non-linear elasticity) and fluids (incompressible flows of Newtonian fluids). and computational electromagnetism at low frequencies, mainly associated to bielectric phenomena and neural models. The first part of the course deals with the theory of the Finite Element Method and introduces numerical algorithms and practices for the solution of non-linear and time-dependent problems, which are common to all the aforementioned computational disciplines. Then, the numerical implementations of several physical models in a commercial FE software will be shown during hands-on sessions, along with applications to design problems involving sensors and bioinspired devices.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Per quanto riguarda il modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” gli studenti saranno valutati mediante una prova orale, per verificare il loro grado di apprendimento delle conoscenze e dei messaggi chiave del corso.
Modeling of multi-physics phenomena
Durante l'esame orale lo studente dovrà: (1) discutere l'elaborato e (2) dimostrare di aver appreso i contenuti esposti nel corso anche attraverso forma di esercizi e calcoli.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Concerning the module “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering”, the students will be subjected to oral evaluation of the knowledge acquired in the course, in order to understand if they gathered the key course messages.
Modeling of multi-physics phenomena
During the oral exam the student will have to: (1) discuss the projectual work and (2) demonstrate that he/she have learned the contents presented in the course also through exercises and calculations.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Alla fine del corso “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering”, lo studente:
- acquisirà delle conoscenze chiave riguardanti i principi di ingegneria bionica e robotica;
- sarà in grado di orientarsi all’interno della letteratura scientifica;
- sarà in grado di formulare ipotesi innovative e di immaginare nuove soluzioni riguardanti il design bionico e paradigmi di robotica bioispirata.
Modeling of multi-physics phenomena
Al termine del modulo lo studente:
- Acquisirà una conoscenza computazionale di base meccanica dei solidi, dei liquidi e elettromagnetismo (bassa frequenza)
- Acquisirà conoscenze di base sul metodo degli elementi finiti
- Sarà in grado di implementare modelli fisici in software FE commerciale
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
At the end of the module “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering”, the student:
- Will possess the main knowledge about bionic and robotics engineering principles;
- Will be able to orient him/herself in the scientific literature;
- Will be able to formulate innovative hypotheses and to devise new solutions on bionic design and bioinspired robotic paradigms.
Modeling of multi-physics phenomena
At the end of the module the student:
- Will acquire a basic computational knowledge of mechanics of solids, liquids and electromagnetism (low frequency)
- Will acquire basic knowledge on the finite element method
- Will be able to implement physical models in commercial FE software
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Per il modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering”, gli strumenti utilizzati consisteranno in:
- Presentazione dei principali strumenti utilizzati in letteratura per fabbricazione e caratterizzazione di strutture a diverse scale dimensionali e per lo sviluppo di sistemi neurorobotici e neuroprotesici
- Banche dati “Scholar”, “Scopus” e “ISI Web of Knowledge”, che consentono allo studente di approfondire la letteratura scientifica connessa agli argomenti del corso
Modeling of multi-physics phenomena
Le capacità saranno verificate sia durante le lezioni in classe che a livello della prova orale
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
In the module “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering”, the instruments used will consist of:
- Presentation of the main instruments used in the literature for fabricating and characterizing structures at different scales, and to develop neurorobotic and neuroprosthetic systems
- “Scholar”, “Scopus” and “ISI Web of Knowledge” databases, allowing students to go in deep in the scientific literature related to the course topics.
Modeling of multi-physics phenomena
Student competence will be assessed either during lectures in the classroom and during oral examination
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Durante il modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” ci si aspetta che lo studente acquisisca:
- L’attitudine a formulare nuove ipotesi e a generare idee creative nei domini del design bionico, della neuroingegneria e della biorobotica;
- Competenze e attitudine al pensiero creativo nei campi della robotica, biorobotica, neuroingegneria e bionica.
Modeling of multi-physics phenomena
Lo studente sarà in grado di analizzare teoricamente e implementare modelli fisici di diversa natura.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
The attitudes that the student is thought to acquire during the module “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” are:
- Attitude to formulate innovative hypotheses and creative ideas in the bionic design, neuroprosthetic, and biorobotics domains;
- Competences and attitude to creative thinking concerning the fields of robotics, biorobotics, neural engineering, and bionics.
Modeling of multi-physics phenomena
The student will be able to theoretically analyze and implement physical models of different nature.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering: Gli strumenti usati per valutare se gli studenti avranno acquisito le conoscenze e attitudini attese, saranno principalmente domande poste agli studenti nel corso delle lezioni frontali, per valutare l’acquisizione e consolidamento di certi concetti chiave.
Modeling of multi-physics phenomena
La verifica dei comportamenti avverrà sulla base di interazioni e colloqui individuali con gli studenti. E' prevista l'esecuzione di elaborati specifici assegnati singolarmente o per piccoli gruppi.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering: The instruments used to assess if the students gathered the expected attitudes will be mainly questions posed to the students during the frontal classes, to evaluate the acquisition and consolidation of certain concepts.
Modeling of multi-physics phenomena
Behavior will be assessed through either individual interactions and colloquia with the students. Specific projectual works will be assigned to the students and supervised by the teacher. The projects will be assigned either on an individual basis or to small groups of students
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering: Per seguire in modo proficuo questo corso, non sono richieste conoscenze pregresse specialistiche. Tuttavia, competenze consolidate di fisica e matematica sono necessarie. Inoltre, anche se non strettamente richieste, competenze di meccanica, elaborazione dei segnali ed elettronica sono desiderabili.
Modeling of multi-physics phenomena
Per seguire in modo proficuo questo modulo, non sono richieste conoscenze pregresse specialistiche. Tuttavia, competenze consolidate di fisica e matematica sono necessarie. Inoltre, anche se non strettamente richieste, competenze di meccanica ed bioelettricità sono desiderabili.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering: To profitably attend this course, no specialistic knowledge is required. However, consolidated competences of physics and mathematics are needed. In addition, even if not strictly needed, competences concern mechanic, signal processing, and electronics are desirable.
Modeling of multi-physics phenomena
To profitably attend this module, no specialistic knowledge is required. However, consolidated competences of physics and mathematics are needed. In addition, even if not strictly needed, competences concern mechanics and bioelectricity are desirable.
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Le indicazioni metodologiche per il modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” sono:
- Le lezioni verranno svolte alternando trattazioni alla lavagna e slide proiettate, con l’ausilio di animazioni e video;
- Le lezioni saranno disponibili in formato elettronico sul sito web http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti;
- L’interazione docente/studente sarà basata su scambi e-mail o su riunioni su appuntamento, per discutere degli argomenti toccati durante il corso;
- È previsto lo sviluppo di un projectual work di gruppo o individuale da parte di ogni studente
La lingua utilizzata per tutte le lezioni è l’Inglese.
Modeling of multi-physics phenomena
- Lezioni frontali
- Esercitazioni
- Seminari su argomenti specialistici
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
The methodological indications for the module “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” are:
- The classes will be carried out in an alternated way at the blackboard and by means of projected slides, also with the help of animations and videos;
- Lessons will be available in electronic format (pdf files) on the website http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessible by students;
- The teacher/student interaction will be based on e-mail exchanges or by setting meetings on demand, for discussing topics touched during the course;
- A projectual work, individual or in group, is expected from each student;
- The language used during all classes is English.
Modeling of multi-physics phenomena
- Lectures
- Exercises
- Seminars on specialized topics
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
Gli argomenti del modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” sono i seguenti:
- Evoluzione storica della bionica, in relazione alla robotica e alla bioingegneria;
- Organismi modello e principi di locomozione biologica in diversi ambienti e applicazioni in robotica
- Gestione bionica dell’energia: confronto tra animali e robot;
- Tecnologie di fabbricazione a diverse scale dimensionali;
- Design strutturale bioispirato e materiali avanzati;
- Fondamenti di meccanica dei robot (giunti, trasformazioni omogenee, jacobiane, metodi per studi cinematici e dinamici);
- Robotica di sciame;
- Principi per lo sviluppo di interfacce neurali e neuroprotesi
- Questioni etiche e considerazioni legali
Modeling of multi-physics phenomena
- Modellazione in forma debole e teoria del metodo degli elementi finiti
- Metodi numerici e buone pratiche per la soluzione di problemi non lineari e transitori
- Elasticità lineare e non lineare
- Flussi incomprimibili di fluidi newtoniani
- Elettromagnetismo a basse frequenze (fenomeni bioelettrici e modelli neurali)
- Progettazione di sensori e dispositivi bioispirati utilizzando strumenti computazionali
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
The “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” module topics are the following:
- Historical evolution of bionics, related to robotics and bioengineering;
- Model organisms and biological locomotion principles in different media, and applications in robotics;
- Bionic energy management: comparison between organisms and robots;
- Fabrication technologies at different scales;
- Bioinspired structural design and advanced materials;
- Fundamentals of robot mechanics (schematic of the joints, homogeneous transformations, Jacobian, methods for kinematic and dynamic studies);
- Swarm robotics;
- Principles to design effective neural interfaces and neuroprostheses
- Ethical issues and legal considerations.
Modeling of multi-physics phenomena
- Weak-form modeling and theory of the Finite Element Method
- Numerical methods and best practices for the solution of non-linear and transient problems
- Linear and non-linear elasticity
- Incompressible flows of Newtonian fluids
- Electromagnetism at low frequencies (biolectric phenomena and neural models)
- Design of sensors and bioinspired devices using computational tools
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
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Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
- Nachtigall, W., & Wisser, A. (2014). Bionics by examples.
- Beni, G. (2004, July). From swarm intelligence to swarm robotics. In International Workshop on Swarm Robotics(pp. 1-9). Springer, Berlin, Heidelberg.
- Copeland, J. G., Smith, R. G., Arabia, F. A., Nolan, P. E., Sethi, G. K., Tsau, P. H., ... & Slepian, M. J. (2004). Cardiac replacement with a total artificial heart as a bridge to transplantation. New England Journal of Medicine, 351(9), 859-867.
- Zhang, C., Mcadams, D. A., & Grunlan, J. C. (2016). Nano/Micro‐Manufacturing of Bioinspired Materials: a Review of Methods to Mimic Natural Structures. Advanced Materials, 28(30), 6292-6321.
- Alexander, R. M. (2003). Principles of animal locomotion. Princeton University Press.
- Menon, C., Murphy, M., & Sitti, M. (2004, August). Gecko inspired surface climbing robots. In Robotics and Biomimetics, 2004. ROBIO 2004. IEEE International Conference on(pp. 431-436).
- Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., & Ritchie, R. O. (2015). Bioinspired structural materials. Nature materials, 14(1), 23-36.
- Shokur et al., A modular strategy for next-generation upper-limb sensory-motor neuroprostheses, Med, 2021.
- Borton et al., Personalized neuroprosthetics, Science Trans Med, 2013.
Le lezioni in formato digitale sono disponibili sul sito http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea, accessibile dagli studenti.
Modeling of multi-physics phenomena
Dokos, Socrates. Modelling organs, tissues, cells and devices: using Matlab and Comsol multiphysics. Springer, 2017
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering:
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Principles of Bionics and Biorobotics Engineering:
- Nachtigall, W., & Wisser, A. (2014). Bionics by examples.
- Beni, G. (2004, July). From swarm intelligence to swarm robotics. In International Workshop on Swarm Robotics(pp. 1-9). Springer, Berlin, Heidelberg.
- Copeland, J. G., Smith, R. G., Arabia, F. A., Nolan, P. E., Sethi, G. K., Tsau, P. H., ... & Slepian, M. J. (2004). Cardiac replacement with a total artificial heart as a bridge to transplantation. New England Journal of Medicine, 351(9), 859-867.
- Zhang, C., Mcadams, D. A., & Grunlan, J. C. (2016). Nano/Micro‐Manufacturing of Bioinspired Materials: a Review of Methods to Mimic Natural Structures. Advanced Materials, 28(30), 6292-6321.
- Alexander, R. M. (2003). Principles of animal locomotion. Princeton University Press.
- Menon, C., Murphy, M., & Sitti, M. (2004, August). Gecko inspired surface climbing robots. In Robotics and Biomimetics, 2004. ROBIO 2004. IEEE International Conference on(pp. 431-436).
- Wegst, U. G., Bai, H., Saiz, E., Tomsia, A. P., & Ritchie, R. O. (2015). Bioinspired structural materials. Nature materials, 14(1), 23-36.
- Shokur et al., a modular strategy for next-generation upper-limb sensory-motor neuroprostheses, Med, 2021.
- Borton et al., personalized neuroprosthetics, Science Trans Med, 2013.
Lessons: http://www.bionicsengineering.it/Courses_PrivateArea
Modeling of multi-physics phenomena
Dokos, Socrates. Modelling organs, tissues, cells and devices: using Matlab and Comsol multiphysics. Springer, 2017
nessuna
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Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
L’esame relativo al modulo “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” è costituito da una prova orale.
La prova orale è superata se il candidato è in grado di rispondere con padronanza e metodo alla maggior parte delle domande poste dai docenti riguardanti gli argomenti del corso.
Modeling of multi-physics phenomena
Esame orale
Principles of Bionics and Biorobotics Engineering
The “Principles of Bionics and Biorobotics Engineering” module exam will be based on an oral examination.
The oral examination is passed if the student replies in a correct way to the majority of the questions posed by the teachers concerning the course topics.
Modeling of multi-physics phenomena
Oral exam