Key physicochemical properties for a wide spectrum of chemical pollutants are unknown. This thesis analyses the prospect of assessing the environmental distribution of chemicals directly from supervised learning algorithms using molecular descriptors, rather than from multimedia environmental models (MEMs) using several physicochemical properties estimated from QSARs. Dimensionless compartmental mass ratios of 468 validation chemicals were compared, in logarithmic units, between: a) SimpleBox 3, a Level III MEM, propagating random property values within statistical distributions of widely recommended QSARs; and, b) Support Vector Regressions (SVRs), acting as Quantitative Structure-Fate Relationships (QSFRs), linking mass ratios to molecular weight and constituent counts (atoms, bonds, functional groups and rings) for training chemicals. Best predictions were obtained for test and validation chemicals optimally found to be within the domain of applicability of the QSFRs, evidenced by low MAE and high q2 values (in air, MAE≤0.54 and q2≥0.92; in water, MAE≤0.27 and q2≥0.92). / Las propiedades fisicoquímicas de un gran espectro de contaminantes químicos son desconocidas. Esta tesis analiza la posibilidad de evaluar la distribución ambiental de compuestos utilizando algoritmos de aprendizaje supervisados alimentados con descriptores moleculares, en vez de modelos ambientales multimedia alimentados con propiedades estimadas por QSARs. Se han comparado fracciones másicas adimensionales, en unidades logarítmicas, de 468 compuestos entre: a) SimpleBox 3, un modelo de nivel III, propagando valores aleatorios de propiedades dentro de distribuciones estadísticas de QSARs recomendados; y, b) regresiones de vectores soporte (SVRs) actuando como relaciones cuantitativas de estructura y destino (QSFRs), relacionando fracciones másicas con pesos moleculares y cuentas de constituyentes (átomos, enlaces, grupos funcionales y anillos) para compuestos de entrenamiento. Las mejores predicciones resultaron para compuestos de test y validación correctamente localizados dentro del dominio de aplicabilidad de los QSFRs, evidenciado por valores bajos de MAE y valores altos de q2 (en aire, MAE≤0.54 y q2≥0.92; en agua, MAE≤0.27 y q2≥0.92).

El objetivo de esta tesis es proporcionar un mayor grado de conocimiento sobre ciertos aspectos medioambientales del transporte por carretera que aún no han sido investigados en profundidad. En concreto, la tesis aborda las siguientes líneas de investigación: análisis del ciclo de vida (ACV) de los pavimentos de carreteras, ACV del ruido del transporte por carretera, y valoración de los costes externos del ruido del transporte por carretera. La evaluación ambiental del transporte rodado se ha centrado fundamentalmente en los impactos ambientales de las emisiones atmosféricas de los vehículos que circulan por las carreteras, mientras que los impactos de la construcción, mantenimiento y fin de vida de las carreteras no han recibido demasiada atención. La metodología del ACV puede ser útil para abordar esta limitación, ya que tiene como objetivo evaluar los impactos ambientales asociados a todas las etapas del ciclo de vida de un producto o servicio desde la cuna hasta la tumba. En esta tesis se ha realizado un ACV exhaustivo de pavimentos de carreteras, y se ha desarrollado una herramienta de ACV para calcular de forma automática los impactos ambientales de los pavimentos. Se han analizado distintos tipos de pavimentos, incluyendo mezclas bituminosas en caliente (MBC, fabricadas a 165 °C), mezclas bituminosas templadas (MBT, fabricadas a 135 °C) mediante la adición de zeolitas sintéticas, y mezclas bituminosas con pavimento asfáltico reciclado (PAR). De este modo, se han evaluado los impactos ambientales asociados al consumo de energía y a las emisiones atmosféricas, así como otros impactos ambientales debidos a la extracción y procesado de minerales, betunes y aditivos químicos; fabricación de asfaltos; transporte de materiales; pavimentación; tráfico durante la vida útil del pavimento; transformación y ocupación del suelo; desmantelamiento del pavimento al final de su vida útil y su reciclaje o eliminación en vertedero. También se han realizado simulaciones mediante el método de Monte Carlo para tener en cuenta la variabilidad de ciertos parámetros de entrada críticos. Al considerar todo el ciclo de vida, se ha observado que los impactos de los pavimentos de MBT a base de zeolita son casi idénticos a los impactos de los pavimentos de MBC con el mismo contenido de PAR. La reducción de los impactos que se obtiene en las MBT al disminuir la temperatura de fabricación queda contrarrestada por los mayores impactos de los materiales utilizados, sobre todo los impactos de las zeolitas sintéticas. Por otro lado, al comparar mezclas bituminosas con distintos contenidos de PAR, se ha observado que los impactos de las mezclas se reducen de forma significativa al añadir PAR. Todos los impactos en las categorías "de punto final", así como los impactos en las categorías de cambio climático, agotamiento de recursos fósiles y demanda de energía acumulada, se han reducido un 13-14% mediante la adición de un 15% de PAR. Una ventaja clave de las MBT es el uso potencialmente mayor de PAR. Por lo tanto, la reducción de los impactos que se consigue añadiendo grandes cantidades de PAR a las MBT podría convertirlas en una buena alternativa a las MBC desde el punto de vista medioambiental. A diferencia de otros contaminantes del transporte rodado (por ejemplo, las emisiones gaseosas), el ruido rara vez se incluye en los estudios de ACV, debido a que tiene ciertas particularidades (dependencia de factores locales, imposibilidad de agregar linealmente sus emisiones, etc.) que dificultan la evaluación de su impacto. La escasez de datos sobre ruido ha supuesto un inconveniente añadido para evaluar su impacto. Sin embargo, la publicación reciente de los mapas estratégicos de ruido ofrece la oportunidad de superar estas limitaciones. En esta tesis se ha desarrollado un método para evaluar el impacto del ruido del transporte rodado e integrarlo en el marco del ACV. Este método resuelve las limitaciones metodológicas observadas en otros trabajos previos y permite realizar las evaluaciones a partir de datos de los mapas estratégicos de ruido. Los impactos del ruido sobre la salud se cuantifican en DALYs (años de vida ajustados por discapacidad), posibilitando la comparación y agregación del ruido con otros contaminantes nocivos para la salud. La tesis también incluye un caso de estudio donde el método propuesto se ha aplicado para calcular el impacto del ruido causado por un vehículo pesado adicional en tres carreteras distintas. El impacto del ruido causado por el vehículo pesado varía considerablemente de una carretera a otra (hasta el punto de doblarse), debido a la dependencia del impacto del ruido de factores locales, como las condiciones de tráfico y la densidad de población cercana a las carreteras. La extrapolación de los resultados obtenidos para una carretera determinada a otras carreteras puede, por lo tanto, conducir a estimaciones erróneas de los impactos del ruido, siendo difícil predecir el error incurrido. Por esta razón, se recomienda realizar evaluaciones específicas del impacto del ruido para cada caso particular, siempre que haya datos de tráfico y de exposición al ruido. El método propuesto permite realizar tales evaluaciones de forma sencilla y eficaz a partir de datos públicos disponibles en los mapas estratégicos de ruido. Además, el impacto del ruido causado por el vehículo pesado se ha comparado y agregado con los impactos sobre la salud debidos al consumo de combustible y a las emisiones atmosféricas de ese mismo vehículo. El impacto del ruido ha supuesto entre el 2,58% y el 4,96% del impacto total causado por el vehículo pesado adicional. El ruido ha resultado ser la tercera categoría de impacto más significativa en términos de daños a la salud, únicamente superado por el cambio climático y por la formación de partículas. Por lo tanto, el ruido del transporte rodado puede tener un impacto significativo comparado con otras categorías de impacto evaluadas normalmente en el ACV, lo que justifica su inclusión como categoría de impacto habitual en los estudios de ACV del transporte rodado. Una solución eficaz para reducir los impactos ambientales del transporte rodado es internalizar los costes externos de tales impactos mediante instrumentos de tarificación; por ejemplo, tasas a los usuarios de las carreteras según la contaminación que producen. Estas tasas pueden alentar a los usuarios a utilizar tecnologías del automóvil más limpias y a optimizar sus comportamientos logísticos, mientras que los ingresos de las tasas pueden destinarse a reducir la contaminación en su origen y a fomentar la movilidad sostenible. La Directiva Euroviñeta permite a los Estados miembros de la UE aplicar tasas a los vehículos pesados con el fin de compensar los costes de la contaminación acústica que originan. Para ello, proporciona un método para el cálculo de los costes externos del ruido del tráfico rodado. Este método requiere el uso de factores de ponderación para cada categoría de vehículo y para cada período del día con vistas a permitir la diferenciación de los costes del ruido, sin embargo, la Directiva Euroviñeta no proporciona valores específicos o directrices para el cálculo de tales factores. Por esta razón, en esta tesis se ha desarrollado un método alternativo para calcular los costes externos del ruido del tráfico rodado en Europa. Asimismo, se han desarrollado factores de ponderación mejorados que constituyen la base del método propuesto. Estos factores son más fiables que los que se aportan en otros estudios, ya que están altamente diferenciados para reflejar de forma precisa la influencia de los factores clave, como la categoría de vehículo, la velocidad y el período del día. El método propuesto permite obtener tasas basadas en la distancia para cualquier categoría de vehículo (turismos, furgonetas, vehículos pesados, ciclomotores y motocicletas) y período del día (día, tarde y noche), mientras que el método de la Directiva Euroviñeta solo es aplicable a los vehículos pesados en los períodos diurno y nocturno. La tesis también incluye un caso de estudio donde el método propuesto se ha aplicado para calcular los costes medios del ruido por vehículo-kilómetro según la categoría de vehículo y el período del día para tres carreteras distintas. Los costes del ruido difieren considerablemente de una carretera a otra (hasta el punto de casi triplicarse), debido a la dependencia de los costes del ruido de factores locales. Si se hubiera aplicado un enfoque "top-down", como establece la Directiva Euroviñeta, los costes del ruido habrían sido iguales en todas las carreteras, lo cual no es coherente con el principio de "quien contamina paga", que debe regir la tarificación por el uso de la infraestructura vial. Por otro lado, se ha comprobado que la falta de diferenciación en base a la velocidad, que presentan los factores de ponderación aportados en otros estudios previos, puede llevar a errores significativos de los costes del ruido atribuibles a los vehículos de las distintas categorías. Si en el caso de estudio se hubieran aplicado los factores de ponderación de otro estudio, el error cometido habría variado entre -37,36% y -24,27% para los turismos y entre 30,24% y 57,46% para los vehículos pesados, dependiendo de la carretera. Por lo tanto, las tasas aplicadas a los vehículos pesados se habrían sobrestimado considerablemente, lo cual también es incoherente con el principio de quien contamina paga.

Els electrosprays estan constituïts de microgotes amb alta càrrega elèctrica i en moviment sota l'acció de forces electrostàtiques. Les gotes es generen com a resultat de la ruptura d'un doll de líquid sotmès a un camp elèctric prou fort. Les gotetes generades per tant, són transportats sota la influència combinada del gradient electrostàtic entre l'emissor i la contraplaca, la interacció amb la càrrega de les gotes del voltant i la força de la resistència aerodinàmica. La major part de les aplicacions de electrospray impliquen l'evaporació de les gotes com a part fonamental per aconseguir el resultat desitjat. Quan un conjunt de partícules d'aerosol es mou amb una velocitat neta en relació amb el gas circumdant, les partícules exerceixen una força d'arrossegament sobre el gas que causa el moviment del gas. En electrosprays, aquest moviment del gas és induït per les microgotes altament carregades sota l'acció de forces electrostàtiques. Mentre que molts models numèrics no han considerat el flux de gas induït en les simulacions numèriques de electrosprays, l'evidència experimental mostra que aquesta velocitat del gas modifica el comportament del esprai a nivell local. Considerant la incidència que aquest moviment del gas pot tenir en l'evaporació de gotetes en electrosprays volàtils, es fa evident que és necessari disposar d'una metodologia per a la simulació de la dinàmica de electrosprays que inclogui aquest aspecte. A més, ja que el moviment de gas també influeix en el moviment de les gotes, la formulació ha de considerar que aquests moviments són completament acoblats (és a dir, acoblats en les dues direccions). Aquests models més complets han de ser capaços de dilucidar la influència del flux de gas induït en variables d'importància pràctica, com ara són el patró de flux de deposició a la contraplaca, l'eixamplament del plomall, la distribució de densitat de nombre de gotes, i també en la predicció de l'evaporació de les gotes. En aquest treball s'ha desenvolupat un esquema numèric integral que acobla completament la dinàmica Lagrangiana de les gotes de l'electrospray amb els efectes del flux de gas induït, les explosions de Coulomb, i el transport de vapor de dissolvent, així com de la càrrega que deixen darrera les gotes que s'esvaeixen en els electrospray volàtils. S'han desenvolupat codis diferents per a simular cada fenomen per separat els quals s'han executat seqüencialment i de manera iterativa fins aconseguir la convergència de totes les variables. Aquesta metodologia ha estat aplicada per comparar els efectes d'evaporació en tres sistemes d'electrospray amb dissolvents de diferent volatilitat: acetona, metanol i n-heptà. Les gotes es van injectar en els tres sistemes amb una distribució de diàmetres log-normal unimodal amb un valor mitjà de 8 μm, i un coeficient de variació del 10%. Explosions de Coulomb intenses s'han observat dins l'esprai en forma de bandes diagonals (en el domini 2D). El transport de vapor en aquests sistemes és predominantment per convecció forçada en lloc de pura difusió. La concentració més alta de vapor s'observa prop de la zona d'injecció per a tots els tres sistemes, concentració que decau ràpidament a partir de llavors, tant en sentit radial com axial. En els tres casos, cap o poques gotes arriben a la contraplaca situada 3 cm sota del broquet capil•lar, posant en evidencia la necessitat de tenir en compte l'evaporació en les simulacions d'aquests sistemes. / Los electrosprays están constituidos de microgotas altamente cargadas i en movimiento bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Las gotas se generan como resultado de la ruptura de un chorro de líquido sometido a un campo eléctrico suficientemente fuerte. Las gotas generadas por lo tanto, son transportadas bajo la influencia combinada del gradiente electrostático entre el emisor y contraplaca, la interacción con la carga de las gotas de los alrededores y la fuerza de la resistencia aerodinámica. La mayor parte de las aplicaciones de electrosprays implican la evaporación de gotitas como un aspecto fundamental para lograr el resultado deseado. Cuando un sistema de partículas de aerosol se mueve con una velocidad neta en relación con el gas circundante, las partículas ejercen una fuerza de arrastre sobre el gas que causa que el movimiento del gas. En electrosprays, este movimiento de gas es inducido por las microgotas altamente cargadas bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Mientras que muchos modelos numéricos no han considerado el flujo de gas inducido en las simulaciones numéricas de electrosprays, la evidencia experimental muestra que la velocidad del gas modifica el comportamiento del spray a nivel local. Considerando la incidencia que puede tener en la evaporación de gotitas en electrosprays volátiles, es evidente la necesidad de una metodología general para la simulación de la dinámica de electrosprays que incluyan este aspecto. Adicionalmente, ya que el movimiento del gas también influye en el movimiento de las gotas, la formulación debe considerar que estos movimientos están completamente acoplados (es decir, acoplados en las dos direcciones). Estos modelos más completos deberían ser capaces de dilucidar la influencia del flujo de gas inducida en las variables de importancia práctica, tales como el patrón de flujo de deposición en la contraplaca, el ensanchamiento del penacho, la distribución de densidad de número de gotas, y también en la predicción de la evaporación de las gotas. En este trabajo se ha desarrollado un esquema numérico integral que acopla completamente la dinámica de gotas electrospray de Lagrange con los efectos del flujo de gas inducido, las explosiones de Coulomb, y el transporte de vapor de disolvente, así como de la carga que dejan detrás las gotas que se desvanecen en los electrosprays volátiles. Se han desarrollado códigos diferentes para simular cada fenómeno por separado y se han ejecutado secuencialmente y de manera iterativa hasta conseguir la convergencia de todas las variables. Esta metodología se ha aplicado para comparar los efectos de evaporación en tres sistemas de electrospray con disolventes de diferente volatilidad: acetona, metanol y n-heptano. Las gotas se inyectaron en los tres sistemas con una distribución de diámetros log-normal unimodal con un valor medio de 8 µm, y un coeficiente de variación de 10%. Intensas explosiones de Coulomb se han observado dentro del spray en forma de bandas diagonales (en el dominio 2D). El transporte de vapor en estos sistemas es predominantemente por convección forzada en lugar de pura difusión. La más alta concentración de vapor se observa cerca de la zona de inyección para todos los tres sistemas, concentración que decae rápidamente a partir de entonces, en sentido tanto radial como axial. En los tres casos, pocas o ninguna gota llega a la contraplaca situada 3 cm por debajo de la boquilla capilar, poniendo en evidencia la necesidad de tener en cuenta la evaporación en la simulación de estos sistemas. / Electrosprays are constituted of highly charged micro drops moving under the action of electrostatic forces. They are generated as a result of the breakup of a liquid jet subjected to a sufficiently strong electric field. The droplets hence generated are transported under the combined influence of the electrostatic gradient between the emitter and counterplate, the interaction with the spray charge and the aerodynamic drag force. Most of the electrospray applications involve droplet evaporation as a critical aspect in achieving their desired result. When a collection of aerosol particles move with a net velocity relative to the surrounding gas, it exerts a drag force on the gas which can cause the gas to flow. In electrosprays, this gas motion is induced by the highly charged micro-drops moving under the action of electrostatic forces. While many numerical models have neglected induced gas flow in the numerical simulations of electrosprays, experimental evidence shows that the gas speed can be significant locally. Also considering the importance it can have in droplet evaporation in volatile electrosprays, there is a need for a general methodology to include the induced gas flow caused by the droplets in current numerical models of electrospray dynamics. Furthermore, since the gas motion also influences the droplet motion, a formulation that can accurately describe these motions should be fully coupled (i.e., two-way coupled). Such improved models should be able to elucidate the influence of the induced gas flow on variables of practical importance such as the flux deposition pattern on the counterplate, plume spread, droplet number density distribution, and also in the prediction of droplet evaporation. We developed a comprehensive numerical scheme which fully couples the Lagrangian electrospray droplet dynamics with the effects of induced gasflow, Coulomb explosions, and the transport of solvent vapor as well as charge left over by vanishing droplets in volatile electrospray systems. Separate codes for the diverse phenomena were developed. These codes have been run sequentially and in an iterative way until convergence was attained for all variables. This methodology has been applied to compare the evaporation effects in three electrospray systems with solvents of different volatility: acetone, methanol and n-heptane. The droplets were injected into the three systems with unimodal and log-normal distributed diameters with a mean value of 8 μm, and a coefficient of variation of 10%. Regions of intense Coulomb explosion events in form of diagonal bands (in the 2D domain) within the spray are well captured. We observe that the vapor transport in these systems is predominantly by forced convection rather than diffusion. Highest vapor concentration is observed near the injection zone for all the three systems, which rapidly decays thereafter, both radially as well as axially. In all three cases, few or no droplets arrive at the counterplate located 3 cm down the capillary nozzle, highlighting the relevance of accounting for evaporation when simulating these systems.

The irrigated world area has been increased dramatically from the mid of 20th century. Freshwater use and its consumption have emerged as areas of high environmental concern. Although agricultural lands represent only 12% of the world’s land area, roughly 70% of water withdrawn from aquifers, streams and lakes are for irrigated agriculture. Climate change is a truly global problem around the world and the contribution from the agricultural sector is significantly high. Consequently, the environmental impacts from the use of water by agricultural activities and their relative contribution to Greenhouse Gas emissions should be properly addressed. The present thesis aims mainly to assess the environmental performance of different agricultural systems through the application of Life Cycle Assessment and other complementary methods. Two main environmental impacts were considered: Global Warming and Water Footprint. The objective is to provide farmers with methodological and practical decision- making tools to help them to practice in sustainable agriculture. / La superficie mundial de regadío ha aumentado drásticamente desde la segunda mitad del siglo XX. El uso de agua dulce y su consumo se han convertido en áreas de interés ambiental. Aunque las tierras agrícolas representan sólo el 12% de la superficie terrestre del mundo, aproximadamente el 70% del agua extraída de los acuíferos, ríos y lagos se utiliza para la agricultura de regadío. El cambio climático es un conocido problema global en todo el mundo y la contribución del sector agrícola es significativamente alta. Consiguientemente, los impactos ambientales procedentes del uso del agua debido a las actividades agrícolas y su relativa contribución en la emisión de Gases de Efecto Invernadero deben ser tratados adecuadamente. La presente tesis tiene como objetivo principal evaluar el perfil ambiental de los diferentes sistemas agrícolas a través de la aplicación del Análisis de Ciclo de Vida y otras herramientas complementarias. Principalmente, se consideraron dos impactos ambientales: el Calentamiento Global y la Huella Hídrica. El objetivo es proporcionar a los agricultores herramientas metodológicas y prácticas para la toma de decisiones y poder así practicar una agricultura sostenible.

Malignant melanoma is the rarest and deadliest of skin cancers causing three times more deaths than all other skin-related malignancies combined. Fortunately, in its early stages, it is completely curable, making a total body skin examination (TBSE) a fundamental procedure for many patients. Despite the advances in body scanning techniques, automated assistance tools for TBSEs have not received due attention. This fact is emphasized in our literature review covering the area of computerized analysis of PSL images. Aiming at the automation of TBSEs, we have designed and built a total body scanner to acquire skin surface images using cross-polarized light. Furthermore, we have developed an algorithm for the automated mapping of PSLs and their change estimation between explorations. The initial tests of the scanner showed that it can be successfully applied for automated mapping and temporal monitoring of multiple lesions / El melanoma maligne és el més rar i mortal de tots els càncers de pell, causant tres vegades més morts que el conjunt de totes les altres malalties malignes de la pell. Afortunadament, en les primeres etapes, és completament curable, fent de les exploracions de pell a nivell de cos complert (TBSE en anglès) un procés fonamental per a molts pacients. Malgrat els avenços en les tècniques d’escaneig cutani, les eines per a realitzar TBSEs de forma automàtica no han rebut massa atenció. Per tant, hem dissenyat i construït un escàner corporal de cobertura total per adquirir imatges de la superfície de la pell utilitzant llum amb polarització creuada. A més, hem desenvolupat un algoritme pel mapeig automàtic de les PSLs i l’estimació dels canvis entre exploracions. Els tests inicials de l’escàner mostren que aquest pot ésser utilitzat satisfactòriament pel mapeig automàtic i el control de canvis temporal de múltiples lesions

En cuanto a la mejora de los Procesos de Oxidación Avanzada para el tratamiento de aguas residuales, se han diseñado y estudiado nuevos procesos catalíticos Fenton y ozonización catalítica para la eliminación de contaminantes orgánicos del agua. El proceso Fenton se ha realizado mediante peróxido de hidrógeno generado in situ, el cual se ha producido a partir de ácido fórmico y oxígeno sobre un catalizador de paladio soportado en alúmina. A continuación, se ha heterogeneizado totalmente el sistema utilizando un catalizador bimetálico Pd-Fe y se ha aplicado con éxito en la degradación de diferentes categorías de contaminantes orgánicos. La combinación de este proceso de oxidación con hidrodecloración ha obtenido una alta eficiencia en la degradación de clorofenoles. En cuanto al uso de diferentes sustitutos de H2, se ha observado una mayor eficiencia de la hidroxilamina en el proceso Fenton con generación in situ de peróxido de hidrógeno para efluentes neutros. Con respecto al desarrollo de nuevos materiales para ozonización catalítica, se ha estudiado la degradación de compuestos farmacéuticos mediante catalizadores de cobre-dawsonita. El cobre incorporado en la estructura de dawsonita presenta una mayor actividad en la ozonización catalítica con respecto a la muestra calcinada, cobre en solución y óxido de cobre soportado en alúmina. / Regarding to the improvement of Advanced Oxidation Processes for wastewater treatment, new catalytic Fenton process and catalytic ozonation were designed and studied in the removal of organic pollutants from water. Fenton process was performed using in situ generated hydrogen peroxide, which was produced from formic acid and oxygen over alumina-supported palladium catalyst. Then, the system was fully heterogenized by using bimetallic Pd-Fe catalyst and applied successfully for different categories of organic pollutants. The combination of the above oxidation process with hydrodechlorination led to high efficiency in the degradation of chlorophenols. The performance of different hydrogen substitutes in the Fenton process using in situ generated hydrogen peroxide showed higher efficiency of hydroxylamine for neutral solutions. Concerning the development of new catalytic materials for catalytic ozonation, the degradation of pharmaceutical compounds was performed using dawsonite-derived copper catalysts. The copper incorporated into the structure of dawsonite indicated higher activity in catalytic ozonation with respect to the calcined sample, soluble copper and aluminasupported copper oxide.

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L’objectiu principal d’aquest treball és el desenvolupament d’un model compacte per a MOSFETs de múltiple porta d’escala nanomètrica, que sigui analític, basat en la física del dispositiu, i predictiu per a simulacions AC i DC. Els dispositius investigats són el MOSFET estàndar en mode d’inversió, a més d’un nou dispositiu anomenat “junctionless MOSFET” (MOSFET sense unions). El model es va desenvolupar en una formulació compacta amb l’ajuda de l’equació de Poisson i la tècnica de la transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Es varen obtenir les equacions del voltatge llindar i el pendent subllindar. Usant la funció W de Lambert, a més d’una funció de suavització per a la transcició entre les regions de depleció i acumulació, s’obté un model unificat de la densitat de càrrega, vàlid per a tots els modes d’operació del transistor. S’estudien també les dependències entre els paràmetres físics del dispositiu i el seu impacte en el seu rendiment. Es tenen en compteefectes importants de canal curt i de quantització. Es discuteixen també la simetria al voltant de Vds= 0 V, i la continuïtat del corrent de drenador en les derivades d’ordre superior. El model va ser validat mitjançant simulacions TCAD numèriques i mesures experimentals. / El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un modelo compacto para MOSFETs de múltiple puerta de escala nanométrica, que sea analítico, basado en la física del dispositivo, y predictivo para simulaciones AC y DC. Los dispositivos investigados son el MOSFET estándar en modo inversión, además de un nuevo dispositivo llamado “junctionless MOSFET” (MOSFET sin uniones). El modelo se desarrolló en una formulación compacta con la ayuda de la ecuación de Poisson y la técnica de transformación conforme de Schwarz-Cristoffel. Se obtuvieron las ecuaciones del voltaje umbral y la pendiente subumbral. Usando la función W de Lambert, además de una función de suavización para la transición entre las regiones de depleción y acumulación, se obtiene un modelo unificado de la densidad de carga, válido para todos los modos de operación del transistor. Se estudian también las dependencias entre los parámetros físicos del dispositivo y su impacto en su rendimiento. Se tienen en cuenta efectos importantes de canal corto y de cuantización. Se discuten también la simetría alrededor de Vds= 0 V, y la continuidad de la corriente de drenador en las derivadas de orden superior. El modelo fue validado mediante simulaciones TCAD numéricas y medidas experimentales. / The main focus is on the development of an analytical, physics-based and predictive DC and AC compact model for nanoscale multiple-gate MOSFETs. The investigated devices are the standard inversion mode MOSFET and a new device concept called junctionless MOSFET. The model is derived in closed-from with the help of Poisson's equation and the conformal mapping technique by Schwarz-Christoffel. Equations for the calculation of the threshold voltage and subthreshold slope are derived. Using Lambert's W-function and a smoothing function for the transition between the depletion and accumulation region, an unified charge density model valid for all operating regimes is developed. Dependencies between the physical device parameters and their impact on the device performance are worked out. Important short-channel and quantization effects are taken into account. Symmetry around Vds = 0 V and continuity of the drain current at derivatives of higher order are discussed. The model is validated versus numerical TCAD simulations and measurement data.

Los bocetos de ingeniería son un tipo importante de gráficos, porque ayudan a los diseñadores de productos industriales durante la fase más creativa del diseño conceptual. A tal fin, las aplicaciones informáticas de bocetado asistido por ordenador (CAS, por Computer-Aided Sketching) deberían proveer a los usuarios del entorno de bocetado que éstos necesitan para sacar el máximo provecho a su talento natural para el diseño y la innovación. Dichas aplicaciones deberían proveer, además, una integración completa con las fases subsiguientes del proceso de diseño asistido por ordenador. Los métodos propuestos en esta tesis para interpretar bocetos se enmarcan en el modelado basado en bocetos (SBM, por su acrónimo en inglés). Obtener modelos 3D a partir de bocetos requiere completar diversas etapas: La etapa de reconocimiento del boceto, dirigida a obtener dibujos lineales a partir de bocetos; la etapa de reconocimiento de indicios en la que se extrae información del dibujo lineal 2D (tal como vértices, líneas paralelas, caras, etc.), y la etapa de reconstrucción, dirigida a producir las formas 3D representadas en el boceto a partir de la información extraída en la etapa anterior. En todo este proceso de modelado basado en bocetos hay diferentes problemas abiertos, alguno de los cuales se han abordado en esta tesis. Primero, en la sub-etapa del reconocimiento de bocetos que denominamos vectorización, que consiste en reconocer líneas (primitivas geométricas 2D) a partir de los trazos del boceto. La información de salida de esta sub-etapa es un dibujo lineal representado internamente como un grafo, donde los nodos representan los vértices del boceto y las líneas que unen dichos nodos, representan las aristas del boceto. La contribución de esta tesis en la sub-etapa de vectorización ha consistido en desarrollar e implementar un método para ajustar líneas rectas y arcos de elipse mediante criterios perceptuales. El segundo problema abordado está en la etapa de reconocimiento de indicios. Se ha comprobado que los métodos existentes para determinar los grupos de líneas del dibujo que representan grupos de aristas paralelas en el modelo 3D no resuelven parte de los casos más comunes. Se ha desarrollado e implementado un método, también mediante criterios perceptuales, para agrupar líneas que representan aristas paralelas que es tolerante a errores de bocetado y que detecta el paralelismo de las aristas incluso cuando las líneas que los representan convergen a puntos de fuga. Tercero, en el proceso de reconstrucción, asumiendo las limitaciones conocidas del método dominante de inflado (que es poco tolerante a las imperfecciones de los bocetos, y que sólo permite obtener modelos B-Rep), se ha propuesto un método de reconstrucción alternativo basado en obtener el árbol CSG (Geometría constructiva de sólidos, en sus siglas en inglés), para ello una de las sub-etapas críticas es el reconocimiento de elementos característicos 2D. En la tesis se han desarrollado algoritmos de reconocimiento para diferentes elementos característicos, y se ha propuesto un método para ordenar los elementos característicos reconocidos en un árbol del modelo. Por último, pero no menos importante, hay que destacar que todos los métodos propuestos están basados en criterios perceptuales. Hasta ahora, los métodos empleados en SBM están basados generalmente en consideraciones puramente geométricas, aunque algunas de ellas emplean criterios perceptuales de manera aislada y como estrategia secundaria para desambiguar información geométrica contradictoria. Esta tesis plantea que, puesto que los humanos son capaces de interpretar bocetos a pesar de sus imperfecciones geométricas, la mejor estrategia a seguir es tratar de replicar la percepción humana desde el principio y de forma sistemática. Esta estrategia no es evidente, ya que los mecanismos de la percepción humana no se conocen en su totalidad. Por ello, un objetivo general de la presente tesis es explorar y desarrollar métodos basados en criterios perceptuales.

Aquesta tesi proposa l'ús d'aproximacions de control inspirades biològicament per a generar i controlar el patró de locomoció omnidireccional de robots humanoides, adaptant el seu moviment a diversos tipus de terreny pla usant realimentació multisensorial. Els sistemes de control de locomoció proposats van ser implementats usant xarxes de Generadors Centrals de Patrons (CPG) basades en el model de neurona de Matsuoka. Els CPGs són xarxes neuronals biològiques situades en el sistema nerviós central dels vertebrats o en els ganglis principals d'invertebrats, les quals poden controlar moviments coordinats. El fet que, a la natura, la locomoció humana i animal sigui controlada mitjançant xarxes CPG ha inspirat la teoria en la qual es basa la present tesi. En particular, la tesi proposa dues arquitectures de control en llaç tancat basades en mètodes de control CPG-espai-articulacions, les quals han estat validades mitjançant un robot simulat i un robot humanoide NAO real. La primera arquitectura de control va identificar algunes característiques importants que un esquema de control CPG-espai-articulacions ha de tenir si es vol descriure un patró de locomoció útil. A partir d'aquesta anàlisi, la segona arquitectura de control va ser proposada per descriure patrons de locomoció ben caracteritzats. Per a millorar el comportament del sistema en llaç tancat, s’ha proposat un mecanisme de reinicialització de fase per a xarxes CPG basades en el model de neurona de Matsuoka. Aquest mecanisme fa possible dissenyar i estudiar controladors de realimentació que poden modificar ràpidament els patrons de locomoció generats. Els resultats obtinguts mostren que els esquemes de control proposats poden produir patrons de locomoció ben caracteritzats amb una resposta ràpida adequada per a robots humanoides amb una capacitat de processament reduïda. Els experiments també indiquen que el sistema de control proposat habilita el robot a respondre ràpida i robustament, i poder fer front a situacions complexes. / Esta tesis propone el uso de aproximaciones de control inspiradas biológicamente para generar y controlar el modo de caminar omnidireccional de robots humanoides, adaptando su movimiento a varios tipos de terreno plano usando realimentación multisensorial. Los sistemas de control de locomoción propuestos fueron implementados usando redes de Generadores Centrales de Patrones (CPG) basadas en el modelo de neurona de Matsuoka. Los CPGs son redes neuronales biológicas ubicadas en el sistema nervioso central de vertebrados o en los ganglios principales de invertebrados, las cuales pueden controlar movimientos coordinados. El hecho de que, en la naturaleza, la locomoción humana y animal sea controlada mediante redes CPG ha inspirado la teoría en la cual se basa la presente tesis. En particular, dos arquitecturas de control en lazo cerrado basadas en métodos de control CPG-espacio-articulaciones han sido propuestas y probadas mediante ambos un robot simulado y un robot humanoide NAO real. La primera arquitectura de control identificó algunas características importantes que un esquema de control CPG-espacio-articulaciones debe tener si se quiere describir un patrón de locomoción útil. A partir de este análisis, la segunda arquitectura de control fue propuesta para describir patrones de locomoción bien caracterizados. Para mejorar cómo se comporta el sistema en lazo cerrado, un mecanismo de reseteo de fase para redes CPG basadas en el modelo de neurona de Matsuoka ha sido propuesto. Este mecanismo hace posible diseñar y estudiar controladores de realimentación que pueden modificar rápidamente los patrones de locomoción generados. Los resultados obtenidos muestran que los esquemas de control propuestos pueden producir patrones de locomoción bien caracterizados con una respuesta rápida adecuada para robots humanoides con una capacidad de procesamiento reducida. Estos experimentos también indican que el sistema de control propuesto habilita al robot a responder rápida y robustamente, y poder hacer frente a situaciones complejas. / This thesis proposes the use of biologically inspired control approaches to generate and control the omnidirectional gait of humanoid robots, adapting their movement to various types of flat terrain using multi-sensory feedback. The proposed locomotion control systems were implemented using Central Pattern Generator (CPG) networks based on Matsuoka’s neuron model. CPGs are biological neural networks located in the central nervous system of vertebrates or in the main ganglia of invertebrates, which can control coordinated movements, such as those involved in locomotion, respiration, chewing or swallowing. The fact that, in nature, human and animal locomotion is controlled by CPG networks has inspired the theory on which the present thesis is based. In particular, two closed-loop control architectures based on CPG-joint-space control methods have been proposed and tested by using both a simulated and a real NAO humanoid robot. The first control architecture identified some important features that a CPG-joint-space control scheme must have if a useful locomotion pattern is to be described. On the basis of this analysis, the second control architecture was proposed to describe well-characterized locomotion patterns. The new system, characterized by optimized parameters obtained with a genetic algorithm (GA), effectively generated and controlled locomotion patterns for biped robots on flat and sloped terrain. To improve how the system behaves in closed loop, a phase resetting mechanism for CPG networks based on Matsuoka’s neuron model has been proposed. It makes it possible to design and study feedback controllers that can quickly modify the locomotion pattern generated. The results obtained show that the proposed control schemes can yield well-characterized locomotion patterns with a fast response suitable for humanoid robots with a reduced processing capability. These experiments also indicate that the proposed system enables the robot to respond quickly and robustly, and to cope with complex situations.